2.3.4 設備結構創(chuàng)新

     以作者的觀點，過去10年內(nèi)ME-3DP領域最重要的設備創(chuàng)新是以橡樹嶺國家實驗室為核心開發(fā)的BAAM技術 [56]。BAAM技術將傳統(tǒng)高分子粒料的螺桿擠出工藝應用到超大尺度3D打印中，并成功地完成了從設備、工藝 [57]、甚至是軟件 [58]的研究與開發(fā)。BAAM技術在大型模具，尤其是航空、風電等復合材料模具 [59]，及建筑相關應用中具有非常廣闊的前景。我國這一領域的研究工作起步較晚，僅在2018年由上海建工牽頭開展了在建筑領域的應用。作者所在的蘇州聚復高分子與上�？狷棛C器人共同參與了合作并分別完成了材料和設備的開發(fā)，同時配合上海建工完成了位于上海、泉州和成都三座人行橋的打印施工。目前蘇州聚復高分子正在聯(lián)合攥寫建筑領域3D打印的相關標準文件。

Polymaker與上海建工及酷鷹科技合作打印的3D景觀橋之一（成都流云橋）。

另外一項設備結構驅(qū)動的創(chuàng)新是由美國Markforged公司最早商業(yè)化的連續(xù)碳纖維打印技術 [60]。該技術能原位生成連續(xù)碳纖維增強的熱塑性復合材料，能在XY方向?qū)崿F(xiàn)超高的模量和強度 [61]。除了Markforged之外，包括俄羅斯的Anisoprint和西安斐帛科技在內(nèi)的多家公司也對這一技術實現(xiàn)了商業(yè)化。作者所在的公司也和Anisoprint進行過合作開發(fā)，成功實現(xiàn)了兩款尼龍基材料的商業(yè)化 [62]，能達到非常高的打印質(zhì)量和纖維/高分子界面結合力。

對于傳統(tǒng)的ME-3DP技術，業(yè)界在近幾年也看到了相當多有亮點的設備創(chuàng)新。這些創(chuàng)新大多旨在提高ME-3DP的打印效率，多集中在兩個方面：擠出機構和運動機構。

傳統(tǒng)的ME-3DP擠出機構通過以固態(tài)線材作為活塞擠壓高分子熔體的方式實現(xiàn)材料的連續(xù)擠出。這一方式的局限性之一是無法產(chǎn)生很大的擠出壓力，因此擠出效率較為低下。Go等在詳細分析了傳統(tǒng)擠出機構之后 [15]，設計了一個高速擠出機構 [63]。該機構使用了帶螺紋的線材（threaded filament）從而提高擠出力，同時在傳統(tǒng)加熱段之前增加了一個使用激光加熱的“預加熱段”來提高整體加熱效率。根據(jù)論文中的數(shù)據(jù)，這兩項設計創(chuàng)新能帶來超過10倍的擠出效率提升。德國BigRep公司在2019年推出了MXT技術 [64]，其核心是通過微型化的正向位移計量泵（positive displacement pump） [65]實現(xiàn)熔體的高速、穩(wěn)定擠出。但根據(jù)作者了解的信息，目前配備MXT技術的打印機尚未實現(xiàn)大規(guī)模穩(wěn)定出貨。

在運動機構上，西班牙創(chuàng)業(yè)公司BCN 3D首創(chuàng)的獨立雙噴頭技術（Independent Dual Extruder或IDEX） [66] 是近年來比較重要的一項創(chuàng)新，能較好地解決雙噴頭打印的很多問題。IDEX技術也越來越多地出現(xiàn)在新的ME-3DP打印設備中，大有成為主流雙噴頭打印技術方案的趨勢。另外一項趨勢是通過和直線電機的結合實現(xiàn)打印過程更高的加速度和線速度。美國的Essentium公司是最早應用直線電機的打印機制造商,目前上海復志、AMESOS等公司也先后推出了應用直線電機的高速打印機。

這些打印設備的創(chuàng)新為解決打印效率這一ME-3DP的核心問題提供了很好的基礎——至少在不久的將來，設備將不再成為效率的瓶頸。但這并不意味著打印效率問題可以從此解決。即使有了更快的擠出效率和運動速度，依然無法改變目前工藝極大依賴于經(jīng)驗，成功率低下，打印件性能波動大且難以預測等種種挑戰(zhàn)；更大的工藝窗口范圍甚至讓工藝開發(fā)更加困難。以作者的觀點來看，未來只能依靠基于科學理論和工具的工藝開發(fā)方法才能從根本上解決這些問題，更大地實現(xiàn)ME-3DP的潛力。

 3. 對未來技術發(fā)展的戰(zhàn)略建議

ME-3DP是最早被發(fā)明和商業(yè)化的3D打印技術之一，也是目前設備出貨數(shù)量最大和應用最為廣泛的3D打印技術。相比其它的高分子3D打印技術，ME-3DP具有很大的優(yōu)勢：成本最低、材料和功能性選擇更豐富、實施最為靈活（設備簡單且不受粉末床或樹脂槽的限制）、能夠覆蓋極廣（從幾毫米到數(shù)十米）的打印件尺度范圍等。以作者和很多海內(nèi)外業(yè)內(nèi)專家溝通的結果來看，大家普遍認為ME-3DP具備最大的工業(yè)應用前景，也是最值得發(fā)展的高分子3D打印技術。

但如前文所述，ME-3DP也是一項物理過程和工藝開發(fā)極其復雜的技術。其看似簡單的“錯覺”導致了一定程度上資源的錯配，尤其是針對ME-3DP過程的核心科學技術研究的不足；這一點在國內(nèi)尤為突出。盡管在過去幾年間ME-3DP吸引了更多不同領域研究者的加入，但整體而言行業(yè)整體科學研究還處于相對初級的階段，表現(xiàn)在目前行業(yè)內(nèi)對于工藝、材料和核心部件的開發(fā)仍然缺乏系統(tǒng)的科學理論框架和成熟的工具方法。以下是作者依據(jù)個人的觀察和思考給出的一些未來ME-3DP技術發(fā)展的戰(zhàn)略性建議。

(1) 重視基礎理論研究。如上文所屬，ME-3DP領域中仍然有非常多的科學問題沒有得到很好的回答。如擠出過程中高分子熔體的復雜傳熱和流變行為，成型過程中的內(nèi)應力產(chǎn)生與松弛機理，高分子結構（如多相結構、結晶結構等）在打印過程復雜熱歷史和流變場條件下的演化，等等。如果僅僅將ME-3DP看成簡單的技術開發(fā)而忽視這些更本質(zhì)的科學問題（在某種程度上是目前的現(xiàn)狀），必將極大地限制這項技術未來的發(fā)展與潛力。

(2) 工藝 > 材料 > 設備。針對ME-3DP直覺式的認知往往是設備 > 材料 > 工藝。而結合目前ME-DP的技術挑戰(zhàn)和研究現(xiàn)狀（第2部分），更符合實際的情況是工藝 > 材料 > 設備。這里的 “>” 不僅僅代表重要性的高低，更重要的是指出了驅(qū)動力的方向。

即：對于工藝的認知驅(qū)動材料的研發(fā)，再驅(qū)動設備的創(chuàng)新。

舉例來說，業(yè)界需要通過對工藝過程的表征，定義出符合工藝過程的材料物性（如粘彈性、結晶行為等等）從而進行材料的設計與開發(fā)，再根據(jù)材料物性定義和開發(fā)與之匹配的打印設備。若將這一流程顛倒，即采取以設備或材料為中心的研發(fā)方式，必將導致事倍功半的結果——這一點已經(jīng)在市場上得到了反復的驗證。事實上，很多看起來是設備制造商的公司，其在工藝和材料端的投入都要遠大于設備本身。但上述這一認知在實際實施中存在一些管理上的挑戰(zhàn)：材料和設備是有形的存在，容易量化和衡量，而工藝則 “看不見摸不著”，相對抽象且難以量化比較與衡量。作者在于很多非技術出身的管理者、投資人和政策制定者的接觸中都實實在在地感受到了這一理解和溝通上的挑戰(zhàn)。

(3) 重視ME-3DP和復雜科學與數(shù)據(jù)科學的結合。盡管在基礎科學理論上依然存在急需解決的問題，ME-3DP的技術挑戰(zhàn)在很大程度上源自超多變量所導致的復雜性。目前絕大部分ME-3DP相關的學術研究工作還是基于傳統(tǒng)的還原論思想，即在固定大部分變量的前提下研究單個或少數(shù)變量對整體的影響。這一方法適合于對基礎科學原理的研究，但對于解決實際的復雜工藝問題還是顯得捉襟見肘。對后者更有效的方法之一是引入復雜科學研究中的工具和手段，尤其是和數(shù)據(jù)科學的結合。目前已經(jīng)存在一些人工智能/機器學習和ME-3DP的結合（不是本文重點故未作展開） [67, 68]，主要應用于設計優(yōu)化，以及輔助性的工藝開發(fā)和性能預測。目前來看，實際的挑戰(zhàn)將會是如何定義和規(guī)范數(shù)據(jù)結構，以及如何獲取有效數(shù)據(jù)。但作者認為這一領域在未來會有巨大的發(fā)展價值與潛力。

4. 結語

本文從學術研究和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的雙重視角，簡要總結了目前ME-3DP技術和行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢，也給出了一些未來技術發(fā)展的方向性建議。這些內(nèi)容均基于作者（ME-3DP行業(yè)超過十年的深度參與者）的觀察與思考，希望能夠?qū)π袠I(yè)的科學、健康發(fā)展提供一些參考價值。

l 作者

羅小帆博士
蘇州聚復高分子材料有限公司總經(jīng)理

郝明洋博士
蘇州聚復高分子材料開發(fā)平臺專家級研發(fā)工程師

黃宇立
蘇州聚復高分子產(chǎn)品工程部高級產(chǎn)品經(jīng)理

(責任編輯：admin)

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