3D打印要進入規(guī)模化的工業(yè)應(yīng)用，單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本需要進一步降低，而3D打印工藝的生產(chǎn)成本主要可以歸于原材料和成形速度兩方面。材料工藝的改進從時間和資金的消耗上都是巨大的，因而當(dāng)前的創(chuàng)新主要來自于成形速度的提升，而這一方向的創(chuàng)新也促成了明星企業(yè)。

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我們將當(dāng)前3D打印成形的全過程分為3個因素：

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1）材料供給（包括鋪粉、樹脂回流等）；

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2）材料融合（包括粘結(jié)、光固化、燒結(jié)、熔化）；

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3）后期處理（包括燒結(jié)、熱處理等）。

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3D打印的成形特性是點連成線、線聚成面、面疊成體，越接近底層所能控制的精度和參數(shù)越多，而成形速度也會越慢。

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舉個簡單的例子：對于零件顏色的控制，假設(shè)我們希望控制每個點的顏色，就需要在打印的過程中為每個點噴涂不同的色素，那么所需要消耗的時間就相當(dāng)可觀；而如果我們只是整體達到一種顏色，那迅速的在染缸里面浸染一下就可以了。

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3D打印第一定律：速度定律

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在決定速度的環(huán)節(jié)，將打印方式從低維升到高維（點到線，線到面，面到體），就可以大幅度的提升打印速度。

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對于這個定律，魔猴網(wǎng)以業(yè)界三家知名公司的產(chǎn)品來做解讀。

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案例1：Carbon（CLIP技術(shù)）

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成形主要影響因素：材料供給——光敏樹脂的回流。

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SLA、DLP成形工藝的光固化速度已經(jīng)可以達到幾秒鐘一層，而當(dāng)前限制該工藝速度的主要因素在于材料供給。材料供給的過程又分為兩步：

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1）成形件與透光板分離；

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2）光敏樹脂回流填充真空區(qū)。

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Carbon主要的工作在于第一步，成形件與透光板的分離。在Carbon產(chǎn)品發(fā)布之前，SLA/DLP的分離過程主要是借助透光板上鍍的PDMS等材料的薄膜。該薄膜輔助打印好的材料從底板上剝離，一般會采用傾斜底板的方法。這種分離方式實際是線分離，因為在每一個時刻都有一條線正在與底板分離。這樣做的主要目的是降低張力，避免成形件被損傷。

圖1 Formlabs打印中成形件與透光板分離方式

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而Carbon創(chuàng)新的核心之處就在于其實現(xiàn)了從線分離到面分離，一層永久的液態(tài)層（圖2中Deadzone）降低了分離時所承受的張力，而將速度大幅度提高（雖然未到其號稱的100倍速度）。

圖2 Carbon CLIP技術(shù)光固化過程

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Carbon的成功之處在于實現(xiàn)了分離過程的線到面的升級。然而，Carbon并沒有因此而橫掃天下，壟斷光固化成形領(lǐng)域。這并不是因為成本，也不是Carbon對競爭對手的仁慈，實在是力不從心。原因歸咎于我們講到光固化影響成形速度的第二點，光敏樹脂回流填充真空區(qū)。而這一點，到目前為止，行業(yè)內(nèi)都沒有很好地解決方案。在做極度的簡化模型下，我們來看光敏樹脂回流速度。當(dāng)成形平臺移動，在液槽內(nèi)形成一個真空時，周邊的樹脂會填充這個真空，所有的樹脂需要從邊界流入到真空區(qū)域（圖3）。假設(shè)成形速度和邊界成正比。在這個簡單假設(shè)的前提下，我們看到，填充的時間是和邊界的尺寸成正比（實際大面積的邊界填充時間大于線性增長），因而越大的成形平臺，液體回流時間就越長。

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圖3 光固化樹脂回流時間簡化公式

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所以，如果Carbon用更大的成形平臺，那么限制成形速度的因素就從步驟1轉(zhuǎn)到了步驟2，從而導(dǎo)致CLIP技術(shù)的優(yōu)勢喪失殆盡。因此，即便Carbon非常渴望能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸的成形，但是也只是在Z軸方向不斷地加長，離真正的工業(yè)應(yīng)用需求還有一大步。可以料到，Carbon工程師正在攻堅的任務(wù)也就集中在此了（而這顯然也具有巨大的研究和商業(yè)價值）。

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案例2：HP（MJF技術(shù)）

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成形主要影響因素：材料融合——尼龍粉末的燒結(jié)。

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在粉床熔融/燒結(jié)工藝中，當(dāng)前限制成形速度的最大因素就是高能束流的掃描過程。當(dāng)前主流設(shè)備的方案都是采用矢量的線掃描工藝，因而成形時間大約和成形零件的面積成正比。

圖4 SLS技術(shù)中激光矢量掃描工藝

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而惠普3D打印使用噴頭對所選擇區(qū)域的尼龍材料進行了預(yù)處理，從而在燒結(jié)過程中可以實現(xiàn)面燒結(jié)，實現(xiàn)了線到面的燒結(jié)速度提升。

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圖5 HP多射流熔融過程

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當(dāng)然，這種方法并不完美，材料的吸收與顏色以及噴射的材料息息相關(guān)。當(dāng)前HP展示的進行強度測試的主要是黑色的樣品，而能夠給用戶發(fā)貨的設(shè)備打印的也都是單色材料。要達到HP許諾實現(xiàn)的全彩打印，實際困難才剛剛開始。但是在高速單色（黑色）打印上，HP毫無疑問走在了正確的道路。

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案例3：DM（DesktopMetal）

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成形主要影響因素：后期處理——燒結(jié)過程

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DM在宣傳片中，強調(diào)了其成形速度超過當(dāng)前金屬3D打印設(shè)備成形速度100倍，顯然他們挑選的是成形采用線掃描因而速度較慢，但是強度、精度很高的SLM/EBM技術(shù)。按照他老人家這比較方式，硬要說檸檬比西瓜好，我們也就呵呵一下。

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DM的成形速度提升真實的是在其燒結(jié)工藝，盡管他們自己宣傳的是打印過程。與峰華卓立、Exone、Voxeljet這些粘結(jié)成形3D打印公司設(shè)備比較起來，DM的成形過程并未見到突破性創(chuàng)新之處，雖然DM講到將會使用全尺寸（與成形平臺同寬）的打印機噴頭，一次通過，打印成形區(qū)域。然而真要說這樣就提高了打印的速度，我們就只能再次友盡了。口袋有錢這事好像誰不會做一樣。

圖6 DM全尺寸打印噴頭打印過程

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至于鋪粉過程如何完成，宣傳片里面影影綽綽、”猶抱琵琶半遮面”的方式只能讓靖哥理解是這事內(nèi)部還沒有達成一致。按照媒體宣傳的通過噴頭來送粉的方式直接違背了第一定律，并不可取。當(dāng)前生產(chǎn)工藝中的鋪粉方式可以理解為是線鋪粉工藝，而要將其降維到點鋪粉，在速度、可靠性上都是很大程度的降低，大約的確只是做宣傳罷了。

圖7 DesktopMetal鋪粉過程

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真實能夠?qū)崿F(xiàn)提速的，也許就在于其后處理中的燒結(jié)工藝，而該公司團隊中的技術(shù)人員，大多數(shù)也是在材料領(lǐng)域，這也很合理。采用微波輔助電阻式加熱，能夠迅速的實現(xiàn)溫度的提升至上千攝氏度（約1400 ℃）。電阻式加熱，熱量傳遞從外向內(nèi)；而微波式加熱，熱量傳遞從內(nèi)向外。二者結(jié)合，可以實現(xiàn)更加均勻的溫控和快速的燒結(jié)。

當(dāng)然，這方面的挑戰(zhàn)并不容小覷。微波加熱吸收功率并非線性變化，在超過一定溫度時，材料會極速加大吸收率。因而當(dāng)上百只零件放在一起加熱時，如果不能保證溫度的均勻性，那么可能先升溫的零件會被熔化掉，而周邊的零件還處于低溫狀態(tài)，帶來的是災(zāi)難性的后果。（靖哥曾用改造過的廚用微波爐，燒結(jié)陶瓷材料，一不小心就把陶瓷燒熔化了，熔點1100 ℃）。而歐洲做這方面研究的院所，所使用的功率、溫控閉合回路的設(shè)備，據(jù)悉價格也是在50萬美金級別。因而，在整體成本的考慮下，DM要做到消費者級別的桌面金屬打印機，也許只是一個DreaM吧。但是，選擇從線到體的整體燒結(jié)思路，總的方向是對的。

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總結(jié)

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3D打印的前景是良好的，因為人類個體是不同的，喜好、需求也不同。工業(yè)化、規(guī)模化的應(yīng)用3D打印，還需要將成本進一步的降低，速度進一步的提升。遵循3D打印的定律，距離找到提升打印速度就更近了一步。

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3D打印第一定律：在決定速度的環(huán)節(jié)，將打印方式從低維升到高維（點到線、線到面、面到體），就可以大幅度的提升打印速度。

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