基于惠普MJF技術(shù)的3D打印機(jī)探析

方恩印+錢志偉

3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)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(gòu)造物體的技術(shù)。

目前，從打印物體性能來分，3D打印機(jī)大致可分為兩大類：第一類3D打印機(jī)打印的物體部件具有光滑的表面和較好的細(xì)節(jié)；第二類3D打印機(jī)可生產(chǎn)出具有較高強(qiáng)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(shù)或使用單個噴頭擠出固化技術(shù)，從某種程度上大大限制了打印輸出速度，且精度低，質(zhì)量較為一般，無法應(yīng)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(shù)（Multi-Jet-Fusion），簡稱 MJF技術(shù)，并準(zhǔn)備推出一款顛覆性的基于MJF技術(shù)的3D打印機(jī)（如圖1）。該打印機(jī)采用惠普MJF技術(shù)及相關(guān)材料和化學(xué)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(yùn)行機(jī)構(gòu)

MJF技術(shù)類似于傳統(tǒng)的平面打印技術(shù)，采用多主體（Multi-Agent）打印材料，層層熔固?；萜辗Q該技術(shù)將顛覆現(xiàn)有的3D打印技術(shù)，改變3D打印行業(yè)的布局?；萜盏?D打印技術(shù)，同樣采用逐層制造技術(shù)，其噴出的是粉末狀的物體，此外還有兩個結(jié)構(gòu)同時工作，一個負(fù)責(zé)加熱噴涂基礎(chǔ)材料，另外一個噴涂化學(xué)試劑來強(qiáng)化打印細(xì)節(jié)與著色。兩套傳動機(jī)制相對獨立分別工作，使得3D打印機(jī)具有較高生產(chǎn)效率的同時，可獲得高質(zhì)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(chǔ)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(xué)溶劑；然后，頂端裝置在傳動帶的驅(qū)動下，從上到下對化學(xué)溶劑進(jìn)行加熱，同時再次噴涂熱熔材料并進(jìn)行加熱，進(jìn)而為下一循環(huán)做準(zhǔn)備。因此，單一循環(huán)過程可理解為“噴涂熱熔材料—噴涂化學(xué)溶劑—加熱”的過程，且為保證輸出效率，每一循環(huán)過程結(jié)束后，傳動裝置驅(qū)動噴頭進(jìn)行右左、下上方向移動，進(jìn)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(nèi)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(yuǎn)超過一般的3D打印技術(shù)。以打印1000個齒牙的輪盤為例，與熔融沉積技術(shù)（FDM）需耗時83小時和激光燒結(jié)技術(shù)需耗時38小時相比，使用惠普的MJF技術(shù)只要3小時就能完成。

MJF熱熔細(xì)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(dá)到某種必要的屬性。例如，產(chǎn)品在達(dá)到既定可承受強(qiáng)度的基礎(chǔ)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(shù)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(xué)試劑噴涂到每層材料對應(yīng)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(shù)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(zhuǎn)化溶劑

采用惠普MJF技術(shù)，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(jī)所不具備的功能。

除了熔融和細(xì)化溶劑以外，惠普MJF技術(shù)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(zhuǎn)化劑。通過將轉(zhuǎn)化劑逐點沉積在每個橫截面，可以生產(chǎn)出其他設(shè)備無法制備的部件。例如，基于MJF技術(shù)的惠普3D打印機(jī)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(zhuǎn)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(shù)打印的3D物體。

不久的將來，惠普MJF技術(shù)通過控制熱熔與細(xì)化溶劑、待融化的基礎(chǔ)材料和轉(zhuǎn)化溶劑之間的相互作用，可實現(xiàn)在工作區(qū)內(nèi)生產(chǎn)具有可控變量的單一部件，甚至其內(nèi)部可具有完全不同的機(jī)械和物理屬性，且可以實現(xiàn)多任務(wù)同時打印的功能?；萜誐JF技術(shù)的可控變量屬性包含了精度和細(xì)節(jié)；不透明或半透明（塑料）；表面粗糙度、紋理和摩擦；電導(dǎo)率和熱導(dǎo)性能；強(qiáng)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(shù)上的突破使得超越想象力的設(shè)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(shù)的第一代商業(yè)3D打印機(jī)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(xué)家在進(jìn)行研究，不久的將來可結(jié)合惠普MJF技術(shù)采用陶瓷和金屬材料來打印物體。由于惠普3D打印機(jī)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(chǔ)構(gòu)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(shù)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)，為3D制造行業(yè)建立規(guī)范。

STL文件是在計算機(jī)圖形應(yīng)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(yīng)用很廣泛，是大多數(shù)快速原型系統(tǒng)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)文件類型，自1989年開發(fā)以來，作為3D打印數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)文件一直在使用，至今仍占據(jù)主導(dǎo)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(fù)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(jī)，是惠普MJF技術(shù)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(jī)軟硬件能相互匹配 。

MJF可擴(kuò)展技術(shù)

惠普采用傳統(tǒng)噴墨印刷解決方案與模塊化和可擴(kuò)展的惠普熱熔噴墨陣列來設(shè)計新一代基于MJF技術(shù)的惠普3D打印機(jī)。模塊化設(shè)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(shè)備，可構(gòu)建出各種打印幅面的3D打印機(jī)。例如，在惠普彩色噴墨輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)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(jī)），如圖4所示。另外，使用不同類型的化學(xué)試劑可提高3D打印機(jī)的附加功能。

基于MJF技術(shù)的3D打印機(jī)的市場定位較以往的3D打印機(jī)也有所不同，其旨在設(shè)計和生產(chǎn)較為復(fù)雜或由精密部件組成的產(chǎn)品，而非大體積、設(shè)計簡單的產(chǎn)品。其關(guān)鍵特征是在高速打印的同時，通過不同化學(xué)試劑局部修改基礎(chǔ)熱熔材料的機(jī)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(shè)計和制作的3D軟件、新的文件格式標(biāo)準(zhǔn)等都將進(jìn)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