3D打印要進(jìn)入規(guī)模化的工業(yè)應(yīng)用，單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本需要進(jìn)一步降低，而3D打印工藝的生產(chǎn)成本主要可以歸于原材料和成形速度兩方面。材料工藝的改進(jìn)從時(shí)間和資金的消耗上都是巨大的，因而當(dāng)前的創(chuàng)新主要來自于成形速度的提升，而這一方向的創(chuàng)新也促成了明星企業(yè)。

?

我們將當(dāng)前3D打印成形的全過程分為3個(gè)因素：

?

1）材料供給（包括鋪粉、樹脂回流等）；

?

2）材料融合（包括粘結(jié)、光固化、燒結(jié)、熔化）；

?

3）后期處理（包括燒結(jié)、熱處理等）。

?

3D打印的成形特性是點(diǎn)連成線、線聚成面、面疊成體，越接近底層所能控制的精度和參數(shù)越多，而成形速度也會越慢。

?

舉個(gè)簡單的例子：對于零件顏色的控制，假設(shè)我們希望控制每個(gè)點(diǎn)的顏色，就需要在打印的過程中為每個(gè)點(diǎn)噴涂不同的色素，那么所需要消耗的時(shí)間就相當(dāng)可觀；而如果我們只是整體達(dá)到一種顏色，那迅速的在染缸里面浸染一下就可以了。

?

3D打印第一定律：速度定律

?

在決定速度的環(huán)節(jié)，將打印方式從低維升到高維（點(diǎn)到線，線到面，面到體），就可以大幅度的提升打印速度。

?

對于這個(gè)定律，魔猴網(wǎng)以業(yè)界三家知名公司的產(chǎn)品來做解讀。

?

案例1：Carbon（CLIP技術(shù)）

?

成形主要影響因素：材料供給——光敏樹脂的回流。

?

SLA、DLP成形工藝的光固化速度已經(jīng)可以達(dá)到幾秒鐘一層，而當(dāng)前限制該工藝速度的主要因素在于材料供給。材料供給的過程又分為兩步：

?

1）成形件與透光板分離；

?

2）光敏樹脂回流填充真空區(qū)。

?

Carbon主要的工作在于第一步，成形件與透光板的分離。在Carbon產(chǎn)品發(fā)布之前，SLA/DLP的分離過程主要是借助透光板上鍍的PDMS等材料的薄膜。該薄膜輔助打印好的材料從底板上剝離，一般會采用傾斜底板的方法。這種分離方式實(shí)際是線分離，因?yàn)樵诿恳粋€(gè)時(shí)刻都有一條線正在與底板分離。這樣做的主要目的是降低張力，避免成形件被損傷。

圖1 Formlabs打印中成形件與透光板分離方式

?

而Carbon創(chuàng)新的核心之處就在于其實(shí)現(xiàn)了從線分離到面分離，一層永久的液態(tài)層（圖2中Deadzone）降低了分離時(shí)所承受的張力，而將速度大幅度提高（雖然未到其號稱的100倍速度）。

圖2 Carbon CLIP技術(shù)光固化過程

?

Carbon的成功之處在于實(shí)現(xiàn)了分離過程的線到面的升級。然而，Carbon并沒有因此而橫掃天下，壟斷光固化成形領(lǐng)域。這并不是因?yàn)槌杀?，也不是Carbon對競爭對手的仁慈，實(shí)在是力不從心。原因歸咎于我們講到光固化影響成形速度的第二點(diǎn)，光敏樹脂回流填充真空區(qū)。而這一點(diǎn)，到目前為止，行業(yè)內(nèi)都沒有很好地解決方案。在做極度的簡化模型下，我們來看光敏樹脂回流速度。當(dāng)成形平臺移動，在液槽內(nèi)形成一個(gè)真空時(shí)，周邊的樹脂會填充這個(gè)真空，所有的樹脂需要從邊界流入到真空區(qū)域（圖3）。假設(shè)成形速度和邊界成正比。在這個(gè)簡單假設(shè)的前提下，我們看到，填充的時(shí)間是和邊界的尺寸成正比（實(shí)際大面積的邊界填充時(shí)間大于線性增長），因而越大的成形平臺，液體回流時(shí)間就越長。

?

圖3 光固化樹脂回流時(shí)間簡化公式

?

所以，如果Carbon用更大的成形平臺，那么限制成形速度的因素就從步驟1轉(zhuǎn)到了步驟2，從而導(dǎo)致CLIP技術(shù)的優(yōu)勢喪失殆盡。因此，即便Carbon非?？释軌?qū)崿F(xiàn)大尺寸的成形，但是也只是在Z軸方向不斷地加長，離真正的工業(yè)應(yīng)用需求還有一大步?？梢粤系?，Carbon工程師正在攻堅(jiān)的任務(wù)也就集中在此了（而這顯然也具有巨大的研究和商業(yè)價(jià)值）。

?

案例2：HP（MJF技術(shù)）

?

成形主要影響因素：材料融合——尼龍粉末的燒結(jié)。

?

在粉床熔融/燒結(jié)工藝中，當(dāng)前限制成形速度的最大因素就是高能束流的掃描過程。當(dāng)前主流設(shè)備的方案都是采用矢量的線掃描工藝，因而成形時(shí)間大約和成形零件的面積成正比。

圖4 SLS技術(shù)中激光矢量掃描工藝

?

而惠普3D打印使用噴頭對所選擇區(qū)域的尼龍材料進(jìn)行了預(yù)處理，從而在燒結(jié)過程中可以實(shí)現(xiàn)面燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)了線到面的燒結(jié)速度提升。

?

?

圖5 HP多射流熔融過程

?

當(dāng)然，這種方法并不完美，材料的吸收與顏色以及噴射的材料息息相關(guān)。當(dāng)前HP展示的進(jìn)行強(qiáng)度測試的主要是黑色的樣品，而能夠給用戶發(fā)貨的設(shè)備打印的也都是單色材料。要達(dá)到HP許諾實(shí)現(xiàn)的全彩打印，實(shí)際困難才剛剛開始。但是在高速單色（黑色）打印上，HP毫無疑問走在了正確的道路。

?

案例3：DM（DesktopMetal）

?

成形主要影響因素：后期處理——燒結(jié)過程

?

DM在宣傳片中，強(qiáng)調(diào)了其成形速度超過當(dāng)前金屬3D打印設(shè)備成形速度100倍，顯然他們挑選的是成形采用線掃描因而速度較慢，但是強(qiáng)度、精度很高的SLM/EBM技術(shù)。按照他老人家這比較方式，硬要說檸檬比西瓜好，我們也就呵呵一下。

?

DM的成形速度提升真實(shí)的是在其燒結(jié)工藝，盡管他們自己宣傳的是打印過程。與峰華卓立、Exone、Voxeljet這些粘結(jié)成形3D打印公司設(shè)備比較起來，DM的成形過程并未見到突破性創(chuàng)新之處，雖然DM講到將會使用全尺寸（與成形平臺同寬）的打印機(jī)噴頭，一次通過，打印成形區(qū)域。然而真要說這樣就提高了打印的速度，我們就只能再次友盡了?？诖绣X這事好像誰不會做一樣。

圖6 DM全尺寸打印噴頭打印過程

?

至于鋪粉過程如何完成，宣傳片里面影影綽綽、”猶抱琵琶半遮面”的方式只能讓靖哥理解是這事內(nèi)部還沒有達(dá)成一致。按照媒體宣傳的通過噴頭來送粉的方式直接違背了第一定律，并不可取。當(dāng)前生產(chǎn)工藝中的鋪粉方式可以理解為是線鋪粉工藝，而要將其降維到點(diǎn)鋪粉，在速度、可靠性上都是很大程度的降低，大約的確只是做宣傳罷了。

圖7 DesktopMetal鋪粉過程

?

真實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)提速的，也許就在于其后處理中的燒結(jié)工藝，而該公司團(tuán)隊(duì)中的技術(shù)人員，大多數(shù)也是在材料領(lǐng)域，這也很合理。采用微波輔助電阻式加熱，能夠迅速的實(shí)現(xiàn)溫度的提升至上千攝氏度（約1400 ℃）。電阻式加熱，熱量傳遞從外向內(nèi)；而微波式加熱，熱量傳遞從內(nèi)向外。二者結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)更加均勻的溫控和快速的燒結(jié)。

當(dāng)然，這方面的挑戰(zhàn)并不容小覷。微波加熱吸收功率并非線性變化，在超過一定溫度時(shí)，材料會極速加大吸收率。因而當(dāng)上百只零件放在一起加熱時(shí)，如果不能保證溫度的均勻性，那么可能先升溫的零件會被熔化掉，而周邊的零件還處于低溫狀態(tài)，帶來的是災(zāi)難性的后果。（靖哥曾用改造過的廚用微波爐，燒結(jié)陶瓷材料，一不小心就把陶瓷燒熔化了，熔點(diǎn)1100 ℃）。而歐洲做這方面研究的院所，所使用的功率、溫控閉合回路的設(shè)備，據(jù)悉價(jià)格也是在50萬美金級別。因而，在整體成本的考慮下，DM要做到消費(fèi)者級別的桌面金屬打印機(jī)，也許只是一個(gè)DreaM吧。但是，選擇從線到體的整體燒結(jié)思路，總的方向是對的。

?

總結(jié)

?

3D打印的前景是良好的，因?yàn)槿祟悅€(gè)體是不同的，喜好、需求也不同。工業(yè)化、規(guī)?；膽?yīng)用3D打印，還需要將成本進(jìn)一步的降低，速度進(jìn)一步的提升。遵循3D打印的定律，距離找到提升打印速度就更近了一步。

?

3D打印第一定律：在決定速度的環(huán)節(jié)，將打印方式從低維升到高維（點(diǎn)到線、線到面、面到體），就可以大幅度的提升打印速度。

?