供稿人：王子涵 戚書豪 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2023-03-10
固化打印機可以分成三代，從剛開始的立體光刻，到后來的數(shù)字光處理，再到近幾年的連續(xù)液體界面3d打印技術。連續(xù)液體界面（CLIP）這一技術相較于之前的立體光刻技術，打印機的打印速度有了明顯的提高。這項技術的原理是將樹脂盒的底板換成透氧板，在打印過程中，氧氣進入到樹脂下面，與氧氣接觸的樹脂會抑制光固化，使底板上始終存在液態(tài)樹脂，研究人員將這一區(qū)域稱為死區(qū)。如圖1，打印機工作時，通過投影連續(xù)序列的紫外圖像，該圖像由數(shù)字光處理成像單元生成，圖像通過液體樹脂下面的透氧透明窗，窗口上方會形成死區(qū)，在死區(qū)上方固化的部分被不斷抽出，保證了零件運動的連續(xù)性。
對比立體光刻打印機來說，CLIP打印機的打印速度受樹脂固化速度和粘度的限制，而不受逐層打印的限制。CLIP打印是連續(xù)的，不改變打印速度，提高投影圖像的刷新率，會使打印件的表面光滑，減少切片痕跡。此外，研究人員還對死區(qū)的建立進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，當窗口下方使用純氧時，死區(qū)厚度約為使用空氣時的兩倍，再者，死區(qū)會隨著入射光子增加而變薄。然而，CLIP技術也有著很大的缺點，當樹脂通過死區(qū)時會受到嚴重的質(zhì)量傳輸限制，會產(chǎn)生粘附力，需要時間來進行平衡，這就使打印速度受到很大的限制。
為了解決這一問題，斯坦福大學的研究團隊對CLIP技術進行了改進，該方法通過將樹脂通過cad軟件設計的微流體導管注入零件或 “高架橋” 進入到連續(xù)的液體界面中，以提供零件生產(chǎn)。類似于CLIP，該方法使用高透氧窗來創(chuàng)建死區(qū)，研究人員設計了高壓流體注射系統(tǒng)，會將樹脂送到指定位置，我們稱之為3D打印注射連續(xù)液體界面法，簡稱iCLIP。
圖1 CLIP與iCLIP打印機原理圖
研究人員通過對比發(fā)現(xiàn)，“高架橋”可以減輕樹脂在傳輸過程中所受到的力，對于大面積的部件幾乎降低了兩個數(shù)量級，并且消除了CLIP打印中的常見缺陷。iCLIP打印技術打印速度快，而且打印件的機械性能與CLIP打印機打印出來的零件差別不大。
CLIP打印技術在材料方面受到了很大的限制，填充樹脂具有優(yōu)異的機械性能，但是樹脂粘性太大，會使樹脂不能被動流過死區(qū)，為了量化這種限制，研究人員選用了粘度范圍為100cP到7000cP樹脂，用CLIP的方法進行打印，研究發(fā)現(xiàn)，粘性越大的樹脂，臨界空化壓力越小。一些商用打印機通過減慢打印速度以留出樹脂回流的時間，讓樹脂通過預熱桶以降低粘度，但這都無法從根本上解決質(zhì)量傳輸限制。而iCLIP技術通過機械的注入粘性樹脂來抵消死區(qū)壓力。單個“高架橋”對于粘度極高的樹脂來說是不夠的，為了保持在臨界空化壓力以上，可將管道設計到零件中，通過四個分叉的“高架橋“分配樹脂可以改變氣蝕。雖然與CLIP技術相比，提高了可打印樹脂粘度的上限，但仍然會受到驅(qū)動粘性流通過狹窄通道力的限制。
目前同時用多種材料進行打印的方法都很繁瑣，限制了打印速度，iCLIP技術通過機械注入不同的樹脂，可以創(chuàng)造出多材料的復合結構，研究人員采用CFD仿真和微流體支持的多材料控制方法。為了證明模擬驅(qū)動對于復雜設計的可行性，研究者為復雜的建筑模型設計了注射輪廓，優(yōu)化了“高架橋”和樹脂流速。雖然在實現(xiàn)多材料3D打印方面不是唯一的，但與現(xiàn)有的基于液滴和擠出的多材料打印平臺相比，多材料iCLIP利用連續(xù)的液體界面來實現(xiàn)高體積通量，iCLIP最大限度地減少了額 外的硬件附件，通過以時空控制的方式管理可調(diào)流量分布。
圖2 多材料打印的模型
iCLIP，這是一種新穎的3D打印方法，在連續(xù)液體界面打印過程中使用主動控制質(zhì)量傳輸，以協(xié)同提高打印速度，實現(xiàn)高粘度樹脂的打印，并允許在不同的規(guī)模和可調(diào)的機械性能下同時快速打印多種不同的樹脂。正在進行的優(yōu)化現(xiàn)有iCLIP工藝的工作重點是對死區(qū)中的流動邊界進行詳細建模，以更精細地調(diào)整多材料梯度，優(yōu)化流速以最大程度地減少Stefan粘附力和空化，并自動生成“高架橋”幾何形狀和注射輪廓以加速多材料iCLIP打印。iCLIP技術的未來工作將集中于測試更廣泛的具有優(yōu)異機械和電氣性能的粘性填充樹脂，以用于智能和傳感器嵌入式產(chǎn)品設計，以及開發(fā)用于分析4D打印和軟機器人等領域應用的多材料iCLIP結構的機械性能的預測模型。