前沿印刷技術(shù)巡禮

編譯 高斯寒

塔夫斯·喬根森團(tuán)隊(duì)的數(shù)字制造研究人員在印刷研究中心評(píng)估用于新型模具設(shè)計(jì)的3d打印設(shè)置，這是他們對(duì)陶瓷材料擠壓研究的一部分

在一家實(shí)驗(yàn)室里，一些科學(xué)家在研究將石墨烯用作高品質(zhì)可回收服裝的基礎(chǔ)材料；而在走廊的對(duì)面，他們的同事正在講授日本古代的雕版印刷技術(shù)“木版畫”。這樣的研究環(huán)境恐怕并不多見。然而，這正是位于布里斯托的西英格蘭大學(xué)（UWE）印刷研究中心（CFPR）里發(fā)生的事。在這兒，每天都在架設(shè)跨越藝術(shù)與科學(xué)之間、產(chǎn)業(yè)與學(xué)術(shù)界之間鴻溝的橋梁。

CFPR是一家跨學(xué)科的研究機(jī)構(gòu)，它將資深研究員、研究生、技術(shù)專家和學(xué)徒匯聚到一起，研究的內(nèi)容極廣，從美術(shù)版畫制作和設(shè)計(jì)到物理學(xué)、材料學(xué)和工程學(xué)，無所不包。他們的目標(biāo)是通過對(duì)創(chuàng)意印刷實(shí)踐、流程和技術(shù)的藝術(shù)、歷史和產(chǎn)業(yè)意義進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)調(diào)查，為印刷的未來提供創(chuàng)新的解決方案。

應(yīng)用物理學(xué)家

在CFPR，對(duì)于新研究路徑的適應(yīng)性和開放性是先決條件。如應(yīng)用物理學(xué)家蘇珊·克萊因（Susanne Klein）最早是研究醫(yī)學(xué)物理學(xué)的，后來轉(zhuǎn)向光學(xué)研究。她在布里斯托的惠普實(shí)驗(yàn)室工作了20年，擔(dān)任產(chǎn)業(yè)研發(fā)科學(xué)家，研究項(xiàng)目包括膠體化學(xué)、液晶和先進(jìn)顯示材料、3D打印技術(shù)和光學(xué)密碼學(xué)。目前，克萊因在CFPR領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)為期5年的研究項(xiàng)目，項(xiàng)目資金達(dá)到120萬英鎊，目標(biāo)是重新思考各種19世紀(jì)的印刷工藝，使得它們更便宜、更快捷和更加可獲取。

CFPR的實(shí)習(xí)印刷技師哈莉·富勒（Harrie Fuller）是克萊因研究團(tuán)隊(duì)的一名成員，他們?cè)趯⒁恍┡f技術(shù)改造成新技術(shù)

克萊因正在研究和試圖實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的一項(xiàng)技術(shù)是凹版印相工藝。它是第一種獲得商業(yè)成功的照相制版印刷方法，能復(fù)制連續(xù)色調(diào)的照片。該工藝在1864年由英國(guó)發(fā)明家沃爾特·伍德伯里（Walter Woodbury）取得專利，由一種“火棉膠濕版攝影”——當(dāng)時(shí)使用的攝影技術(shù)——底片開始，被置于一層干掉的重鉻酸鹽明膠之上，在陽光下放置大約60分鐘。那些未被陽光穿透底片曬到的明膠依然是水溶性的，可以輕易地用水沖走。

結(jié)果就得到了目標(biāo)圖像的一個(gè)十分結(jié)實(shí)耐用的三維凸版（模子），再用水壓方法將它在鉛版上壓制出凹版。接著，這塊印刷用的鉛質(zhì)凹版被涂上一層油，填入摻入黑煙灰的熱明膠，蓋上一張紙，再送入印刷機(jī)。大約五分鐘后，揭下上面的紙，等到墨水干掉后，這張相片會(huì)被壓平，修剪整齊。最初，用一塊明膠凸版最多能制作出十塊印刷用的凹版，這些凹版能裝到旋轉(zhuǎn)式印刷機(jī)上，進(jìn)行大批量印刷。

“因?yàn)榘及嬗∠喙に囀腔趽饺肷氐拿髂z，所以它們是完全能夠長(zhǎng)久保存下去的。黑煙灰或炭黑非常不容易受到日光影響，而明膠只要不暴露在極濕環(huán)境中，就不會(huì)變質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)上的變化?！笨巳R因說，“盡管最初的工藝很耗費(fèi)時(shí)間，當(dāng)平版印刷術(shù)興起后，它就變得過時(shí)，但用這種工藝制作的相片品質(zhì)并未被超越。即便在如今，凹版印相工藝仍然是唯一的連續(xù)色調(diào)照相制版復(fù)制方法?！?/p>

克萊因和同事們重新探究這項(xiàng)技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展出兩種用現(xiàn)代材料制造凹版印相相片的替代工藝路線。“在其中一個(gè)方法中，”克萊因解釋說，“我們沿用原本的工作流程，但是用光敏聚合物取代重鉻酸鹽明膠，用硅取代鉛?！庇眠@種方法，曝光時(shí)間從60分鐘降低到數(shù)秒，印刷版用幾小時(shí)就能制作好，無須耗費(fèi)數(shù)日。一種更加快捷的方法是采用激光切割機(jī)來制作丙烯酸凸版——譬如，在10分鐘內(nèi)就能制造出一塊10厘米寬、15厘米長(zhǎng)的印刷版。激光切割機(jī)的精確度也意味著，創(chuàng)造全彩圖像所需的青色、洋紅、黃色和黑色層能夠輕易地印刷在彼此的上方。

兩種方法都對(duì)美術(shù)從業(yè)者頗有吸引力，可以用來創(chuàng)造藝術(shù)品，但不少公司也對(duì)這些技術(shù)感興趣，那些公司在尋求用一種環(huán)保的方式制作高端照相復(fù)制品，用于公共空間里的藝術(shù)裝置和商業(yè)廣告。新方法的優(yōu)點(diǎn)在于，印刷版的激光切割技術(shù)具備高能效，幾乎不產(chǎn)生垃圾，使用的墨水是基于明膠（明膠是肉制品加工業(yè)的一種廢料）的產(chǎn)品。而且，得到的相片是可生物降解的，用水沖洗一下就能除去紙上的墨水。

克萊因的另一個(gè)研究領(lǐng)域與“結(jié)構(gòu)色”的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用有關(guān)，“結(jié)構(gòu)色”的色彩不是由色素產(chǎn)生，而是來自以獨(dú)特方式反射和折射光線的顯微型態(tài)（譬如蝴蝶的翅膀）。一個(gè)很吸引人的選擇是將數(shù)層額外的膽固醇（手性向列型）液晶層引入凹版印相的凸版中，從而印刷出結(jié)構(gòu)色。采用合適的材料，液晶能夠通過層來導(dǎo)向，隨著施加磁場(chǎng)或電場(chǎng)，原本印刷出的顏色發(fā)生變化，這與一臺(tái)雙穩(wěn)態(tài)顯示屏并無不同。

該技術(shù)可能的應(yīng)用包括奢侈品、時(shí)尚設(shè)計(jì)品和藥物的防仿冒標(biāo)簽?！吧虡I(yè)機(jī)會(huì)很大，”克萊因補(bǔ)充道，“挑戰(zhàn)在于，生產(chǎn)出安全的包裝，使得每次一件商品在供應(yīng)鏈的不同階段獲得授權(quán)時(shí)，上面的印刷墨水都會(huì)改變顏色，直至商品到達(dá)消費(fèi)者手中?！?/p>

材料學(xué)家

克萊因的同事納茨穆爾·卡里姆（Nazmul Karim）是CFPR的石墨烯應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的帶頭人，是另一位仿佛為CFPR這個(gè)“多學(xué)科熔爐”量身打造的學(xué)術(shù)人才。在2019年加入西英格蘭大學(xué)之前，卡里姆在曼徹斯特大學(xué)的石墨烯研究所待了4年，研究基于石墨烯的高性能功能服裝和可穿戴電子織物。

他目前的研究興趣包括以剝離法和功能化方法制備石墨烯和其他用于電子織物的二維材料?？ɡ锬芬苍谘芯咳绾我愿叨瓤蓴U(kuò)展的制造方法（如涂層和印刷）制作石墨烯可穿戴制品，譬如將石墨烯“墨水”直接使用到織物上?！拔业膱F(tuán)隊(duì)對(duì)于引進(jìn)智能材料和人工智能到印刷電子器件中來，應(yīng)用于非侵入式個(gè)性化健康照護(hù)充滿熱情。”卡里姆說。

石墨應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家莎伊拉·阿弗羅（Shaila Afroj）和醫(yī)學(xué)博士生伊斯蘭正在研究高性能可穿戴電子織物中的二維納米材料的印刷和涂層

團(tuán)隊(duì)的最新研究成果很大程度上是基于醫(yī)學(xué)博士生拉希杜爾·伊斯蘭（Rashedul Islam）所做的工作，顯示明確的商業(yè)機(jī)遇正在成形。伊斯蘭已經(jīng)研發(fā)出一個(gè)多功能電子織物平臺(tái)，完全能印刷，導(dǎo)電性很高，具備柔性，可機(jī)洗。該材料采用印刷的石墨烯超級(jí)電容，能夠儲(chǔ)存能量，同時(shí)監(jiān)測(cè)一系列生理指標(biāo)（譬如心率、皮膚溫度和各種活動(dòng)指標(biāo)）。更加讓人印象深刻的是，當(dāng)用這種材料制作成頭飾帶時(shí)，電子織物能記錄下腦活動(dòng)（腦電波圖，EEG），能夠和常規(guī)的剛性電極達(dá)到同樣的標(biāo)準(zhǔn)。目前，超級(jí)電容需要用外部能源充電，但遠(yuǎn)期目標(biāo)是引進(jìn)能量采集功能，讓它們實(shí)現(xiàn)自給自足。

制造工藝?yán)昧艘环N高度可擴(kuò)展的絲網(wǎng)印刷工藝，基于石墨烯的墨水穿過一面定制的網(wǎng)篩，落到一種粗糙和柔性的織物基材上。再將導(dǎo)電條封進(jìn)內(nèi)部，獲得絕緣保護(hù)，這樣就制作出一種可機(jī)洗的電子織物平臺(tái)。他們希望，這樣的早期成功會(huì)為基于石墨烯的多功能電子織物服裝的大批量生產(chǎn)開路，那些服裝會(huì)擁有一個(gè)可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)，由基于石墨烯的織物超級(jí)電容里儲(chǔ)存的能量供能。

石墨烯應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室正在研究將石墨烯和其他功能材料（包括抗菌涂層）用于高品質(zhì)可回收服裝。眼下，大約有55%的織物由人工合成的聚酯纖維制成，最為常見的是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET），它并非生物可降解材料，能在環(huán)境中持續(xù)存在數(shù)百年?？ɡ锬氛f：“能夠理解的是，時(shí)尚品牌和零售商越來越有興趣放棄原生PET，改用基于可回收PET（rPET）的聚酯纖維織物，以減少對(duì)于環(huán)境的沖擊?！?/p>

麻煩在于，目前的rPET遭受熱老化的困擾，容易降解，這是由于在回收利用的過程中隨機(jī)混入其他材料所致?？ɡ锬分赋?，研究依然處在早期，但CFPR獲得的初步結(jié)果很有希望，用石墨烯提升過的rPET已經(jīng)被紡織成更輕、力學(xué)性質(zhì)上更堅(jiān)固、更容易回收利用的纖維?！斑@會(huì)是一場(chǎng)漫長(zhǎng)的競(jìng)賽，”卡里姆補(bǔ)充說，“我們會(huì)需要與創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)各方面的持續(xù)合作。那意味著，我們這樣的學(xué)術(shù)團(tuán)體要與石墨烯供應(yīng)商、織物制造商、大型時(shí)尚和服裝零售商手牽手共同努力?！?/p>

陶瓷設(shè)計(jì)師

塔夫斯·喬根森（Tavs Jorgensen）原本是陶瓷產(chǎn)業(yè)里的一名制陶工匠和設(shè)計(jì)師，后來轉(zhuǎn)而追求起學(xué)術(shù)事業(yè)。讓他全神貫注的是另一個(gè)全然不同的制造業(yè)機(jī)遇。喬根森在CFPR是數(shù)字制造研發(fā)領(lǐng)域的先鋒，目標(biāo)是讓至今為止在陶瓷生產(chǎn)上應(yīng)用有限的3D打印技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制加工、機(jī)器人技術(shù)駛上快車道。

喬根森對(duì)擠出制造工藝特別感興趣。柔軟可塑的黏土在施力下通過一條通道（或者稱為沖模），沖模會(huì)賦予材料一種特定的截面形狀。這個(gè)工序產(chǎn)生一種連續(xù)的線性黏土條，之后可以切成一段一段，從而生成部件，如磚塊、瓦片、護(hù)墻瓦和其他建筑構(gòu)件。工業(yè)擠出機(jī)被用來制作特殊的陶瓷部件，包括催化轉(zhuǎn)換器的過濾器、用于火爐和高壓釜的高溫元件。同時(shí)，手工操作的擠出系統(tǒng)常?？稍谑止ぷ鞣恢姓业剑脕碇谱靼咽趾鸵淮纬尚偷难b飾元件，之后可以對(duì)它們應(yīng)用其他制造方法（譬如壓制和鑄造方法）。喬根森說：“我們的挑戰(zhàn)在于如何才能利用數(shù)字科技和機(jī)器人，將目前黏土擠出的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到更具創(chuàng)新的商業(yè)應(yīng)用與設(shè)計(jì)?！?/p>

CFPR與英國(guó)國(guó)家復(fù)合材料中心進(jìn)行研發(fā)合作，正在優(yōu)化陶瓷基復(fù)合材料的擠出，這些材料被應(yīng)用于航天和核能產(chǎn)業(yè)

CFPR的科研人員評(píng)估機(jī)器人輔助下的陶瓷材料被從沖模擠出后的彎曲度。這個(gè)工序使得他們能制造出一次成型的陶瓷部件，可用于創(chuàng)意藝術(shù)和建筑領(lǐng)域

團(tuán)隊(duì)給出的默認(rèn)設(shè)置很大程度上是基于實(shí)驗(yàn)?！坝袝r(shí)候，測(cè)試是以開放式探究的形式進(jìn)行的，結(jié)果非常不可預(yù)測(cè)，這個(gè)方法在很大程度上是受到好奇心的驅(qū)使。我們做這個(gè)的時(shí)候，發(fā)生了什么？”在理解黏土的行為方式時(shí)，對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)和材料學(xué)的了解是一個(gè)重要因素。譬如，在干燥和火燒時(shí)，擠出的黏土部件縮小大約10%～15%，由于擠出工序產(chǎn)生的張力，它們有可能彎曲和裂開。

“黏土擠出的性質(zhì)使得結(jié)果的理論計(jì)算很有挑戰(zhàn)性，”喬根森說，“盡管已經(jīng)做了一些開發(fā)算法的工作，能幫助預(yù)測(cè)黏土在擠出情形下的流動(dòng)?！眴谈谝淮慰鐚W(xué)科合作中，求助于達(dá)米安·利奇（Damien Leech）的專長(zhǎng)，希望開發(fā)計(jì)算模型預(yù)測(cè)特定的沖模的幾何性質(zhì)如何影響擠出黏土所需的壓力。利奇過去是CFPR的理論物理學(xué)家，目前在比利時(shí)的微電子研究中心（IMEC）工作。喬根森補(bǔ)充說：“盡管經(jīng)驗(yàn)主義的試驗(yàn)依然是研究的核心方法，但理論建模已經(jīng)被證明具有無法衡量的價(jià)值，對(duì)于在現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)中最好配置哪些幾何性質(zhì)的沖模，它能提供一種基本的理解?！?/p>

團(tuán)隊(duì)也在建立加工的工作流程，使得用于3D打印的新式?jīng)_模設(shè)計(jì)能夠迅速制造出原型，進(jìn)行測(cè)試，從而為陶瓷擠出在高性能工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮用處開辟一片天地。最重要的是CFPR與英國(guó)國(guó)家復(fù)合材料中心（NCC）的研發(fā)合作。他們對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）的擠出工藝的潛力充滿興趣。CMCs這類材料是將陶瓷膏體與無機(jī)黏結(jié)劑相混合，提升材料在機(jī)械負(fù)荷或熱機(jī)械負(fù)荷下的破裂韌度。

CFPR與NCC的合作正在進(jìn)一步明確工序細(xì)節(jié)，包括配套工具、夾具、組件和工作流程。然而，長(zhǎng)期而言，他們瞄準(zhǔn)的是發(fā)電和航天產(chǎn)業(yè)的各種應(yīng)用，CMCs在那些領(lǐng)域中被越來越多地用于高溫隔熱系統(tǒng)。喬根森說：“擠出工藝是一種制造CMCs的新穎方式，這項(xiàng)研究為我們打開機(jī)會(huì)之窗，使得我們能夠制造出具備奇特幾何性質(zhì)的CMC部件，譬如有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的管道?！边@樣的CMC管道引起了下一代核電站的興趣。喬根森和同事們正在探索用未燒制黏土和纖維混合物制造低碳建筑構(gòu)件的擠出工藝，其具有支持英國(guó)的建筑材料實(shí)現(xiàn)凈零碳排放目標(biāo)的潛能。

開放性思維與商業(yè)的開始

如果說融合、合作和共同創(chuàng)造是CFPR科研模式的基礎(chǔ)，那么中心里聚集的藝術(shù)家、設(shè)計(jì)師、科學(xué)家、技術(shù)專家在傳統(tǒng)和數(shù)字印刷中的跨學(xué)科相互合作也很重要。

具有不同背景的人被聚集到一起，有來自產(chǎn)業(yè)界的科研人員，也有來自學(xué)術(shù)界的學(xué)者。專長(zhǎng)與經(jīng)驗(yàn)相互補(bǔ)充，支持CFPR廣泛的、跨國(guó)的學(xué)術(shù)合作和產(chǎn)業(yè)合作。他們的商業(yè)合作伙伴包括專業(yè)印刷公司、陶瓷制造商、跨國(guó)高科技公司。他們的聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目覆蓋范圍廣，有既定目標(biāo)的受委托研究，可行性研究，先進(jìn)材料、工藝和完整印刷系統(tǒng)的共同開發(fā)。

顯然，CFPR在合作上沒有明確的規(guī)則，而它的宗旨說到底就是一條：在先進(jìn)印刷實(shí)踐中，將開放性思維的思考與創(chuàng)意、科學(xué)、技術(shù)創(chuàng)新相結(jié)合。

資料來源 Physics World