美國(guó)西北大學(xué)基于液體界面的大尺寸快速3D打印

供稿人:汪鑫 田小永
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

連續(xù)液體界面3D打印技術(shù)，是一種基于面成型的高速3D打印技術(shù)，可以通過(guò)氧氣來(lái)控制固化過(guò)程，防止形成與底板粘粘的“死區(qū)（Dead Zone）”。通過(guò)這一改進(jìn)，3D打印速度被提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，由于固化時(shí)的聚合反應(yīng)是放熱的，在高速打印下，散熱問(wèn)題是該技術(shù)的巨大挑戰(zhàn)，限制打印速度和打印物體尺寸的瓶頸。

因此，美國(guó)西北大學(xué)的Mirkin等人，提出一種無(wú)死區(qū)的光固化高速3D打印方法HARP（high-area rapid printing），利用氟化油代替氧氣，并將液態(tài)樹(shù)脂浮于氟化油流動(dòng)床上，通過(guò)冷卻循環(huán)系統(tǒng)釋放聚合反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。同時(shí)，液體流動(dòng)能進(jìn)一步降低粘附力，產(chǎn)生固液滑移邊界，并在循環(huán)過(guò)濾時(shí)去除打印中產(chǎn)生的微小固體顆粒，防止分辨率的降低。此外，利用氟化油替代氧氣，使更多空氣敏感的液體樹(shù)脂成為可打印“油墨”。

圖1 3D打印工藝的原理示意圖

同時(shí)，Mirkin等人使用硬質(zhì)聚氨酯丙烯酸酯樹(shù)脂，在120 μm/s的垂直打印速率速度、100μm的光學(xué)分辨率下，打印橫截面為5cmX5cm的樣品，比較三種不同打印策略下的溫度的變化（圖2）。圖中三種策略分別為：A、靜態(tài)的打印界面；B、流動(dòng)的打印界面；C、不斷冷卻的流動(dòng)打印界面。在完全沒(méi)有散熱的情況下，打印的溫度將超過(guò)樹(shù)脂的煙點(diǎn)（樣品發(fā)煙時(shí)的溫度，＞120 °C），打印物體發(fā)生變形，打印失敗。通過(guò)對(duì)打印樹(shù)脂不斷流動(dòng)冷卻，零件的表面溫度在100到120°C之間保持穩(wěn)定。

圖2 三種打印策略下的紅外熱成像圖

之后，Mirkin等人利用HARP技術(shù)對(duì)三種不同的樹(shù)脂“墨水”進(jìn)行了打?。河操|(zhì)聚氨酯丙烯酸酯、碳化硅陶瓷先驅(qū)體以及彈性丁二烯橡膠，以生成具有不同性能的三種不同類(lèi)型的材料，可以看到所有樹(shù)脂都可與HARP技術(shù)兼容。目前，Mirkin等人已經(jīng)可以在1小時(shí)45分鐘內(nèi)打印了一個(gè)38 cm×61 cm×76 cm的零件，他們的工作可能會(huì)徹底改變汽車(chē)和飛機(jī)零件的制造。

圖3 三種不同材料的打印

參考文獻(xiàn)：
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-+.