研究人員應用了一種被稱為“HARP”（high-area rapid printing，大面積快速打?。┑募夹g，其原型設備有著高約 4 米、橫向面積近 1 平方米的打印床。它能夠創(chuàng)造出破紀錄的產(chǎn)量，并且按需生產(chǎn)尺寸范圍更廣泛的產(chǎn)品。

在過去的 30 多年里，3D 打印領域的絕大部分科研努力都是為了挑戰(zhàn)傳統(tǒng)技術的極限。通常情況下，追求打印更大尺寸的部件要以犧牲速度、產(chǎn)量和分辨率為代價。但現(xiàn)在， HARP 技術要對過往的妥協(xié)說“不”，它一次可以打印出單個、大尺寸的部件或者許多不同的小部件。

研究團隊宣稱，該技術可穩(wěn)定打印堅硬耐用的部件和有彈性的物體，創(chuàng)新的界面循環(huán)液體去熱技術，可突破現(xiàn)有立體光刻 3D 打印極限，可以打印醫(yī)療設備、汽車、飛機和建筑物等部件……更令人振奮的消息是，這項技術不像大多數(shù)科研成果那樣，距離應用遙遙無期，而是“未來 18 個月內(nèi)可投入市場”。

要注意的是，該技術打印人們習慣意義上叫“塑料”的產(chǎn)品。因為金屬和塑料兩者材料性能不同、所用硬件的物理性能也不一樣，所以兩者的 3D 打印方案不可同日而語。而塑料材料在不斷朝著高強度方向發(fā)展，這樣一些復雜構件便可以被其替換，不僅便宜而且輕便。此外，塑料材料還可以避開復合缺陷等問題，并實現(xiàn)多元復合材料的生產(chǎn)。

該研究在今天發(fā)表于 Science 雜志，西北大學溫伯格文理學院的 George B. Rathmann 化學教授、國際納米技術研究所主任 Chad A. Mirkin，與 David Walker 及 James Hedrick 共同完成了這項研究，后兩人均為 Mirkin 實驗室的研究人員。

圖 | 大尺寸 3D 打印過程照片（來源：Northwestern University）

突破技術制約

目前，制約 3D 打印機發(fā)展的一個主要限制因素就是熱量。每臺樹脂基 3D 打印機在高速運行時都會產(chǎn)生大量熱量，有時甚至會超過 180 ℃。這樣會讓表面溫度升高到一個比較危險的程度，還會導致打印出的部件開裂或變形。速度越快，打印機產(chǎn)生的熱量就越多。如果它又大又快的話，那么產(chǎn)生的熱量是極為強烈的。

這個問題已經(jīng)束縛了絕大多數(shù) 3D 打印公司，只能保持較小的打印尺寸，例如鞋盒大小已經(jīng)是天花板。David Walker 表示：“當這些打印機高速運轉時，樹脂聚合會放出許多熱量，他們目前還沒有辦法驅散它?！辈贿^，鑒于尺寸規(guī)模擴大可以帶來的更廣闊的市場應用前景，其他 3D 打印公司勢必也在進行相關研究。

西北大學的技術則繞過了這個問題，他們使用了一種不沾液體，其表現(xiàn)類似于液體特氟龍（Teflon，聚四氟乙烯）。使用 HARP 的設備通過一個窗口投射光線，使樹脂在垂直移動的平板上凝固；同時，“液體聚四氟乙烯”流過該窗口來消除熱量，并通過一個冷卻裝置使其循環(huán)。

“我們的技術和其他技術一樣會產(chǎn)生熱量，但是我們有一個界面可以消除熱量。同時，這個界面也是不沾材質的，所以不會讓樹脂粘在打印機上。這可能會讓打印機的速度提高一百倍，因為不必在打印設備的底部反復切割這些部件?！?Chad A. Mirkin 和 James Hedrick 對外如此表示。

目前，西北大學研究團隊開發(fā)的 HARP 新型立體打印技術正在申請專利。HARP 技術可以將液體塑料轉化為固體產(chǎn)品，它使用投射的紫外線在垂直方向將液體樹脂固化成硬化塑料來進行打印。該方法可以打印出堅硬的、有彈性的，甚至是陶瓷制品。與其他常見 3D 打印技術制造的層壓結構相比，應用 HARP 技術打印的部件具有更強的機械強度，可以用作汽車、飛機、牙科、矯形手術、服飾等產(chǎn)品的零部件。

圖 | 可連續(xù)打印的移動界面描述：A.HARP 的 3D 打印技術方案；B.在不同流速下打印部件的速度分布，表明存在滑移邊界；C.有代表性的打印零部件滑移邊界流動剖面插圖（來源：Science）

給制造業(yè)帶來“大”影響

傳統(tǒng)制造方法目前仍是一個繁瑣的工藝過程。通常要預先設計出模具，并不斷調整驗證，這些模具相對昂貴，容易產(chǎn)生靜電，并且占用倉儲空間。制造商要猜測可能需要生產(chǎn)多少零件來預先計劃模具的使用量，還得將這些模具存儲在巨大的倉庫中。而 3D 打印則可以將整個流程簡化，實現(xiàn)按需制造。當然，根據(jù)產(chǎn)量的多少，模具與 3D 打印之間存有一個“盈虧平衡點”。

盡管目前 3D 打印已經(jīng)從原型參考過渡到實際生產(chǎn)制造，但現(xiàn)有市場 3D 打印機的尺寸和速度將產(chǎn)品限制在小尺寸與小規(guī)模的生產(chǎn)中——當下相對成熟的商用打印尺寸基本和一個籃球鞋鞋盒大小相近。而應用 HARP 的設備是第一臺可以同時大批量制備大/小尺寸零件的 3D 打印機。

Mirkin 說：“當我們可以快速且大尺寸地打印時，這項技術就可以著實去改變?nèi)藗儗χ圃斓目捶ā＝柚?HARP，人們可以在沒有模具、沒有零件倉庫的情況下，根據(jù)需求去生產(chǎn)可以想象的任何東西?！?/span>

之前并非沒人去做大尺寸的 3D 打印機，但其他的打印技術都減慢或降低了分辨率。其他可以和 HARP 設備打印同等規(guī)模的打印機生產(chǎn)的零部件，通常都需要進行打磨或者再加工等“打印后處理”，這不但沒簡化工藝，還增加了生產(chǎn)過程中的人工成本。使用 HARP 技術則不必做出類似的讓步，其使用高分辨率的光圖案來實現(xiàn)即用型零件的打印，無需進行大量的后處理，在商業(yè)上是一條可行的生產(chǎn)消費品的途徑。

“從體積上來看，我們做出了數(shù)量級級別的提升。”Mirkin 說道。

圖 | 打印樹脂材料的廣泛展示樹脂材料的廣泛展示：A.硬質可加工聚氨酯丙烯酸酯零件（打印速率為 120 μm/s，光學分辨率為 100 μm）；B.后處理的碳化硅陶瓷印刷晶格（打印速率為 120 μm/s，光學分辨率為 100 μm）；C&D.松弛狀態(tài)和張力下的印刷丁二烯橡膠結構（打印速率為 30μm/s，光學分辨率為 100 μm）；E.聚丁二烯橡膠在壓縮后恢復為膨脹的晶格（打印速率為 30 μm/s，光學分辨率為 100 μm）；F.在不到 3 小時的時間內(nèi)打印出約 1.2 米的硬質聚氨酯丙烯酸酯晶格（垂直打印速度為 120 μm/s，光學分辨率為 250 μm）；比例尺為 1 cm（來源：Science）

獨角獸和黑馬

縱觀 3D 打印這個行業(yè)，它已歷經(jīng)過初期的“風口”，并在度過 5、6 年的“擠水分”過程之后又一次活躍于大眾視野中。在美國，3D 打印行業(yè)已經(jīng)催生出 3 家“獨角獸”企業(yè)，其中創(chuàng)立 5 年、估值已達 24 億美元的 Carbon  公司領跑，身后又有 Formlabs 和 Desktop Metal 兩家公司緊隨其腳步。

在中國，同樣也有初創(chuàng)公司投身于該行業(yè)，Carbon 的“師弟” Revo 塑成（兩名創(chuàng)始人來自弗吉尼亞理工學院的同一個實驗室）和 LuxCreo 清鋒時代兩家目前在國內(nèi)相對領先。而縱觀以 3D 打印起家的公司，其創(chuàng)始人團隊都有一個共同的特點——都有極為耀眼的科研背景。簡單概括一下，Carbon 和 Revo 塑成之于弗吉尼亞理工，F(xiàn)ormlabs 之于哈佛大學，Desktop Metal 之于麻省理工，清鋒時代之于清華大學。

而這項出自西北大學的研究突破是否會一舉打破現(xiàn)有 3D 打印行業(yè)的格局？這有待時間去檢驗，而且或許不會太久。研究團隊給出的時間表是 18 個月內(nèi)，該設備可投入市場。

圖 | 由 HARP 技術打印出的公司 Logo（來源：Northwestern University）

現(xiàn)在，James Hedrick 已經(jīng)聯(lián)合研究團隊創(chuàng)立了 Azul 3D 公司，該技術的研究人員和西北大學均持有該公司的股權。與其他 3D 打印頭部公司的團隊精英背景相似，Azul 3D 的 CEO & 聯(lián)合創(chuàng)始人 James Hedrick 本科畢業(yè)于麻省理工學院，并在今年獲得西北大學博士學位。

在 Azul 3D 目前只有十幾人的團隊中，機械工程師 Edward Cottiss 畢業(yè)于弗吉尼亞理工學院——Carbon 和 Revo 塑成創(chuàng)始人的母校；化學工程師 Rachel Davis 本科畢業(yè)于麻省理工學院，并在 Formlabs 公司有過近 4 年的工作經(jīng)歷，其余人也均有著相當優(yōu)秀的履歷背景。

未來 3D 打印行業(yè)將走向何方，這個或許較難預測，但不出意外地應該會由這些學術精英們所引領。

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參考：

“Rapid, Large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface”， David A. Walker, James Hedrick, Chad A. Mirkin, Science, Vol. 366, Issue 6463, pp. 360-364

https://science.sciencemag.org/content/366/6463/360

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2019-10/nu-bf3101319.php

https://www.linkedin.com/search/results/people/?facetCurrentCompany=%5B22298809%5D