新型3D打印机遇光从液态变固态 被发明者比作《星际迷航》的“复制器”

2019-02-11 09:14:26 文/前瞻网 作者/Winnie Lee

全球3D打印材料市场规模近5年来一直维持20%以上的增速,处于稳定快速的发展期,随着3D打印技术应用领域的不断拓展和越来越多的3D材料面世,全球3D打印材料市场将会继续保持稳定增长的趋势。

一种新的3D打印机利用光线能在几分钟内将粘稠的液体变成复杂的固体。

这种3D打印机被发明者戏称为“复制器”(replicator),以《星际迷航》(Star Trek)中可以按需生产任何物体的设备命名。与传统3D打印机相比,这种3D打印机可以生产出更流畅、更灵活、更复杂的物体。

它还可以用新材料来包装一个已经存在的物体——例如,在金属螺丝刀轴上增加一个把手——这是目前的打印机难以做到的。

研究人员说,这项技术有可能改变从假肢到眼镜镜片等各种产品的设计和制造方式。

“我认为这是一个更能够大规模定制产品的途径,无论需要生产的是假肢还是跑鞋,”加州大学伯克利分校机械工程助理教授泰勒·海登(Hayden Taylor)说,他同时还是这篇描述3D打印机的论文的资深作者,这篇论文1月31日在线发表在《科学》杂志上。

泰勒说:“事实上,你可以从其他制造过程中获得金属部件或其他东西,并添加可定制的几何形状,我认为这可能会改变产品的设计方式。”

大多数3D打印机,包括其他基于光的技术,都是一层一层地构建3D对象。这导致了沿边缘的“阶梯”效应。

由于可弯曲材料在打印过程中会发生变形,而且打印某些形状的物体(如拱门)需要支架,因此制造柔性物体也有困难。

这种新型打印机依赖于一种粘性液体,当接触到一定的光阈值时,这种液体会发生反应,形成固体。

将精心制作的光线图案——本质上是“电影”——投射到一个旋转的液体圆柱体上,“一下子”就能固化想要的形状。

“基本上,比如说这里有一个现成的视频投影仪,我从家里带来的,然后你把它插到笔记本电脑上,用它来投影一系列的计算图像,同时使用一个马达转动一个圆柱体,里面有3D打印树脂。”泰勒说。

“很明显,这其中有很多微妙之处——你如何制作树脂,最重要的是,你如何计算将要投影的图像,但要创建这个工具的一个非常简单的版本,困难并不大。”

泰勒和他的团队使用打印机创造了一系列的物品,从罗丹的“思想者”雕像的小模型到定制的颌骨模型。

目前,他们可以制作直径达4英寸的物体。

“这是我们第一次不需要一层一层地构建定制3D部件,”布雷特·凯利(Brett Kelly)说。他是这篇论文的第一作者之一,他在加州大学伯克利分校(UC Berkeley)和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)当学生时完成了这项工作。

“它让3D打印真正实现了三维化。”

这种新型打印机的灵感来自于计算机断层扫描(CT),它可以帮助医生定位体内的肿瘤和骨折。

CT扫描从不同的角度将X射线或其他类型的电磁辐射投射到人体内。分析传输能量的模式可以揭示物体的几何形状。

泰勒说:“实际上,我们从相反的角度利用了这一原理。我们试图创建一个物体,而不是测量一个物体,但实际上,许多使我们能够做到这一点的基本理论,可以从计算机断层扫描的原理中转化出来。”

除了让光线遵循固定模式,这还需要复杂的计算才能得到产品确切的形状和强度,研究人员面临的另一主要挑战是如何选择材料,这种材料需要在只有一点点光线时保持液态,而在暴露在大量光线下时变成固态。

泰勒说:“这种液体当然会对光线有反应,所以从液体到固体的转变需要有一个曝光阈值。”

该3D打印树脂由液体聚合物与光敏分子和溶解氧混合而成。光激活光敏化合物,消耗氧气。

只有在氧气耗尽的3D区域,聚合物才会形成“交联”,将树脂从液体转化为固体。

未使用的树脂可以在氧气环境中加热回收,泰勒说。

“我们的技术几乎不会产生任何材料浪费,而且未固化的材料是100%可重复利用的,”加州大学伯克利分校泰勒实验室的研究生、该研究的第一作者之一侯赛因·海达里(Hossein Heidari)说。

“这是免费3D打印的另一个优势。”

对象也不必是透明的。研究人员使用一种染料打印出看起来不透明的物体,这种染料能以固化波长传输光,但吸收大部分其他波长。

利弗莫尔实验室(Livermore lab)的工程师马克西姆·舒斯特夫(Maxim Shusteff)说:“这对我来说尤其满意,因为它创造了一个新的立体或‘一次性’3D打印框架,我们近年来已经开始建立这个框架。”

“我们希望这将为许多其他研究人员探索这一令人兴奋的技术领域开辟道路。”

加州大学伯克利分校的Indrasen Bhattacharya是这项研究的第一作者之一。其他作者包括劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Christopher M. Spadaccini。

这项工作得到了加州大学伯克利分校教员创业基金和劳伦斯利弗莫尔国家实验室实验室指导的研究和发展基金的支持。这个小组已经就这项技术申请了专利。

根据前瞻产业研究院分析,3D打印材料作为3D打印的重要物质基础,3D打印材料的发展直接制约着3D打印技术的发展。随着3D打印产业规模越来越大,3D打印材料在整个行业中的地位也愈加重要。2017年,全球3D打印材料市场约占全部3D打印市场的36.63%,预计到2018年,全球3D打印材料市场规模将会进一步扩张,且增速略大于全球3D打印市场,所占比重进一步提高,超过38%。

据前瞻产业研究院发布的《中国3D打印材料行业发展前景预测与投资策略规划报告》统计数据显示,截止至2017年全球3D打印材料市场规模增长至26.89亿美元,较上年增长31.11%。预计2018年全球3D打印材料市场规模将会突破30亿美元达到了32.27亿美元。全球3D打印材料市场规模近5年来一直维持20%以上的增速,处于稳定快速的发展期,随着3D打印技术应用领域的不断拓展和越来越多的3D材料面世,全球3D打印材料市场将会继续保持稳定增长的趋势。

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