从形似到神似：1.3版自由成形再创辉煌

2025-09-29 历史故事版权反馈

【摘要】：难道自由成形技术已走到尽头，再无前进的出路了吗？美国、英国和德国的一些大学及研究机构在近几年进行了全新的探索，他们的研究方向不再局限于自由成形工件的形状与精度，重点是使其“神似”——成为功能器件。因此，只需将喷墨打印机通常用的墨水变更为自由成形所需的特殊“墨水”，就能实现二维／三维的自由成形。

难道自由成形技术已走到尽头，再无前进的出路了吗？

美国、英国和德国的一些大学（如康奈尔大学）及研究机构在近几年进行了全新的探索，他们的研究方向不再局限于自由成形工件的形状与精度（“形似”），重点是使其“神似”——成为功能器件（functional device）。这些器件具有以下特征：

1）功能性（functionality），成形的器具除形体结构与真实产品相似外，还必须具有近似的机械、电气、力学、光学、化学、生物等性能（或这些性能的组合），因此是能起作用的活性器件（active device）。

2）完备性（completion），成形的器件是完整的器件（complete device），而不是单个零件，而且不拆分就直接整体自由成形。

3）多种材料（multi-materials），由于必须达到上述要求，成形原材料通常有若干种。

4）多重工艺（multi-processes），由于必须达到上述要求，成形时通常需采用多个成形头，用不同的材料和不同的工艺参数来成形器件的不同部分。

这种器件即使其尺寸精度目前暂时尚不能完全达到真实产品的要求，但是完全可用于产品功能的测试，所以能大大缩短新产品的研制周期，这是减成法工艺难以实现的。(https://www.chuimin.cn)

用自由成形工艺直接制作功能器件的关键是：实现自由成形工艺的机器必须能采用成分、形态和规格广泛的多种成形原材料。美国等大学和研究机构解决的途径是：采用微滴喷射（Micro-droplet jetting）来制作自由成形所需的一层层小薄片截面，这种方法利用精细喷头喷射体积为微升^[1]（μL）至飞升^[2]（fL）的各种“墨水”微滴，此微滴沉积在基板上逐步堆积成三维结构。由于微滴喷射成形起始于三维打印快速成形（3D Printing），因此现在许多人将微滴喷射成形统称为三维打印自由成形（包括传统的熔融挤压自由成形）。目前，微滴喷射用的喷头主要有：热泡式喷头（thermal bubble jet）、压电式喷头（piezoelectric jet）、微注射器（micro syringe）式喷头、熔融挤压式喷头等几种。其中，热泡式喷头和压电式喷头是喷墨打印机上十分先进而成熟的产品，其喷嘴直径为微米级，每个喷头上的喷嘴数可达1000个以上，喷射液滴的分辨率dpi（每英寸长度上可喷射的液滴数目）值可达到1000以上。因此，只需将喷墨打印机通常用的墨水（ink）变更为自由成形所需的特殊“墨水”，就能实现二维／三维的自由成形。

目前，典型的微喷自由成形功能器件可分为：功能陶瓷器件、功能机电器件、功能梯度材料构件和功能生物医学器件四大类。

根据报道，针对功能器件的自由成形，国外还研制了相应的“墨水”，采用这些墨水和微喷自由成形系统直接成形了功能机电器件、功能陶瓷器件、功能梯度材料构件和功能生物医学器件等。其中，功能机电器件有：立体电路、场效应晶体管、电阻、电容、电感线圈、静电电动机、RFID（无线电射频识别）电子标签、有机电致发光显示器（PLED）、太阳能电池等，功能生物医学器件有组织工程支架（scaffold）等。

上述成果为自由成形技术开辟了全新的方向和途径，使得采用加成法工艺可以直接成形减成法所无法直接成形的一些功能器件，从而为蓬勃发展的新材料及其成形提供了一种便捷而低廉的有效手段，并且极有可能成为自由成形技术发展的第二个里程碑。

近年来，我国的一些高等院校也开展了有关微喷自由成形的研究，其中多数侧重于喷头的理论分析（例如数学建模和仿真分析），较少见到成熟的系统；有关“墨水”的研究论文不少，但其实用性尚未经证实，因此差距比较明显。

上海富奇凡机电科技有限公司经过多年的努力，利用热泡式喷头已研制和生产了具有自主知识产权的三维打印机，在此基础上又研制了一种可方便拆卸喷嘴的压电式喷头，以及商品化的微注射器式自由成形系统。该系统可以配置1～4个喷头，喷头为全不锈钢结构，喷射推力大；能喷射用户自行设计或选择的由聚合物、金属或陶瓷等构成的溶液（水溶液或溶剂溶液）、胶体、悬浮液、浆料或熔体；喷头中设有加热装置（最高可达200℃），能根据需要通过加热改变原材料的粘度，以便获得所需喷射性能的流体；喷嘴不易堵塞，可快速、方便地进行拆卸、清洗和安装；料筒易于清洗，可方便地更换其中的成形原材料；系统运行时，可实时在线调整喷头的加热温度、喷射流量和移动速度，以及工作台的移动速度，以便优化成形工艺；工作台上还可设置附加中空冷却／加热台，能通入循环冷却介质或加热介质，以便冷却／加热正在成形的工件。

从形似到神似：1.3版自由成形再创辉煌

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