方恩印+錢志偉

3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀塑料或金屬等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

目前，從打印物體性能來分，3D打印機大致可分為兩大類：第一類3D打印機打印的物體部件具有光滑的表面和較好的細節(jié)；第二類3D打印機可生產(chǎn)出具有較高強度等物理性能的部件。如何使打印出的部件同時具有上述兩種屬性是科研人員一直以來研究的方向。另外，現(xiàn)存3D打印工藝在處理部件連接處所使用的聚焦激光束熱熔技術或使用單個噴頭擠出固化技術，從某種程度上大大限制了打印輸出速度，且精度低，質量較為一般，無法應用于商業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)。

為解決上述問題，惠普公司經(jīng)研究提出了多噴頭熔融技術（Multi-Jet-Fusion），簡稱 MJF技術，并準備推出一款顛覆性的基于MJF技術的3D打印機（如圖1）。該打印機采用惠普MJF技術及相關材料和化學溶劑，可大批量生產(chǎn)高精密、高性能、低成本的3D部件。

MJF高產(chǎn)能同步運行機構

MJF技術類似于傳統(tǒng)的平面打印技術，采用多主體（Multi-Agent）打印材料，層層熔固。惠普稱該技術將顛覆現(xiàn)有的3D打印技術，改變3D打印行業(yè)的布局?；萜盏?D打印技術，同樣采用逐層制造技術，其噴出的是粉末狀的物體，此外還有兩個結構同時工作，一個負責加熱噴涂基礎材料，另外一個噴涂化學試劑來強化打印細節(jié)與著色。兩套傳動機制相對獨立分別工作，使得3D打印機具有較高生產(chǎn)效率的同時，可獲得高質量的輸出成品。其工作過程為：在工作區(qū)域噴涂第一層熱熔基礎材料后，傳動裝置帶動惠普熱熔噴墨陣列從左端移動到右端，在整個工作區(qū)域噴涂化學溶劑；然后，頂端裝置在傳動帶的驅動下，從上到下對化學溶劑進行加熱，同時再次噴涂熱熔材料并進行加熱，進而為下一循環(huán)做準備。因此，單一循環(huán)過程可理解為“噴涂熱熔材料—噴涂化學溶劑—加熱”的過程，且為保證輸出效率，每一循環(huán)過程結束后，傳動裝置驅動噴頭進行右左、下上方向移動，進行第二次循環(huán)噴涂，直至成品打印完畢。

惠普熱熔噴墨陣列呈長條形，可在工作區(qū)域內以每秒3000萬顆/英寸的速度噴出直徑僅為21微米的顆粒，其打印速度遠超過一般的3D打印技術。以打印1000個齒牙的輪盤為例，與熔融沉積技術（FDM）需耗時83小時和激光燒結技術需耗時38小時相比，使用惠普的MJF技術只要3小時就能完成。

MJF熱熔細化噴涂工藝

在3D打印過程中，必須確保噴涂材料合理融化以達到某種必要的屬性。例如，產(chǎn)品在達到既定可承受強度的基礎上，有些部分表面需粗糙，而有些部分表面或邊緣需平滑。為滿足此技術要求，惠普公司研發(fā)出獨特的多溶劑噴涂工藝，通過惠普熱熔噴墨陣列將不同用途的化學試劑噴涂到每層材料對應的部位，如圖2所示。需要說明的是，圖2代表的是惠普MJF技術常規(guī)噴涂工藝過程，在具體的硬件實施過程中，步驟的順序可能發(fā)生改變。

MJF轉化溶劑

采用惠普MJF技術，惠普熱熔噴墨陣列可快速、精確地將不同功能類型的極小的溶劑微粒堆砌到所需位置，這是其他3D打印機所不具備的功能。

除了熔融和細化溶劑以外，惠普MJF技術還可以利用其他“添加劑”來改變每個容積像素（或立體像素）的屬性。這些“添加劑”稱為MJF轉化劑。通過將轉化劑逐點沉積在每個橫截面，可以生產(chǎn)出其他設備無法制備的部件。例如，基于MJF技術的惠普3D打印機可以有選擇地打印不同的顏色，每個立體像素可含有青色、品紅色、黃色或黑色（CMYK）的轉化劑，其除能打印出一體的凸出于基座的按鈕外，還可同時打印出對比色。圖3為基于MJF技術打印的3D物體。

不久的將來，惠普MJF技術通過控制熱熔與細化溶劑、待融化的基礎材料和轉化溶劑之間的相互作用，可實現(xiàn)在工作區(qū)內生產(chǎn)具有可控變量的單一部件，甚至其內部可具有完全不同的機械和物理屬性，且可以實現(xiàn)多任務同時打印的功能?；萜誐JF技術的可控變量屬性包含了精度和細節(jié)；不透明或半透明（塑料）；表面粗糙度、紋理和摩擦；電導率和熱導性能；強度、彈性和其他材料特性；顏色（表面和嵌入式）?；萜展驹贛JF技術上的突破使得超越想象力的設計和制造變?yōu)榭赡堋?/p>

MJF材料與文件格式

基于惠普MJF技術的第一代商業(yè)3D打印機所使用的材料為生產(chǎn)性熱塑性材料。目前，惠普研發(fā)工程師和科學家在進行研究，不久的將來可結合惠普MJF技術采用陶瓷和金屬材料來打印物體。由于惠普3D打印機采用熱熔噴墨陣列，可有效控制墨滴噴射方向 ，因此可通過控制每個容積像素（或立體像素）與基礎構建材料的相互作用來生產(chǎn)具有特殊屬性的對象，這便是惠普MJF技術的優(yōu)勢所在。為充分挖掘3D打印的潛力，惠普正積極與相關3D打印材料公司合作，旨在研發(fā)一個嶄新的3D打印平臺且使之成為行業(yè)標準，為3D制造行業(yè)建立規(guī)范。

STL文件是在計算機圖形應用系統(tǒng)中用三角網(wǎng)格來表現(xiàn)3D CAD模型的一種文件格式，應用很廣泛，是大多數(shù)快速原型系統(tǒng)應用的標準文件類型，自1989年開發(fā)以來，作為3D打印數(shù)據(jù)交換標準文件一直在使用，至今仍占據(jù)主導地位。然而，由于處理大數(shù)據(jù)STL文件所需時間相對較長，且解釋精度不高等缺點所限，STL文件不適用于復雜的、高精度的零部件生產(chǎn)。此外，該格式只允許用幾何表示3D對象，不能將單一立體像素信息從CAD軟件解釋到打印機，是惠普MJF技術發(fā)展的障礙。為了實現(xiàn)3D打印的全部潛能，惠普將含有更多信息的文件格式來豐富或代替原有的STL文件，以便控制每一個立體像素的屬性，使得具有較高性能的3D打印機軟硬件能相互匹配 。

MJF可擴展技術

惠普采用傳統(tǒng)噴墨印刷解決方案與模塊化和可擴展的惠普熱熔噴墨陣列來設計新一代基于MJF技術的惠普3D打印機。模塊化設計使惠普通過堆疊噴墨陣列、墨劑傳遞系統(tǒng)和圖像處理電子設備，可構建出各種打印幅面的3D打印機。例如，在惠普彩色噴墨輪轉印刷機上通過使用單一4.25英寸的惠普熱熔噴墨頭不同的陣列組合，可支持打印幅面為22、26、30和40英寸的打印模塊（理論上，惠普可生產(chǎn)打印寬度從4.25英寸到40英寸以上的3D打印機），如圖4所示。另外，使用不同類型的化學試劑可提高3D打印機的附加功能。

基于MJF技術的3D打印機的市場定位較以往的3D打印機也有所不同，其旨在設計和生產(chǎn)較為復雜或由精密部件組成的產(chǎn)品，而非大體積、設計簡單的產(chǎn)品。其關鍵特征是在高速打印的同時，通過不同化學試劑局部修改基礎熱熔材料的機械和物理特性，以滿足市場的不同需求；另外配套的3D打印用戶界面、 用于設計和制作的3D軟件、新的文件格式標準等都將進一步優(yōu)化并推動目前的3D制造業(yè)的數(shù)字化發(fā)展。endprint