中国需要有自己的打印机喷头—从3D打印工艺谈起 

由 靖哥3D打印 发布于 2020-10-30 09:57 

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编者按:本文来自微信公众号“靖哥3D打印”(ID:gh_d599e1b42ab3)作者:靖哥,3D打印资源库经授权发布。

前段时间3D打印的明星创业公司Desktop Metal借壳上市,业内ExOne, VoxelJet等同样基于喷头式的3D打印公司的股票也顺势上涨。当然,基于喷头式工作原理的3D打印设备的热度这段时间有明显的增强。

基于打印机喷头的成形工艺是原始意义上的3D打印,毕竟所得到3D样品/产品确实是使用喷头才打印出来的。这类工艺可以成形的材料覆盖了金属、聚合物、陶瓷三类主要的材料。决定其成形质量的因素也有诸多的因素,包括粉末材料、后处理工艺以及打印机喷头等。

在影响成形工艺的所有因素中,最核心的是打印机的喷头;而对于中国的3D打印企业来讲,我们并不掌握喷头的生产工艺。这也可能是将来被以非市场行为实施制裁的技术。

在这篇文章中,靖哥将重点的讨论打印机的喷头,以及为什么中国应该具有自己的打印机喷头。不仅仅在3D打印的范围,也在精准物料的输送领域。

市场主流的打印机喷头

当前在3D打印行业中使用的喷头主要有两种:一种是压电式的;一种是热泡式的。如下图所示,压电式的喷头通过作用在压电陶瓷上电压的变化,能够在扩大喷嘴腔室体积时吸入“墨水”,在压缩腔室体积时喷出“墨水”。而热泡式在加热丝作用下生成气泡,在气泡的挤压下将“墨水”喷出,并在气泡消失后吸入“墨水”。

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图1 压电式打印机喷头的工作示意图(来源:EPSON)

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图2 热泡式打印机喷头的工作示意图(来源:HP)


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压电式的材料以电压脉冲的变化来控制喷头末端压电片的振动方向及幅度,从而改变末端的体积和压强,实现墨水的喷射。
它的显著优点是不会改变墨水的理化性能;因而能够使用更多的材料、特别是活性的材料。另外,该技术可以更加精准的控制液滴的体积,其精度可以达到皮升的级别。

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图3 脉冲控制喷头的喷射液滴体积(来源:wikipedia)

热泡式喷头的生产厂商以HP和Canon为代表;而压电式的喷头以Epson为代表。
在3D打印的领域,大多数的公司选择使用压电式喷头。在3D打印机的应用中,设备生产商会根据材料的需求以及成本来选择所需要的打印机喷头。如Stratasys选择的是基于Piezo的喷头,而HP的MultijetFusion设备自然是选择HP生产的热泡式打印机喷头。
这样一个看似简单的设备,确是微观制造级别的杰作。如果是在宏观层级,这样的工艺非常容易实现;但事实是,这些都是在微观级别的精密制造。也是我国需要追赶的领域。
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图4 XAAR压电打印喷头结构展示(来源:XAAR)

中国发展打印机喷头技术的必要性

在2D的打印机应用中,2019年小米刚推出的家庭用打印机产品的整合已经赢得了良好的口碑。而中国诸多家庭、企业使用的商业化的打印机其基于喷头的硬件和软件的技术,更多的还是被日本、欧美的这些企业所掌握。这部分应用的市场份额本身已经非常可观。
在3D打印的应用中,HP技术能够迅速的进入市场,并在聚合物材料的打印领域赢得一席之地直接可归因于HP在打印机喷头技术方面的积累。

打印机喷头对于科研及工业化应用的深远影响
大多数人还只是将打印机的喷头看做是打印机的一个部件,特别是买墨盒就“免费”送的打印机中的一个小部件。但殊不知这是一个垂直产业链的基础。
这就相当于我们在超过西方国家的5G技术领域,其底层却并不建立在完全自由的平台之上,而面临被制裁的风险。理想化环境中相对优势、自由贸易,在当前的国际环境中是不可靠的。

也许会有人认为,桌面打印机的市场现在也是被国外技术所垄断,我们可以放弃;3D打印技术我们可以发展PBF技术,在打印机喷头的方向依赖于进口。这些可能都只是一厢情愿。

如果基于打印机喷头的技术进一步的发展,能够像DM所宣传的那样,实现和传统制造一样低廉的成本,但却具有数字化的柔性制造能力之时,任何一个不掌握这项技术的制造业大国,都有被踢出制造业大国俱乐部的风险。

打印机的喷头技术不是一个小的部件,而是一个物料精准输送的平台。
它开始于在2D打印的平面/曲面打印应用;而后在3D打印中发挥着物料、粘结剂的直接输送。
而在可预见的将来,打印机喷头会在生物3D打印领域发挥更加重要的作用。在3D打印生物打印的过程中,多通道的打印已经成为了标准的配置;而多通道的打印,则需要能够高效、精准的实现细胞的存储以及输送。2019年,CELLink推出了6喷头的生物打印机,能够实现更多的材料和细胞的同时打印。
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图4 CELLINK的6喷头型生物打印机(来源:CELLINK)

而对于一个完整的脏器的打印,这种6喷头的打印机输送材料种类以及精度显然是不够的。而如果有一个完整的打印机喷头阵列,具有严格的无菌环境的控制,精准的细胞无损输送能力,则是活体脏器打印的基础。分离的“墨盒”储存着所需的细胞、细胞外基质、生长因子、养料等多种物质,并在皮升甚至将来更高的层级精准输送。试想一下,拥有这样的打印机喷头阵列的公司在活体器官打印的年代应该是什么样的存在与价值。

在当前疫情肆虐的大环境下,生物医药技术在高速的发展。而将来可能出现的高效能的药物的精准分装,也能够得益于打印机喷头的可重复的、精准的物料投递方式。
而这样一个精准物料投送的平台,未来能够在其上建立什么样的产业与帝国,也许今天我们还无法想象。只是,我们很需要拥有这样的一个平台,一个从硬件到软件都有着最核心人才的平台。

其次,这样的一个平台,能够在更大的范围影响到制造业的。
打印机喷头技术的发展直接能够为社会提供三方面的人才:
1. 硬件方面。在硬件的层面,这是芯片领域精密加工的一个典型应用场景。这个领域打印机的巨量市场,能够为我们国家培养大量的熟练产业工人。
2. 材料方面。根据所使用打印材料的粘度、表面张力、导电性能,一批在不同领域进行应用的材料专家的诞生。
3. 软件方面。能够以设定的时序精准的输送并能够进行所需要的错误检测的程序端人员。
而其它衍生的领域可能会包括对于材料性能检测、对于硬件质量监控等专业化的设备及服务公司。

小结

3D打印机的发展需要软件设计端与硬件生产端的紧密结合,满足市场的需求,从而得到高效的应用发展。而在核心软件与硬件的发展中,大国的企业需要能够实现这部分核心能力的独立开发、生产能力。

而打印机的喷头,更是一种精准、高效的物料的输送平台。它是今天的2D、3D打印领域的核心技术,也将进一步发展服务于生物活性组织、器官的打印,以及将来我们尚无法预知的技术和应用。

这类的平台,我们必须要有才行的。

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