光固化3D打印技術的案例
Fraunhofer 無需支撐結構的光固化3D打印技術TwoCure 新進展
德國Fraunhofer 研究所（Fraunhofer ILT）與合作伙伴Rapid Shape 公司正在研發一種新的光固化3D打印技術-TwoCure，該技術的特點是不需要為樹脂3D打印零件添加支撐結構。免去添加支撐結構不僅能夠節省用戶的CAD模型準備時間，還將使光固化3D打印零件的后處理步驟進一步簡化。
目前，TwoCure3D打印技術的研發有了新的進展，除了對該3D打印工藝本身進行完善之外，研究團隊還對基于TwoCure工藝的3D打印設備進行自動化集成。本期，3D科學谷就與谷友共同了解一下Fraunhofer 研究團隊在這方面取得的進展。
將集成自動化后處理工藝
TwoCure 通過光與冷相互作用形成零件，該工藝與已廣泛使用的SLA 3D打印技術類似，也是通過光刻曝光使光敏樹脂材料逐層固化。3D科學谷了解到，TwoCure 與SLA 3D打印技術的不同之處是零件不需要添加支撐結構。
TwoCure 3D打印原型機，圖片來源：Fraunhofer ILT
TwoCure 3D打印過程中，在溫暖的光的照射下，打印零件被固化。 同時，冷卻的空間使逐層創建的熱固性組分與樹脂一起凍結成塊狀，就像蠟一樣。這些蠟狀的包裹材料，將在打印件取出之后，在室溫下進行熔化。零件在經過簡單的清潔與后期固化后即可使用。
包裹著蠟狀材料的3D打印樣件，圖片來源：Fraunhofer ILT
目前，TwoCure3D打印設備的原型機已經推出，Fraunhofer 研究團隊正在研發基于TwoCure 3D打印設備的自動化工藝。在集成了自動化技術之后，通過TwoCure 技術3D打印的零件將被自動移出打印設備，并放置到熔化架上，將外包裹的蠟狀材料熔化掉。
展開 投影式光固化生物3D打印應用：血管與血管化
投影式光固化生物3D打印技術通過光化學反應實現打印材料的逐層光固化，從而構建出三維結構。
光固化3D打印技術之積分光源
南極熊發現，全球消費級3D打印機龍頭廠商創想三維，開始使用漫畫的形式，來向大眾科普3D打印了。真舍得下血本啊。下面是“光固化3D打印技術之積分光源”：
國產光固化3D打印又有突破： 黑創8K投影光機
南極熊導讀：光固化3D打印核心元器件迎來重要突破， HITRY黑創推出8K投影光機。
3D打印作為智能制造的重要組成技術，是世界各國競相追逐的目標.
光固化3D打印技術經過近四十年的發展，逐漸發展出了以SLA激光器、DLP投影光機、LCD液晶屏為核心的光固化3D打印技術。這三種打印技術各有優缺點，比如：
SLA激光器優點是成型尺寸大，功率強，壽命長。缺點是價格非常昂貴，并且3D打印速度慢、細節度展現度不夠，核心部件受國外制約。
DLP光機精度高、速度快、壽命長，二次開發能力強（因其是投影原理，所以很多新技術都是基于DLP光機開發出來）。但是成型尺寸有限，DLP光機核心DMD芯片受國外壟斷, 光機價格昂貴，很難廣泛普及使用。
LCD液晶屏優點是分辨率高、價格便宜。缺點是打印速度慢，使用壽命短，并且由于LCD液晶屏是顯示技術，二次開發困難。
雖然這些技術已經發展多年，這些核心部件仍然滿足不了日益增長的光固化3D打印市場快速發展的需求。由于DLP光機過于昂貴且成型尺寸受限的問題，限制了CLIP等顛覆性技術的快速普及推廣，無法大量使用。
據南極熊了解，擁有8年3D打印光固化設備研發經驗的深圳市黑創科技有限公司HITRY，經過四年的不懈努力，終于研制出了3D打印行業專用投影光機：數字面投影Digital Surface Projection，簡稱DSP光機，該DSP光機同時兼備SLA、DLP、LCD的三項技術的優點，它可以實現高精度、大幅面、低成本投影的光機技術。
黑創相關負責人告訴南極熊，“DSP光機是一款由我們完全自主研發，自主生產，配件國產化，掌握核心技術，不再受到國外壟斷制約”。
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突破性3D打印光固化空間控制技術，多波長實現多材料混合制造
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ature Communications期刊上又發布了一篇意義重大的3D打印技術《Multimaterial actinic spatial control 3D and 4D printing》：
多波長光源，同時3D打印多種光敏樹脂材料。
如今，光固化3D打印技術已經被廣泛采用在齒科、首飾、手辦、汽車、消費電子、衣服、鞋子等領域。然而如上圖一樣的常規光固化3D打印機，一次仍然只能打印一種材料。如果憑借光固化3D打印技術的高精度，加上多材料的話，就能實現多性能的打印效果，將大大拓寬應用范圍。
△FDM技術類型的3D打印機可以通過增加噴頭數量/增加進料通道等辦法來實現多色或者多種材料同時打印。
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金屬3D打印機通過材料混構3D打印（MMSLM）技術，也可以實現不同粉末的混構打印，適用于加工對不同部位有不同要求的金屬器件（能夠提高器件性能，并增加使用壽命）。圖片來源：德迪智能
而在光固化領域，多材料或者說混合材料的3D打印，一直沒有突破。2019年3月15日，一篇發表在《Nature Communications》上的論文，給出了新穎的解決辦法。
威斯康星大學麥迪遜分校的科學家開發出一種新型3D打印機，它擁有可見光和紫外光兩種模式，可以同時打印多種光敏樹脂材料。
技術原理
①該方法利用多材料光固化空間控制（MASC）技術，在增材制造過程中根據不同的材料化學成分選擇不同的光源波長。多組分光敏素包括具有相應的自由基和陽離子引發劑的丙烯酸酯和環氧化物基單體。
②在長波長（可見光）照射下，觀察到丙烯酸酯組分的優先固化。在短波長（UV）照射下，摻入丙烯酸酯和環氧化物組分的組合優先固化。
展開 大幅面快速光固化3D打印機，Azul 3D開始商業化
照片來自Azul 3D。
在新冠疫情期間，LAKE打印機能夠在60小時為醫護人員打印了5000個面罩，相當于每臺打印機每6分鐘就生產大約8個面罩。最近，Azul 3D還與體育產品公司Wilson Sporting Goods合作。兩家公司通力合作，于2021年9月10日發布了兩款新的3D打印匹克球拍。這些球拍被設計為完全可定制，集成更多高級功能，例如死點去除、增加沖擊力和靜音擊球。
HARP技術
大面積快速打印High-area rapid printing（HARP）技術最初由美國西北大學開發，在2019年底發表在《Science》雜志上。與Carbon發展路線一樣，Azul 3D在頂級期刊發表技術論文之后不斷融資，走商業化路線，一路發展至今。
△美國西北大學《Science》雜志文章
通常情況下，立體光固化成型 (SLA) 技術使用的光固化液體樹脂使用激光、投影儀或LED屏幕的紫外線固化。與熔融沉積成型(FDM) 相比，SLA打印機可以打印更精細的細節，并且成品沒有FDM產品那種特征沉積線。但是，SLA有一些缺點。當前光固化3D打印技術速度提升的主要限制因素是熱量。光反應聚合是一個高度放熱的過程，打印機在高速運行時會產生大量熱量，這不僅會導致危險的高溫表面溫度，還會導致打印零件的破裂和變形。速度越快，打印機產生的熱量就越大。又大又快的機器，發熱量會非常高。
△HARP技術
還有，家庭打印機通過使用氟化乙烯丙烯 (FEP) 薄膜來防止硬化的光固化液態樹脂粘附在LED屏幕上。然而，打印品的每一層都需要從FEP機械移除，這會產生吸力，反過來又會導致模型與打印床分離。降低打印床的提升速度會降低吸力效果，但會顯著增加打印時間。
展開 支持8K屏、光均勻度超96%，創必得發布智能光固化3D打印新品ChiTu E10&M20
創新的光強采集模塊+均光算法
△大幅提升的均光效果
由于光固化3D打印技術的特性，透過屏幕（光機亦是）的光均勻度一直是行業痛點，光不均勻直接導致打印失敗，或者打印件的一致性無法保證，直接影響光固化打印機的效能和普及。
同時打印屏由于光源發熱，紫外線照射，樹脂放熱等因素，屏幕損耗一直存在，如打印屏長期照射在強紫外光下會逐漸出現透光率下降、壞點等問題，容易造成屏幕各區域曝光一致性下降，最終影響到模型的打印精度和質量。
以往DLP/LCD光固化打印機的光均校正流程，普遍采用網格區域采點方式，使用慢，對采集設備有較高要求，同時網格區域宏觀層面的均勻度，和微觀相鄰像素區域的光均勻度，是完全兩種概念，并不能保證模型細節可以很好打印出來。
為了解決以上各種物理因素帶來的問題，創必得技術團隊進行了深入的研究和設計，通過專有光強采集設備與自研均光算法，對投影區域或屏幕各區域光強進行像素級采集、計算和噪點處理，讓總體均光效果達到96%以上，此方式大幅提升了打印機的出廠校正效率。
內置獨創的模型表面優化算法
△模型表面光滑無層紋
光固化打印模型的表面效果，一直是行業持續追求的要點，創必得科技在CHITUBOX軟件端也做了大量創新和算法研發，汲取了海量的用戶反饋，優化算法趨于愈加強大。隨著越來越多本地化應用場景的出現，對打印機本身也提出了更高要求，全新Smart系列控制系統對軟件算法和硬件性能進行了重度融合，讓打印機本身具有強大的模型優化效果，緊密貼合了很多新的打印場景需求。
展開 光固化3D打印云平臺！縱維立方將推智能化方案
2021年4月，南極熊獲悉，知名3D打印品牌縱維立方（ANYCUBIC）計劃推出光固化云平臺智能解決方案，掀起智能化浪潮。自2014年以來，消費級3D打印市場突飛猛進，距今已有多年的高速發展，競爭也開始呈現白熱化，用戶追求的不僅僅是速度快、精度高、價格低，更是對“智能化”有了更高的需求。此時縱維光固化云平臺應運而生，給行業需求提供了全新的解決方案。
這家2020年銷售額高達8億人民幣的深圳3D打印高新技術企業，從第一代Anycubic Photon系列推出以來，一直致力于研發高性能的光固化3D打印技術。本次即將推出的產品升級方案，更是在智能化上做足了文章。據了解，通過構建完善的智能云平臺系統，用戶可以通過手機端/PC端將任意的數碼模型文件上傳云平臺，甚至可以遠程操控多臺打印機同時進行打印工作和實時視頻監控，這對于某些對3D打印生產有更高要求的應用領域來說，可以極大的提升集群生產力。
僅僅通過簡單的上傳和下載，似乎還不夠智能。相關人員就此透露，云平臺另外有一項重要的功能，那就是所謂的“云切片”。現在市面上存在著眾多優質的3D打印切片軟件，例如chitu以及縱維自有的Photon Workshop，用戶在完成建模之后，需要將文件導入此類軟件切片，對打印機的各項參數進行調整，對很多3D打印人來說，這是一個頗為繁瑣的過程。縱維立方從用戶角度出發，貫徹“為智造自由”的品牌理念，通過云平臺“云切片”的方式將這一過程大大簡化，批量處理模型文件不再是困擾用戶的難題。
除此之外，這套智能解決方案集成了遠程打印控制、遠程文件傳輸，甚至可以遠程視頻監控等功能。南極熊將持續關注該企業新技術和方案的進一步消息，或許這次智能化浪潮能夠給行業帶來更多的驚喜，助力中國未來工業化體系的建設。
展開 深入剖析3D Systems光固化（SLA）3D打印技術
深入剖析3D Systems光固化（SLA）3D打印技術
光固化(SLA)，不能算是新鮮事。有些物質加熱之后會硬化，有些物質遇冷會硬化，以此類推，有些物質見了光會發生硬化，這個現象稱作“光固化(SLA)”。
光固化物質制成的材料，稱作“光敏樹脂”（Photopolymer），它是由聚合物單體與預聚體組成，一般為液態，加有光引發劑（光敏劑），經過一定波長的UV光（例如，250-300 nM波長）照射后,，引起聚合反應，完成固化（如圖一）。
圖片來源：wiki
光敏樹脂，可用在半導體產業，例如當作光阻劑，也可用在印刷業，例如印刷門牌及標志。與各位最貼身的應用，或許是當牙醫為你補牙的時候，先用光敏樹脂當成填充物，然后用UV光照射充填物將其硬化，完成補牙的動作。
近幾年，“3D打印”不定期的占據新聞版面，有人打印了車子（美國），有人打印房子（中國大陸），NASA還想要把3D打印機送上太空，好應付航天員的不時之需。這些深植人心的3D打印應用，大多屬于FDM技術（Fused Deposition Modeling）。可以把它想象成類似在蛋糕上用奶油擠出花紋的手法，只不過精密度高些。“FDM”屬于3D打印里始祖級的商業化技術之一。
其實，另一個更早的始祖級商業化的技術，就是利用前面所述“光固化”的原理，因為沒有那么平易近人，加上材料是液體，溼答答的，總是比較不容易處理。所以，除了因工作需要而使用過的人，一般人其實不清楚它的存在。
將“光固化”原理，運用到3D打印，并且將它商品化的代表人物，是圖二里的
Chuck Hull先生。他在1980年代，成立了總部位于美國南卡羅來納州的3D Systems公司（圖三） 。3D Systems公司至今是3D打印界的龍頭之一，當初該公司制定的“stl”格式，仍然是現今3D打印界廣泛使用的模型檔格式。
展開 福建農林大學邱仁輝教授團隊在光固化3D打印軟材料領域取得新進展
近年來，隨著3D打印技術的發展，如何快速高效地制備高精度、定制化水凝膠備受關注。然而，目前大多數水凝膠的3D打印只能通過擠出式打印技術制備，這使水凝膠的打印效率和精度受到限制。
福建農林大學邱仁輝教授團隊提出利用光固化3D打印技術快速打印高精度水凝膠的策略。水凝膠無法通過光固化3D打印的主要原因在于：水的存在增加聚合物鏈之間的分子距離，降低單體聚合速度，導致打印過程中無法實現快速的固液分離。盡管在打印油墨中添加化學交聯劑可以有效促進三維交聯網絡的形成，但化學交聯會降低水凝膠的韌性和自修復能力。因此，設計了一種基于非共價相互作用的雙網絡水凝膠，通過形成物理交聯實現快速的固液分離。
將聚(丙烯酸(AA)-N-乙烯基-2-吡咯烷酮(NVP))和羧甲基纖維素(CMC)通過氫鍵和金屬配位鍵等非共價作用力實現物理交聯，進而達到快速固液分離的目標。打印的聚(AA-NVP/CMC)水凝膠具有較高的拉伸韌性（3.38 MJ/m3）和優異的自愈能力（應力：81%，應變：91%）。利用光固化3D打印的特點，高效打印了系列高精度可穿戴柔性傳感器。
展開 光固化3D打印中后固化的影響和應用
3D打印是一種增材制造技術，和傳統的減材制造完全不同。我們談到3D打印，就不能不提到光固化3D打印技術。
SLA技術是采用一束紫外線的激光來照射放在物料池中的光敏樹脂，將其逐步從液體轉變為固體從而累積得到最終成品。由于這個固化的過程需要同時兼顧材料本身的性能，以及分批固化層之間的結合力，因此這種固化通常并不十分徹底和完全。所以，對于SLA的打印技術通常都需要有一個后固化來使材料得到徹底固化，并提高材料的物理機械性能。這種后固化技術，通常包括紫外照射、微波輻射和加熱。
圖1SLA技術設備的示意圖
所使用的紫外線激光，其能量呈現高斯分布，因此其所得到的固化產品微觀上也就呈現了子彈頭的形狀，具有一定的穿透度(Cd)和厚度(Lw)(如圖2所示)。對于Cd和Lw的確定，會影響到固化時激光掃描的幅度，以及料池升降的高度，同時也會對后續的材料性能有很大的影響。
圖2紫外激光的能量高斯分布情況(a)，和所形成的子彈頭形狀固化材料(b)
由于每次掃描固化所得到材料的拋物線形狀，多次掃描之后所得到的固化材料就存在微觀上的差別，有的部分可能存在固化不完全的情況，而有的部分則存在過度固化的情況。未固化的部分由于后續會存在收縮的情況，而且不同固化程度的部分收縮率還不同，因此這會對后續的加工處理會造成很大的負面影響。
圖3SLA工藝中其中三層的不同固化程度情況的微觀結構示意圖
另外一種晚于SLA技術的3D打印技術，DLP是對SLA技術的一種改進。
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一張圖和四類案例了解陶瓷3D打印技術的醫療應用
但是陶瓷材料因其硬而脆的特性造成加工成型困難，而3D打印這種新型陶瓷加工技術可在一定程度上解決這個問題。
目前，相較金屬和聚合物材料而言陶瓷材料在3D打印中的應用略顯不成熟，陶瓷漿料的粒徑、pH值、顆粒分布、粘度和添加劑都直接影響打印效果，加大了陶瓷漿料制備的困難度，陶瓷3D打印技術發展與材料制備技術的發展密切相關。但由于陶瓷3D打印技術可直接打印具有復雜結構的陶瓷零件，因此陶瓷3D打印技術仍具有無可替代的優勢及應用價值。
本期，3D科學谷將通過一張圖及四類應用案例與谷友共同了解一下陶瓷3D打印技術在醫療中的應用情況。
陶瓷3D打印及醫療中應用的陶瓷材料
光固化3D打印是市場上最常見的陶瓷3D打印技術，原理是通過光固化3D打印設備對混合著陶瓷顆粒和光敏樹脂的漿料進行固化成形，打印完成后再將陶瓷打印件進行脫脂、熱處理，得到具有最終性能和尺寸的致密陶瓷件。
在應用中，雖然同樣是使用光固化3D打印技術，但制造出的陶瓷件性能卻可能截然不同，這與陶瓷漿料配方密切相關。大多數陶瓷 3D 打印機限于”氧化物陶瓷材料”低熔點陶瓷打印，但也有一些陶瓷漿料配方是高溫陶瓷，美國HRL實驗室就發明了可兼容與光固化3D打印的預制陶瓷漿料配方，這種材料在3D打印后經過過火可以生成致密的陶瓷部件。它使能夠產生任意多邊形陶瓷部件，強大且無溫度彈性，陶瓷表面無任何加工，不需鑄造或嵌塞，HRL 的陶瓷材料使陶瓷光固化3D打印技術能夠用于開發耐高溫的航空航天零部件。
展開 縱維立方攜手德州儀器(TI)首推消費級DLP光固化3D打印機！
縱維立方將在TCT亞洲展首日（26日）發布一系列的新品3D打印機，該消息一出便引發了網友們的大量關注和猜想，其中重磅新品——DLP光固化3D打印機的熱度指數更是不斷攀升。縱維立方這款全新的DLP光固化3D打印機到底有多驚艷？那還得從它所使用的技術來源開始說起！
關于 ? 光固化3D打印技術
光固化成型是最早的3D打印成型技術，歷經了SLA激光掃描、DLP數字投影以及新的LCD光源這三個發展階段，如今的3D打印技術已日漸成熟。從SLA到LCD打印技術，每一個光固化技術的核心都是圍繞光源問題的解決方案，而目前在市面上常見的也正是SLA光固化3D打印機、DLP光固化3D打印機和LCD光固化3D打印機這三款光固化3D打印機。
展開 福建農林大學邱仁輝教授團隊揭示氫鍵在3D光固化打印熱塑性材料的作用機制
光固化3D打印技術，是一種可以對產品形狀進行高度定制的新型高速打印技術。常規的光固化3D打印油墨是熱固性樹脂，因為一般只有熱固性樹脂的三維網絡結構才可阻止在打印過程出現的聚合物溶解和擴散現象，這也意味著熱塑性樹脂在光固化3D打印過程中，由于存在熱塑性聚合物的溶解和擴散過程而難以進行。
福建農林大學邱仁輝教授團隊通過設計熱塑性樹脂分子間的氫鍵作用，提出一種廣泛適用的光固化3D打印熱塑性聚合物策略，一方面通過油墨中的氫鍵“誘導”分子聚集，加快單體聚合速率；另一方面通過聚合物中的氫鍵作用降低其在未聚合母體油墨中的溶解和擴散速率，以此成功地利用LCD光固化打印技術制備熱塑性聚合物。
為驗證氫鍵在LCD打印過程中的作用，選用丙烯酸（AA）和N-羥乙基-2-吡咯烷酮（NVP）以不同比例混合設計出三種不同氫鍵數量的打印油墨，并結合分子動力學模擬研究體系的固化速率、溶解性及打印精度等。研究發現，氫鍵的存在會“誘導”NVP和AA分子形成“關聯構型”，加快了聚合速率，同時使打印出的聚合物更難溶解在極性溶劑里，打印物件的精度也更高（圖1）。
展開 大壁厚陶瓷光固化3D打印工藝，因泰萊激光實現新突破
南極熊導讀：大壁厚陶瓷光固化3D打印工藝，在后期脫脂和燒結環節往往出現問題，國內公司因泰萊激光已經實現了新突破。
近年來，光固化陶瓷3D打印技術廣受業內關注。相對于其它陶瓷3D打印方式，光固化陶瓷3D打印具有成型效果好、精度高、表面質量好、燒結后成品致密性好、強度高等優點，在航空航天、生物醫療、能源化工、工程機械、電子制造等領域應用廣泛。
光固化陶瓷3D打印在成型工藝上已經發展較為成熟，但是在后期脫脂和燒結環節，生坯XYZ三個方向的厚度都超過7mm時，易產生開裂、變形、脫皮等問題，導致制件失敗，其主要原因：
①在光固化過程中存在固化內應力，在脫脂過程存在一個應力釋放過程而導致開裂；
②光固化陶瓷材料有機物含量高，并且通過聚合反應形成三維空間網絡結構的大分子，壁厚了就較難脫脂；
③對于高致密度的結構陶瓷，由于高的固含量導致顆粒之間較難形成合理的脫脂通道。
△脫脂燒結過程中出現開裂變形
△ 工藝改善前后對比圖
南極熊獲悉，最近，因泰萊激光在大壁厚陶瓷材料光固化陶瓷3D打印工藝上取得突破性進展。他們利用自主研發的氧化鋁陶瓷材料和CeraBuilder系列陶瓷3D打印設備，實現了大壁厚氧化鋁陶瓷（XYZ三個方向上厚度均大于20mm）的打印成型和脫脂燒結，燒結后的成品件，外表和內部無裂紋、致密性好、強度高。
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