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快快快!13种高速光固化3D打印机技术竞争,志在革新制造业

自从美国Carbon3D展示了高速光固化3D打印技术的强大诱惑之后,人们重新审视了对3D打印的看法。与此同时,以高速为核心的光固化3D打印技术层出不穷。南极熊特别整理专题文章“没有最快只有更快,13种高速光固化3D打印机技术原理”。

一、CLIP:连续液面制造技术(Continuous Liquid Interface Production)

厂商:美国Carbon

Z轴打印速度:500mm/h,型号为M2的树脂打印速度为11600cc/h

打印幅面:M2(189毫米x 118毫米x 326毫米),M1(141毫米 x 79毫米 x 326毫米)

机型:M1和M2

连续液界制造技术CLIP技术(ContinuousLiquid Interface Production),由北卡罗来纳大学教堂山分校化学教授、Carbon3D的CEO约瑟夫·德西蒙尼(JosephM. DeSimone)与他的同事兼Carbon3D的首席技术官亚历克斯·叶尔莫什金(Alex Ermoshkin)以及北卡罗来纳大学的化学教授爱德华·萨穆尔斯基(Edward T. Samulski)合作发明,这项革命性的CLIP技术比现有的3D打印快25-100倍,而且取消了层的概念。

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 CLIP技术是基于传统的光固化技术,并且利用了丙烯酸酯的氧阻聚效应:使用一种透明透气的特氟龙膜作为树脂槽底部,供光和氧气通过。由于氧阻聚效应,进入树脂槽的氧气会抑制离底部最近的一部分树脂固化,形成几十微米厚的“盲区”(dead zone)。同时,紫外光会固化盲区上方的光敏树脂。也就是说固化的打印件并没有像传统的SLA打印机那样黏在树脂槽底部,所以打印时无需缓慢剥离,从而可以可以做到连续打印,实现比普通光固化快10倍到100倍的打印速度。

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△CLIP工作原理示意图

CLIP技术利用了通常人们希望避免的氧阻聚效应,从而达到了突破性的打印速度。但是这也限制了其只能使用丙烯酸酯类的光敏树脂,而无法利用到环氧类光敏树脂的优势。同时,CLIP连续打印没有刮刀涂覆的步骤,这就要求光敏树脂黏度低,有较好的流动性,因此对CLIP技术使用的光敏树脂提出了更高的要求。

△CLIP打印技术过程

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△Carbon打印样品

关于Carbon 

Carbon是一家总部在美国硅谷的3D打印数字化解决方案供应商。这家成立于2013年的创业公司经过这几年的发展,凭借其开创性的CLIP技术,实现了企业的持续增长,利用公司的专业知识和技术,Carbon公司帮助他们的合作伙伴,创造了从牙齿模型、功能性汽车部件原型、到运动鞋、移动设备解决方案等各种产品。

二、两个光源百倍速3D打印技术

发布单位:密歇根大学

Z轴打印速度:2000mm/小时

打印幅面:未知

机型:原型试验机

以Carbon为代表的技术仍然存在一些缺陷,比如在打印实心物体的时候,打印速度将大打折扣。这主要是因为液槽底部的透氧膜,所透过的氧气量有限,固化抑制区域(下图中的死区)间隙只有一块透明胶带的厚度,所以如果打印实心物体时,树脂无法快速的补充到间隙内的所有位置,所以,我们经常见到的是,这些百倍速的设备在打印一些镂空的物体,比如阿迪达斯的镂空鞋底。

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△Carbon 3D的技术原理图

密歇根大学的研究人员开发出一种新方法,可以弥补以Carbon为代表的光固化技术的缺陷,实现百倍速打印实体模型结构,这项新技术的独特之处在于:他们使用两个光源(分别为波长365纳米的UV LED和波长为458纳米的Blue DLP光源),其中一个光源对树脂进行固化,而另外一个光源则负责抑制树脂固化。通过用第二道光替换透氧膜来实现抑制树脂凝固,密歇根大学的团队可以在物体与液槽之间产生更大的间隙,可以达到毫米级厚,这使得树脂的流动速度提高数千倍。

△密歇根大学的百倍速光固化3D打印技术

该技术的Z轴3D打印速度可以达到2000mm/小时,如果能够以百倍速3D打印实体模型,将大大拓宽其应用场景。另外一个成功的关键是树脂的化学成分。在传统光固化系统中,只有一种反应即光活化剂可在光线照射的地方硬化树脂。而在密歇根大学开发的系统中,还有一个光抑制剂,它们可以响应不同波长的光。

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正如目前的还原打印技术那样,密歇根团队不仅可以控制2D平面中的凝固,而且可以模拟两种光线,使树脂基本上在照明窗口附近的任何3D位置硬化。密歇根大学化学工程副教授Timothy Scott与 U-M的工程教授Mark Burns共同领导了新的3D打印方法的开发。U-M已经提交了三份专利申请,以保护该方法的多个发明方面,Scott正准备成立一家创业公司。

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△打印样品

三、容积3D打印技术

开发者:《Science》发布   注:被质疑抄袭中国北京人吴翔在 2015年就已经申请的专利。

打印速度:瞬间成型

打印幅面:1立方厘米

机型:原型技术验证机

顶级学术期刊《Science》上刊登了一篇革命性“容积3D打印技术”文章(Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction),光照几十秒即可打印出一个完整的人像。

△先在一个杯子里装上光敏树脂液态材料,使用DLP光源进行体曝光,转盘带动杯子进行旋转,在指定的位置把树脂固化。   

△工作原理就像反向计算机断层(CT)扫描

在CT机中,X射线管在患者周围旋转,拍摄人体内部器官的照片。然后,计算机再利用这些投影重构出一幅3D画面。在计算机模拟一个3D物体的情况下,研究人员从多个不同角度计算出物体的形状,然后将由此产生的2D图像输入一台普通的幻灯片投影仪。投影仪将图像投射到一个装着丙烯酸酯(一种合成树脂)的圆柱形容器中。当投影仪通过全方位覆盖的图像旋转时,容器也以相应的角度旋转。

加利福尼亚大学伯克利分校的电气工程师泰勒说:“当圆柱体旋转时,任何接收到光量的位置都可以单独控制。如果光的总量超过一定数值,液体就会变成固体。”

△树脂中的一种化学物质会吸收光子,而当吸收的光子达到一定的门槛时,丙烯酸酯就会聚合,形成固体塑料。

剩下的液体随后被移除,留下的就是固态的3D物体。几十秒后,杯子中便3D打印出来一个人像,比Carbon的CLIP连续液面打印技术,还要快很多,杯子旋转,即可打印出来物体。

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四、DPM:数字光子制造技术(Digital Photonic Manufacturing)

厂商:Revo塑成科技

Z轴打印速度:300mm/h

打印幅面:190x120x350mm

机型:Type E+

数字光子制造技术 ( DIGITAL PHOTONIC MANUFACTURING ) 依靠的是塑成科技 Revo 开创性的双重固化制造工艺和可编程液态树脂。传统的光固化 3D 打印方式通常制造出来易碎易坏的制品。依靠在材料中运用了热激活的可编程化学,克服了传统 3D 打印材料上的缺陷,这使得我们能够 3D 打印出来工程级别机械性能的高精细度的制品。

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△ Type E+

数字光子制造技术利用了化学中的常识性知识,通过控制光和氧气进行无间断制造,光将液态树脂转换成固体,氧气抑制此转化过程,控制产品制作成型。做到这一点的关键是要整合数字光子技术、软件控制算法、可编程化学。

Type E + 使用精密算法严控光固化反应进程:

将数字光图像不间断的投射至装有可编程树脂的料槽;

料槽上方的成型平台依据材料特性进行精密计算并输出稳定的提升速度指令;

使用热熟化定性技术激活成型制品内在的热化学反应,料槽中被光子辐射的树脂由液体变为固体;

依照材料特性计算加热温度与时间,利用 AI 编程精准催化成型制品内部分子的连续化学反应,3D 打印三位一体的光固化成型,实现性能优异且稳定的最终制品。

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光固化成型

使用 Revo 开发的精密算法严控光固化反应进程。将数字光图像不间断的投射至装有可编程树脂的料槽, 与此同时, 料槽上方的成型平台依据材料特性进行精密计算并输出稳定的提升速度指令, 在这个过程中, 料槽中被光子辐射的树脂由液体变为固体, 实现 3D 打印三位一体的光固化成型。

热熟化定性

使用 Revo 开发的热熟化定性技术激活成型制品内在的热化学反应。  依照材料特性计算加热温度与时间, 利用 AI 编程精准催化成型制品内部分子的连续化学反应, 实现性能优异且稳定的最终制品。

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△Type E + 打印样品

关于Revo 塑成科技

Revo公司由来自美国的高科技海归创始团队在 2016 年创立。核心技术团队来自于知名企业或海内外知名院校实验室。Revo 将传统意义的硬件设备、软件服务,与材料技术结合起来,为高分子制品的设计与制造,提供一种全新的革命性的制造方式。Revo眼中的未来制造技术,是一个光与热打造的全新世界。通过 Revo 的数字光子制造技术,对于以高分子为材质的制品,我们能够进行可追踪地,具有终端使用性能与品质的、大批量生产制造,设计不受限制。我们正在朝着市场所需求的,产品快速迭代、大批量定制和柔性制造迈进。

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