以面成型：让液态树脂、高分子粉末和金属材料3D打印的速度和规模呈百倍增长
近年来，3D打印技术的发展形式越来越多样化，无论具体到哪种成型材料，都有很大的技术革新。在金属3D打印方面，多激光、少支撑或无支撑的PBF技术已经是现实，而以区域性的面熔化为代表的技术是如今最新的技术类型；在液态树脂工艺方面，Carbon连续液面制造技术的龙头地位可能面临一种称之为HARP的高速大面积打印技术挑战，后者在3D打印的尺寸、速度方面取得了更大的进展；而在高分子粉末烧结技术领域，无论是基于喷墨还是光纤激光的高速烧结工艺，都将面临来自基于投影曝光和阵列二极管激光烧结形式的挑战。
从材料到工艺，这些新技术的发展，无疑将3D打印的速度、尺寸和规模提升到了新的层面。本期，3D打印技术参考分别介绍当前基于面曝光/烧结以及熔融的工艺类型及其发展情况。
光敏树脂面曝光3D打印技术
基于投影的DLP 3D打印机最先实现了材料的面成型，从而大大提高了光敏树脂的3D打印速度。在此基础上发展而来的“连续液面制造”（CLIP）技术以及基于面阵曝光的LCD技术，则是光敏树脂面曝光的进一步发展，两者分别从速度和打印尺寸方面发展了该技术。
1. Clip连续液面制造技术
Clip技术由Carbon公司于2013年推出，与DLP打印过程中平台反复上升下降的过程不同，Carbon在打印工作台与光源之间设置了一层透明透气窗，投影仪光源在整形后获得平顶光束，由3D模型分层驱动自下而上透过透气窗投影到工作台下表面。在光源照射的同时透入氧气，同时工作台连续匀速向上抬升，氧阻聚效应使透气窗和固化区域之间形成一层几十微米厚的液态未固化层，使得固化区域与透气窗可以轻松无损伤分离，从而实现连续无间断的打印。这种方式的打印速度比传统DLP还要快10-100倍。
Clip连续曝光3D打印
目前，Carbon公司已经证实了该技术可以被用于制造业，同时已经改变了几个行业的制造方式。
2. LCD面阵曝光3D打印技术
LCD 3D打印工艺是一种基于面阵曝光的技术，相比SLA单点激光逐层打印而言，制造精度略逊一筹，但生产效率会高出10-20倍；就曝光技术来说，跟DLP非常类似，但其成型尺寸几乎没有任何限制。总之，该技术兼具高速、批量化和低成本，因此基于该技术的产品价格往往更加亲民。
LCD技术打印牙模
3. HARP“大面积快速打印”技术
2019年，一项名为“大面积快速打印”（HARP）的技术被开发成功。该技术使液体冷却剂在液态树脂下面循环。冷却剂是一种氟化油，实际上，它既可以在打印前加热打印床，也可以过滤去除散射紫外线提高打印的精细度，同时还能够在打印时吸走热量。这种技术的改进可以使高达两米的零件能够在短短几个小时内迅速打印完成，打印尺寸可以达到约1m×1m×4m。
“高面积快速打印”（HARP）的技术
为了使HARP技术商业化，研究人员已经成立了Azul 3D公司，并声称使用 HARP 系统的打印速度和打印规模都是罕见的，其中打印规模是行业领先者的20 倍，速度是 100 倍，吞吐量是2000 倍。
聚合物粉末床面烧结技术
1. EOS LaserProFusion 技术
2018年11月，EOS宣布推出LaserProFusion技术，它采用近百万个二极管激光器排成阵列激光，瞬间一次性烧结粉末材料，相比过去的单个CO2激光器，新技术的烧结速度快出10倍。EOS将其称为唯一能够取代注塑成型的“革命性的聚合物增材制造技术”，它将使工业3D打印在未来市场更具吸引力。
整个截面同时烧结
LaserProFusion总输出功率可达5千瓦，在进行单层扫描时，只激活与CAD数据相匹配的二极管，整个截面同步烧结，这比依赖单个激光光斑沿整个构建区域移动的方式自然要快很多。该技术是基于2017年EOS推出的P500平台进行改造的，新工艺使P500的工作能力提高了两倍以上。EOS介绍，LaserProFusion技术使聚合物连续制造提高到了新的生产力水平，在5000-10000件的制造量级中相比注塑成型更具成本效益，足以与传统注塑技术同台竞争。
从实质上讲，LaserProFusion仍是基于激光的烧结技术，区别在于多点同时烧结。然而，自该技术公布至今将近三年，一直未有研究进展公布。
2. 聚合物粉末床直接图像红外面烧结技术
2020年11月，有20多年投影仪制造经验的挪威公司Visitech宣布推出一款近红外 (NIR)产品，并将其用于高分子粉末床烧结。通过将近红外射线投射到聚合物粉末床上，可一次实现整层烧结。在这种情况下，DLP技术将不再单单指代光敏树脂面曝光，而是将其拓展到了高分子粉末成型。
聚合物粉末床面烧结原理
通过增加投影仪的数量，可以实现打印尺寸和规模的扩展
这种基于近红外光的面烧结3D打印技术被称之为直接图像红外烧结（DIS）。与传统的基于激光器以及EOS最新的LaserProFusion技术相比，DIS是一种完全不同的烧结技术，同时也区别于基于粘结剂喷射的高速烧结技术。
单激光、多激光、多点烧结及粘结剂喷射高速烧结过程对比
DIS能够像DLP技术一样，实现更高的打印速度，一次曝光能够实现一整层烧结。Visitech还开发了一种可扩展平台可实现多台曝光机构的集成，因此能够扩大打印尺寸，提升生产效率。根据7月最新的消息，Visitech公司基于面烧结技术已经成功实现尼龙粉末3D打印，并有望在尼龙粉末烧结领域开辟出一种高产量和低成本的新方法。
金属粉末基于多点同时熔化的区域打印技术
2013年，LLNL开展了一项战略计划，使用高功率激光二极管阵列、脉冲激光器以及专用激光调制器，实现金属粉末区域瞬间熔化成型，而不是像传统的基于激光的粉末床熔融技术那样依靠一个或几个激光那样逐点扫描。这项研究自2017年获得报道之后再未有进展公布。直到本月，一家被称为Seurat Technologies公司基于该技术实现了4100万美元的融资。
面区域打印技术原理
新的金属3D打印技术的领先之处在于其采用了光寻址光阀（OALV）技术——使用一种特殊的激光调制器精确调整辐射分布的激光能量。该技术并没有增加激光的数量，而是通过控制光束增加同时熔化的面积。Seurat能够将200 万个激光点区域性的输送到15mm的正方形区域，并精准控制每个点的功率和持续时间，实现该区域瞬间熔化成型。
面区域打印的金属样品
通过光束调整后，每个光点的直径只有10微米，远小于传统激光光斑直径的100微米，但多点同时熔化却极大提高了整体成型效率，同时具有更高的分辨率。通过采用混合激光光源以及选取适当地光学放大倍率，打印速度可提高200倍。Seurat还指出，该技术在进粉末熔化时并不会产生任何的飞溅和烟尘，残余应力更低，因此在精度和表面质量方面更加优异。
除金属粉末面熔化技术之外，近期还有一种基于立体光刻的金属3D打印技术诞生。其理由光聚合原理生产高精度零件生坯，原料为金属粉末和光敏聚合物的混合体。通过掩模曝光，可以精确快速地成型整个层面，聚合物粘结剂选择性的在局部交联，将金属粉末粘结在一起，打印完的生坯经历脱脂和烧结后可以形成致密化的零件。该技术相比粘结剂喷射金属3D打印技术具有更高的效率。
END
3D打印技术最新形式的发展壮大基本上都在美国发生，无支撑金属3D打印技术的代表Velo3D、区域面熔化的Seurat Technologies以及喷墨技术的独角兽企业Desktop Metal，莫不是在正式推出产品之前就成功进行多轮融资。实际上，连贾跃亭这样的在中国排的上号的老赖都可以在美国成功融资，被各国政府看重的3D打印技术自然不难。这种新技术的开发方式让多家公司迅速发展起来。
工信部装备工业发展中心李方正博士曾指出，我们一直在努力追赶国外的技术，但当我们接近追赶上或已经追赶上时，发现对方的玩法变了，这不得不让我们有更多的思考。另一方面，3D打印技术发展的速度之快，着实让人侧目。
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