3D打印需要什么样的“墨水”?(四)

摘要

如果需要加工一件塑料制品,我们先将它横向分割成若干个薄层,再把每一个薄层沿纵向分割成若干细条,那么这件塑料制品就可以看成由许许多多非常细的塑料条所组成。如果这些塑料条能够通过挤出机逐步地加工出来,那么我们就可以非常方便地通过3D打印的方式来加工这件塑料制品。

把样品“挤”出来

各式各样的塑料制品几乎遍布我们生活的每一个角落,那么它们是如何被生产出来的?你或许已经了解,这些塑料都是由无数小分子相互反应而来,例如乙烯分子相互反应就得到了常见的一种塑料——聚乙烯。

但你如果认为在生产聚乙烯的工厂里,工人们在机器的一头通入乙烯的气体,机器的另一头就源源不断地生产出聚乙烯的瓶子、水杯、饭盒,那就大错特错了。工厂提供给你的,只会是聚乙烯的粉末或者小颗粒。要把这些粉末或者颗粒转化成聚乙烯的制品,我们还需要更进一步的加工。

在众多塑料加工方法中,挤出成型是比较常用的一种。这种方法首先将塑料粉末或者颗粒添加到挤出机的末端。挤出机内的高温使塑料熔化,变得可以流动。熔化后的塑料在转动螺杆的带动下从机器的末尾逐渐向前移动。挤出机的最前端有一个开口,熔融的塑料从这里离开挤出机,然后迅速被冷却,塑料的形状就重新被固定下来。塑料被赋予什么样的新形状,完全取决于挤出机开口的形状。如果开口是一个圆,那么我们会得到一根根塑料棒;如果开口变成五角星形状,那么塑料棒的横截面也相应地变成五角星;如果开口是一条狭缝,那么我们就可以得到薄薄的塑料膜。这样的塑料加工过程与挤牙膏有几分相似,这就是 叫做“挤出”的原因。

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3D打印需要什么样的“墨水”?

那么挤出成型与3D打印又有什么联系呢?如果需要加工一件塑料制品,我们先将它横向分割成若干个薄层,再把每一个薄层沿纵向分割成若干细条,那么这件塑料制品就可以看成由许许多多非常细的塑料条所组成。如果这些塑料条能够通过挤出机逐步地加工出来,那么我们就可以非常方便地通过3D打印的方式来加工这件塑料制品。

有了基本的构想,接下来我们要做的就是建造合适的3D打印设备。我们首先需要将要使用的塑料预先加工成非常细的丝,它将成为我们的“墨水”。接下来我们将丝的一端与马达相连,另一端穿过一个加热装置与喷嘴相连。这个喷嘴可以在电脑控制下左右移动。当加工开始时,我们先启动与喷嘴相连的加热装置,让喷嘴内的塑料升温到可以流动;转动的马达不断将塑料细丝推向喷嘴,于是熔化后的塑料就源源不断地从喷嘴中被挤出。接下来,喷嘴在电脑控制下移动,将挤出的塑料细丝不断沉积到工作台的指定位置。塑料冷却凝固后,形状就固定下来,于是样品的第一层就加工好了。随后,工作台向下移动一定距离,让移动的喷嘴将熔化状态的塑料细丝沉积到刚刚加工好的这一层的指定位置,完成样品的第二层加工。随着这一过程的不断重复,整个样品就加工好了。这样的3D打印技术由于利用了熔融状态的材料,因此被成为熔融沉积成型(fused deposition modeling,简称FDM)。

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图1 熔融沉积成型的基本原理:塑料细丝经加热熔融后从喷嘴被挤出,沉积到样品台的指定区域[1]

与前文提到的立体平板印刷相比,我们不难看出熔融沉积成型这种3D打印技术的巨大优势。我们生活中常用的许多塑料,例如聚乙烯、聚丙烯、聚酯和ABS树脂等等,都可以通过挤出成型加工成相应的制品。因此,通过熔融沉积成型技术,我们也可以以3D打印的方式加工这些材质的样品。这不仅为我们提供了更为丰富的材料选择,而且也大大降低了使用者的成本,因为我们不再需要昂贵的感光性树脂。对于家庭、中小学、小型企业等难以负担昂贵仪器设备的用户,熔融沉积成型无疑是更为理想的选择。

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图2 用于熔融沉积成型的塑料细丝

不过一个问题随之而来:大多数塑料仅仅需要加热到100摄氏度左右就可以熔化,但金属、陶瓷等材料往往需要几百甚至上千摄氏度的高温才能熔化;显然,用熔融沉积成型技术来加工这些高熔点的材料并不方便。还有些材料在高温下不够稳定,这样的材料也无法通过熔融沉积成型技术进行3D打印的。那么我们是不是必须舍弃这些材料了呢?当然不是。

 

藏在粘度中的秘密

把纯净水打开并瓶口朝下,水很快倾泻而出;可是把番茄酱瓶口打开并倒置后,番茄酱却几乎纹丝不动,直到我们费力挤压或者敲打瓶子,它才会从瓶中流出。为什么会有这样的区别?你可能会说,番茄酱太粘了。也就是说,番茄酱比水更加难以流动,用专业的语言描述就是,番茄酱的粘度要比水更大。这样回答对不对呢?我只能说回答对了一半。因为这二者的差别还不止于此。

在一盆水的中央放置一个搅拌头,搅拌头启动后,原本静止的水受到扰动也跟着一起转动,我们说水受到了剪切力的作用。搅拌头高速转动时,水受到的扰动也非常剧烈,我们说这时候剪切速率比较高;相反,搅拌头低速转动时,水受到的扰动也相对轻微,这种情况下我们说剪切速率比较低。

如果在搅拌头的转速由低到高,也就是剪切速率由低到高的过程中测量一下水的粘度,我们会发现粘度没有任何变化。但如果把水换成番茄酱,情况则截然不同:搅拌头低速转动时,番茄酱很难被搅动,几乎像固体一样;然而随着转速的升高,番茄酱变得越来越容易流动,也就是说粘度变得越来越低。像番茄酱这样的液体有着一个特殊的称呼——剪切稀化流体。现在你可以理解为什么一定要用力挤压瓶子才会让番茄酱从瓶中流出——用力挤压增大了剪切速率,因此降低了粘度。

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图3 水和番茄酱的粘度与剪切速率的关系

剪切稀化流体在日常生活中非常有用,一个典型的例子是油漆。如果油漆的粘度像水那样与剪切速率无关,我们在刷墙时就会遇到很大的麻烦:油漆粘度太低,刷到墙壁上的油漆很快就会流下来,均匀地粉刷墙壁和天花板变得几乎不可能。如果把粘度提高呢?油漆倒是不会从墙上流下来,可是一面墙刷下来你恐怕就已经精疲力尽了。幸运的是,许多油漆都是剪切稀化流体,用刷子或者滚筒涂抹油漆时,相当于增大了剪切速率,油漆变得易于流动,因此我们不用费很大力气就可以把它刷到墙壁上。而粉刷完成后,剪切速率降低,油漆粘度大到难以流动,因此可以老老实实地停留在墙壁上直到漆膜彻底固化。

剪切稀化流体的这种独特的性质同样也帮了3D打印的大忙。前面提到,许多类型的材料要么需要非常高的温度才能熔化,要么稍微加热就变得不稳定,因此没办法用熔融沉积成型的方法进行加工。不过没有关系,我们可以把它们研磨成粉末,再设法把这些粉末分散到水或者其他液体中去。水的粘度本来与剪切速率没有关系,但是随着越来越多的粉末被分散进来,它也有可能成为像番茄酱那样的剪切稀化流体。把这样的流体添加到喷嘴中,只要施加一定的外力造成比较高的剪切速率,它就会顺畅地被挤出喷嘴。一旦被沉积到样品台上,剪切速率骤降至零,它的粘度又会大到让它在短时间内难以流动,几乎和固体没什么两样。这样一来我们就可以将这种“墨水”层层叠加,得到想要的样品。利用这种方法,许多曾经被认为无法用3D打印加工的材质,例如木材纤维、石墨烯、电池电极材料等等,现在都变得易如反掌[3]

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图4 正在加工食物的3D打印机[4]

当然,这种“墨水”粘度再大,仍然不是真正意义上的固体,时间一长,它还是会流动,导致样品变形甚至坍塌。所以,这样加工出来的样品通常需要尽快进行后处理使之彻底固化,例如通过加热使得液体挥发,只留下分散在其中的固体;或者通过化学反应将液体转变成固体,与原本分散其中的固体粉末连成一体。虽然这多少仍然会造成一定的不便,但毕竟使得3D打印的材质不再局限于塑料,仍然是不小的进步。

有的朋友可能会说,有了如此使用方便且成本低廉的3D打印技术,前面提到那些使用昂贵的感光性树脂的3D打印技术该从市场上销声匿迹了吧?事实并非如此。这是因为依靠挤出成型的3D打印技术同样存在着许多局限。一个比较明显的局限是,用这一类3D打印技术制造物品时,无论是使用塑料细丝还是剪切稀化流体,相邻的层与层往往不能非常好地融合,很容易看出彼此之间的界限,这很容易影响到成品的外观。而利用感光性树脂的3D打印技术在这一点上要好很多,因此虽然原料价格不菲,我们很多时候仍然离不开它们。

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图5 通过3D打印加工的巧克力,层与层之间的界限明显可见[5]

到目前为止,我们已经了解了两大类3D打印技术,或许你觉得它们仍然无法满足你的需求?不要紧,我们还有一招。

参考文献:

[1] Bethany C. Gross, Jayda L. Erkal, Sarah Y. Lockwood, Chengpeng Chen, and Dana M. Spence, “Evaluation of 3D Printing and Its Potential Impact on Biotechnology and the Chemical Sciences”, Analytical Chemistry, 2014, 86, 3240

[2] Ke Sun, Teng-Sing Wei, Bok Yeop Ahn, Jung Yoon Seo, Shen J. Dillon, Jennifer A. Lewis, “3D Printing of Interdigitated Li-Ion Microbattery Architectures”, Advanced Materials, 2013, 25, 4539

[3] Brett G. Compton, Jennifer A. Lewis, “3D-Printing of Lightweight Cellular Composites”, Advanced Materials, 2014, 26, 5930

[4] http://inhabitat.com/3d-printers-could-some-day-feed-astronauts-in-space/

[5] http://makingsociety.com/2012/04/choc-creator-first-commercial-chocolate-3d-printer/

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