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互丢Science论文只是开始——3D打印的大佬“斗法”

美国北卡罗来纳大学教堂山分校的教授、著名3D打印公司Carbon(创立之初曾名为Carbon3D)的CEO及创始人Joseph DeSimone与美国西北大学教授Chad Mirkin是相识几十年的好友,关系好到曾一起在北卡的海边度假 [1]。但现在,Mirkin正“竭尽所能”让DeSimone“失业”。这两位大佬“斗法”的故事,要从2015年的一篇Science 封面论文讲起。

Joseph DeSimone(左)和Chad Mirkin(右)两位大佬


3D打印技术始于20世纪80年代初,最流行的方法是将液态塑料树脂逐层固化。早期的3D打印速度很慢,制造一个咖啡杯大小的物体可能就需要多半天时间,另外层与层之间结构的机械强度比较脆弱,实用性受限。2015年,3D打印技术取得了重大进展,Joseph DeSimone课题组在Science 杂志上发表论文,报道了一种连续液体界面3D打印技术(continuous liquid interface production,CLIP),速度比当时其它任何3D打印机都要快25到100倍,短短的6分钟就能打印出了一个精致复杂的埃菲尔铁塔模型 [2]。不知道你是否还能记得当时那一期Science杂志经典的封面图呢?(X-MOL报道:《终结者2》经典场景震撼再现,Science 发表"真"3D打印技术


图片来源:Science


可以说,DeSimone是个十足的实干家,他并未像大多数研究者那样继续用这种新技术刷论文,也没有把技术转让给其他公司然后收钱离场,而是希望亲手将他发明的3D打印技术产业化。为此,他创立了Carbon公司并担任CEO,这家初创公司在论文发表的当年就入选了C&EN评选的“最应关注的10个化学初创公司” [3],很快得到了著名投资公司如谷歌风险投资基金、红杉资本等支持和融资。2016年,Carbon推出了他们第一款商业中型3D打印机M1,同时还有配套的多种紫外固化树脂,还拿到了福特、强生等众多大公司的订单。如今,Carbon公司估值24亿美元(约165亿元人民币),已成为全球最具价值的3D打印公司之一。

Joseph DeSimone在TED讲述3D打印。图片来源:TED [4]


DeSimone带领Carbon公司顺风顺水的发展,不想,今年10月却遭遇了来自好友的强力挑战Chad Mirkin课题组先是Science 上发表论文,报道了他们发明的一种3D打印机,可以在短短几个小时内打印出一个相当于一个成年人体型的物体,是迄今为止高速打印出的最大的物体。这一进展可能会彻底改变汽车和飞机部件的制造,顺带还会挤压Carbon公司的发展空间。

视频来源:Northwestern University


目前3D打印基于立体光刻技术(stereolithography,SLA),即通过使用紫外固化法将具有光活性的液态树脂层层固化,组成三维物体。Mirkin等研究者在文章里“隔空喊话”:DeSimone发明的连续液体界面3D打印技术,通过氧气“窗口”来控制固化过程,防止反应“死区(Dead Zone)”的出现。这一改进尽管将打印速度提高两个数量级,然而固化时聚合反应是高度放热的,反应体系温度有时甚至会超过180摄氏度,这对大多数光固化树脂来说都难以承受。因此,散热问题是该技术的巨大挑战,更是限制打印速度和打印物体尺寸的瓶颈。

图片来源:Science


因此,Mirkin等研究者提出一种无死区的快速打印方法HARP(high-area rapid printing),利用氟化油(全氟聚醚类化合物)代替上图中的氧气,并将液态树脂浮于氟化油流动床上,这样就可以通过冷却循环系统释放积累的热量。同时,液体流动能进一步降低粘附力,产生固液滑移边界。还可以采用循环过滤去除打印时产生的微粒固体,防止光散射导致的分辨率降低。此外,用氟化油代替氧气,可以兼容更多空气敏感的液体树脂,增加了“打印油墨”的选择和适用范围。

连续打印示意图及界面剖面图。图片来源:Science


Mirkin等研究者使用相同的硬质聚氨酯丙烯酸酯树脂,在垂直打印速率120 μm/s速度下,打印横截面5 cm × 5 cm的样品,来比较三种不同方案的打印温度:液体树脂静止(上)、液体树脂流动(中)、液体树脂流动且主动冷却(下)。在完全没有散热的情况下,快速垂直打印的温度将超过树脂的烟点(样品发烟时的温度,>120 °C),最终导致物体变形和打印失败。随着液体树脂流动且主动冷却,可以使表面温度稳定在100到120°C之间。

三种不同打印条件下的红外热像图。图片来源:Science


为进一步证明该方法的突破性优势,Mirkin等研究者在1小时45分钟内打印了一个38 cm × 61 cm × 76 cm的零件。在这个尺度上,温度高低可以直接影响树脂的收缩性,从而影响打印物品的品质。实验表明,这些半人甚至一人高度的大尺寸零件,可以快速打印完毕,且不会出现因温度导致的断裂现象。

大体积快速3D打印。图片来源:Science


随后,Mirkin等研究者利用HARP技术打印了三种不同的树脂:硬质聚氨酯丙烯酸酯、弹性丁二烯橡胶和碳化硅陶瓷,以生成具有不同性能的三种不同类型的材料。硬质聚氨酯树脂打印速度最快,可以120 μm/s的垂直速度进行打印。陶瓷的前体树脂在打印成型后,于1000 ℃的炉中进行后处理,可以去除有机组分,得到碳化硅结构。丁二烯橡胶树脂具有较低的反应活性和较高的粘度,因此适合较低的打印速度(30 μm/s)。尽管每种树脂的打印条件和后处理不尽相同,但所有树脂都可与HARP技术兼容,也可以看到HARP技术打印小型的复杂结构物体也没有任何问题。

打印三种不同树脂。图片来源:Science


在顶刊上发论文还不算完。包括Mirkin在内的论文的三位作者成立了一家名叫Azul 3D的公司 [5],美国西北大学也持有该公司的股权,打算利用HARP技术制造更加快速且支持大尺寸打印的3D打印机。Mirkin说:“快速且大尺寸的3D打印,这项技术可以改变人们对制造的理解。借助HARP技术,人们可以在没有模具、不需要零件仓库的情况下,根据需求去生产任何东西。”[6]

论文的三位作者,也是Azul 3D公司的核心。图片来源:Azul 3D [5]


当然,DeSimone的Carbon公司也没有闲着,他们目前正在力推最新一代的高速量产3D打印机L1,支持截面超过1000 cm2(40 cm × 25 cm)的大目标打印 [7]。并且,Carbon预计2019年会安装1000台3D打印机用于实际生产,并以租赁的方式来提供“设备+软件+云服务”。DeSimone说,“我喜欢看到这个领域的创新。”他表示自己并不担心竞争,并指出当涉及到为客户生产成品时,产品尺寸“只是个开始,Mirkin的技术要在市场上证明其价值还有很长的路要走。” [1] 已经带领Carbon公司在市场上摸爬滚打数年的DeSimone的确有资格这么说,他们的开拓显然已经取得了不俗的成绩,举个例子,目前他们与合作者已经在为美国职业橄榄球大联盟(NFL)的球员量“头”定制头盔,以提供更舒适更全面更可靠的保护。[8-9]

DeSimone拿着基于3D打印的头盔,背后是3D打印机L1。图片来源:CNBC [8]


Mirkin对自己的新技术也很有信心,他说:“3D打印的概念很强大,但目前还有很多限制。如果我们能够在不受材料和尺寸限制的情况下实现快速打印,将彻底改变制造方式。HARP未来会做到这一点。”[6]


PS:大佬斗法,互丢顶刊论文可能已经并不算太新鲜,但互相比着成立公司,这气氛一下就上来了……


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface

David A. Walker, James L. Hedrick, Chad A. Mirkin

Science, 2019, 366, 360-364, DOI: 10.1126/science.aax1562


参考文献:

1. Fast new 3D printing method creates objects as big as an adult human

https://www.sciencemag.org/news/2019/10/fast-new-3d-printing-method-creates-objects-big-adult-human

2. Continuous liquid interface production of 3D objects. Science, 2015, 347, 1349-1352, DOI: 10.1126/science.aaa2397

https://science.sciencemag.org/content/347/6228/1349

3. 10 Start-Ups To Watch

https://cen.acs.org/articles/93/i43/10-Start-Ups-Watch.html

4. What if 3D printing was 100x faster?

https://www.ted.com/talks/joe_desimone_what_if_3d_printing_was_25x_faster

5. https://www.azul3d.com/#tech

6. Highest-throughput 3D printer is future of manufacturing

https://news.northwestern.edu/stories/2019/10/biggest-fastest-3d-printer-is-future-of-manufacturing/

7. Carbon L1 printer

https://www.carbon3d.com/hardware/carbon-l1-printer/

8. NFL teams are testing this new custom 3D-printed helmet based off scans of players’ heads

https://www.cnbc.com/2019/01/31/nfl-testing-3d-printed-helmets-from-carbon-peyton-manning-excited.html

9.https://www.carbon3d.com/riddell


(本文由小希供稿)


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小玩童-博通发布于2019-11-22  2
阿迪达斯(天猫)2499元的鞋中底就是这个技术。牛逼!
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阿拉丁
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