美国西北大学基于液体界面的大尺寸快速3D打印

供稿人:汪鑫 田小永
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

连续液体界面3D打印技术，是一种基于面成型的高速3D打印技术，可以通过氧气来控制固化过程，防止形成与底板粘粘的“死区（Dead Zone）”。通过这一改进，3D打印速度被提高了两个数量级。然而，由于固化时的聚合反应是放热的，在高速打印下，散热问题是该技术的巨大挑战，限制打印速度和打印物体尺寸的瓶颈。

因此，美国西北大学的Mirkin等人，提出一种无死区的光固化高速3D打印方法HARP（high-area rapid printing），利用氟化油代替氧气，并将液态树脂浮于氟化油流动床上，通过冷却循环系统释放聚合反应产生的热量。同时，液体流动能进一步降低粘附力，产生固液滑移边界，并在循环过滤时去除打印中产生的微小固体颗粒，防止分辨率的降低。此外，利用氟化油替代氧气，使更多空气敏感的液体树脂成为可打印“油墨”。

图1 3D打印工艺的原理示意图

同时，Mirkin等人使用硬质聚氨酯丙烯酸酯树脂，在120 μm/s的垂直打印速率速度、100μm的光学分辨率下，打印横截面为5cmX5cm的样品，比较三种不同打印策略下的温度的变化（图2）。图中三种策略分别为：A、静态的打印界面；B、流动的打印界面；C、不断冷却的流动打印界面。在完全没有散热的情况下，打印的温度将超过树脂的烟点（样品发烟时的温度，＞120 °C），打印物体发生变形，打印失败。通过对打印树脂不断流动冷却，零件的表面温度在100到120°C之间保持稳定。

图2 三种打印策略下的红外热成像图

之后，Mirkin等人利用HARP技术对三种不同的树脂“墨水”进行了打印：硬质聚氨酯丙烯酸酯、碳化硅陶瓷先驱体以及弹性丁二烯橡胶，以生成具有不同性能的三种不同类型的材料，可以看到所有树脂都可与HARP技术兼容。目前，Mirkin等人已经可以在1小时45分钟内打印了一个38 cm×61 cm×76 cm的零件，他们的工作可能会彻底改变汽车和飞机零件的制造。

图3 三种不同材料的打印

参考文献：
Walker D A, Hedrick J L, Mirkin C A. Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface[J]. Science, 2019, 366(6463): 360-+.