2021年2月5日,南极熊获悉,美国西北大学McCormick工程学院的研究人员,开发了一种新型的光固化3D打印机,它具有超凡的打印速度和出色的零件精度。

据介绍,他们开发的连续打印工艺每分钟能够打印2000层左右的材料,这样速度确实是惊人的,毕竟普通的DLP 3D打印机1分钟只能打印10层左右,相当于速度提高了200倍左右。如果按照每层厚度25微米计算,那么1分钟可以打印出50毫米高度的零件。

这系统将光固化与六轴机械臂相结合,通过在建造过程中移动、旋转和重新调整每个层的自由度,机器赋予了全新的设计自由。

△机械臂+DLP光固化 打印过程,南极熊从视频中看到,在40倍快放的情况下,打印这个小埃菲尔铁塔用时23秒,实际用时相当于是920秒(15．3分钟),打印速度远远达不到上面所说的2000层/分钟。

西北大学机械工程副教授、项目的主要作者Cheng Sun指出:"3D打印过程不再是仅仅制作设计模型的复制品。现在我们有了一个动态的过程,利用光来组装所有的层,但在移动过程中,每一层都有很高的自由度。"

△西北大学新颖的3D打印机利用了六轴机械臂,图片来自西北大学

模型切片的新玩法

对于常规的3D打印机,在打印之前一般需要将3D模型数据进行切片,变成一层一层的数据,通过3D打印机的逐层打印来完成物体的制造。

西北大学的方法则颠覆了这一点,将分层切片的方法替换为更流畅的连续过程。

由于打印机的机械臂并没有被锁定在Z轴方向上运动,因此它可以动态地变换每一个层。此外,由于打印引擎是基于DLP的光投影仪,整个系统适合快速固化和高分辨率。整个模型是一次性3D打印出来的,而且没有延迟,所以系统是持续运行的。

△切片模拟打印过程

Sun补充道:"我们是利用光来进行制造的,将光照射在液态聚合物上,使其交联或聚合,将液体转化为固体。这有助于提高我们3D打印的速度和精度。"

△西北大学3D打印机上打印的动态变形的埃菲尔铁塔模型,图片来自西北大学

一分钟2000层

从数字来看,连续工艺每分钟能够打印相当于2000层左右的材料。研究人员通过制造一些测试打印物,包括埃菲尔铁塔、双螺旋和一个高度定制的血管支架,展示了该系统的威力。

由于3D打印机还兼容多材料构建,团队能够制造出具有刚性底座和软致动肢体的软性气动抓手,成为快速生产零件的新方法。

△具有刚性底座和软致动肢体的软性气动抓手

Sun总结道:"这是一个非常快速的工艺,而且层与层之间没有中断。我们希望制造业能从中受益。一般的打印方法可以兼容多种材料。"
关于3D打印机的更多细节可以在题为  ‘Conformal Geometry and Multimaterial Additive Manufacturing through Freeform Transformation of Building Layers’的论文中找到。该论文由Cheng Sun等人共同撰写。

连续光固化技术

最早发布连续光固化技术的公司是美国的Carbon,他们的CLIP(现在叫DLS)技术就是消除了3D打印过程中层与层之间的停顿时间,实现连续打印工艺,从而大幅提高了打印速度,这项技术在当时确实是颠覆式的。

CLIP技术速度是普通3D打印的25-100倍,达到了可实现大规模生产的水平。目前,该技术已经得到了相当规模的实际应用,比如运动巨头Adidas就正在使用它制造运动鞋Futurecraft 4D的中底。据南极熊了解,在实际生产中,Carbon的设备并没有按照最大的速度来生产,而是照顾到实际生产质量的要求,调到了一个相对慢但更稳定的速度来生产。

△CLIP技术核心原理,凭借能够透过氧气的透氧膜形成的死区,实现连续拉升

国内也出现了几家快速光固化的3D打印公司,比如清锋时代、UNIZ等。