很多时候，小名比大名叫的还响亮，比如说我们都听过小明，但是谁也不知道谁是小明。
今天，靖哥就来说说这么一个名字的故事，比如家喻户晓、妇孺皆知的3D打印，它户口本上的名字肯定是“增材制造”，错不了。
只是做媒体的人觉得跟大众解释“增材制造”实在是太伤脑筋，于是就告知，这个技术就是用打印机打印出来一个三维的物体，于是“增材制造”的小名深入人心。印象至深，以至于今天很多人见了靖哥还问3D打印除了油墨还能打印什么材料。
其实增材制造能够打印的就多了去了，从金属的、陶瓷的、聚合物的这些工业用品，到盖房子、外太空探索的、以及我们拿来吃的，都有能做的。
不过增材制造下的一个加工工艺，它的大名才是3D打印。这种工艺就是材料喷印（Material Jetting，MJ）成形技术了。它还有一个大哥，是粘结剂喷印成形（详情见：靖哥3D打印 | 第46期 粘合剂喷射成形技术）。
材料喷印，就是用我们看到采用打印油墨的喷头，将成形材料逐层喷印出来的一种技术，因其所得的产品是三维的，故而名为3D打印。
▲图1 MJ技术流程（剪辑自Stratasys）
历史
大约在1994年，Solidscape（当时名为SandersPrototype）推出了第一款商业化设备，将蜡融化后用喷头喷印出来，没有别的原因，简单、便宜、刚好能用。随后在1996年，3D Systems就加入了行列，推出了后来被名为Thermojet系列的设备，一样打印简单、便宜、加热就融化的材料。到1998年的时候，以色列的Objet宣布成立了，从此为该技术流带来一股清流；Objet打印光敏树脂材料。短时间材料喷印技术领域形成了三足鼎立之势。
后来，在2011年， Solidscape就被Stratasys收购了；再后来，在2012年，Objet也和Stratasys合并了。然后，就剩下了两个大佬Stratasys和3DS了，而他们的主要材料依然是光敏树脂和蜡。
▲图2 材料喷印技术3DS与Stratasys
技术背景
这个狭义上的3D打印技术（材料喷印技术，以下用MJ代替）确实是2D打印技术的延伸，从直接使用2D的打印机喷头这一点足以证明。MJ发展开始就已经是站在了高个的肩膀，这些高个子包括HP，Canon，Fujifilm等公司；不过吃亏也恰恰吃在了对于现有基础——传统打印机喷头的依赖。正如老子所曰，福兮祸之所伏。
1. 材料要求
一般情况，MJ的原料粘度和表面张力要在一定范围。粘度太高就很难打印出来，毕竟我们没有在喷墨打印机用过那么粘稠的油墨；另外表面张力也要在合适范围，否则也难以分离成为液滴，一般会添加表面活性剂来调节张力；还有就是打印温度不能太高，否则会破坏打印喷头。比如说3D Systems一些设备，使用的是热熔材料，在工作温度130°C时，材料粘度为18~25 cp，表面张力为24-29 dyn/cm（来源3D Systems）。
i. 张力
液体的表面张力复杂来讲就是系统为了保持能量最低，把处于表面的分子往里面拽的一种力；简单来讲就是液体保持总表面积的最小。这个理解需要有一定的外界条件，不过对于今天讲的够用了。
在用喷头将材料喷印出去的时候，需要将连续的液态给分散成许许多多的小液滴，也就是大幅度的增加了表面积，也就是说要克服表面张力而做大量的功。所以表面张力的大小与液滴成形的难易度、液滴大小都是相关的。
ii. 粘度
不难想象，像沥青那样的粘度即便是直接挤出来都是麻烦，更不用说打印了。对于喷头可以喷印的材料粘度，直观的说，可以打印的最大粘度也就是我们做饭用的菜籽油在常温下的状态；酸奶那个粘度就不要想了；石蜡在130°C的情况下粘度大概10cp左右，可以直接使用，所以这也是为什么石蜡最先被Solidscape相中的原因。
粘度的配比——为了得到合适的粘度，可以适当提高材料温度；或者将高粘度的材料用低粘度溶剂稀释或者悬浮。
比如说很多光聚合材料的粘度就需要通过加热来降低。温度也不能太高，不然预聚物就会开始聚合，从而导致粘度增加，而且有可能堵塞喷头。
而对于一些粉末材料，则会选择稳定剂形成悬浮混合液，从而得到合适的粘度，比如最近Xjet在研发的金属、陶瓷低温喷印烧结技术。
iii. 温度
打印机喷头里面有很多的电子元器件，因而不能连续工作在高温条件，一般要求在160°C以下。对于金属而言，如果直接熔化打印，则需要选择低温合金。比如熔点只有47°C的Bi–Pb–Sn–Cd–In合金；当然，说起单质来，水银常温下都是液态，镓可是拿在手里都会化掉的固体。
▲图3 低温合金喷印打印技术的样品
iv. 收缩比
当材料从液态转化为固态时，由于相变、光固化或者低温烧结等原因，材料的体积会发生一点的变化。液体与固体之间差异小的材料，在打印完成后容易得到更高精度的产品；反之，液固体积差异大的材料由于会发生收缩，从而导致成形精度降低。
2. 工艺要求
影响打印的精度的包括喷印的频率，喷射的速度，喷头移动的方式（光栅式 v.s.矢量式），以及3D打印技术共有的一些影响因素。
对于喷墨打印，常用的有两种打印机喷头，一种瞬时加热产生气泡挤出液滴；另一种是通过压电陶瓷振动挤出液滴。不过介于热喷印有可能会破坏敏感材料，因而在MJ技术中几乎都在使用压电陶瓷挤压的方式。
▲图4 材料喷印技术中液滴生成方式（左为压电式，右为加热式）
压电陶瓷形成液滴的方式还可以通过控制波形、振幅等来操控液滴的大小和速度，因而使用更多种类的材料。
▲图5 压电喷头通过波形频率控制液滴大小、形状
液滴在到达底板或者上一层成形的材料上时，需要迅速的变为固体或者半固体，以维持其打印的形状。固化的方式主要分为三种：冷却凝固；光照固化；低温烧结。对应的材料以此是：蜡等低熔点聚合物、金属；光敏树脂；纳米颗粒（XJet）。
应用领域
和其它增材制造工艺一样，MJ的应用场景更多的由设备的拥有者决定。不过，依然有些产业应用MJ技术更具有优势。Stratasys在其网站上给出了以下的案例，跨越工业领域、建筑领域、消费领域、医疗领域和教育领域。
▲图6 材料喷印技术应用领域（图片来自：Stratasys）
其中有以下几个领域在应用上占领了一定的优势：
工业领域的概念设计：MJ技术在喷印的时候可以附以色素喷印，因而可以得到接近于全彩的器件；同时，多种材料混合，就可以打印功能性梯度材料。
消费领域的珠宝首饰：得益于喷墨打印技术的精确控制，材料喷印可以得到高精度的腊模，而后通过失蜡法可以获得精致的首饰等。
▲图7 失蜡法的首饰及腊模（图片来自：Solidscape）
医疗领域的助听器：3D打印制造助听器是这个行业革命化的一个变化，从第一家供应商使用3D打印到整个行业迁移到3D打印，仅仅用了大约500天的时间
设备价位
根据可用材料的种类，以及成形空间的大小，材料喷印成形设备的价格从大约2万美金到大约70万美金。至于材料消耗，大块头的设备材料消耗也很昂贵，首先装满Objet1000就需要大约4万美金；而材料单价$1000/kg，而银的价格只是$643/kg，真是贵的不要不要的。
▲图8 Objet系列设备对比（设备图片来自Stratasys）
技术挑战
1. 材料
i. 粘度限制
当前的喷头沿用了传统喷墨打印喷头，因而粘度上限制了很多材料。对于那些高粘度的材料，可以通过熔化、溶解、混合来制取，这些依然只是解决了一部分材料的问题；而且带来的新问题包括喷头的堵塞。比如，粉末或者溶质可能会沉淀或者析出，导致喷嘴的永久堵塞，这个问题在Xjet系列的设备中将会更加明显。
ii. 粉末材料收缩比限制
材料在液固态转变的过程中收缩比也限制了其所能达到的精度。3DS研发的一些光敏聚合材料具有较小的收缩比，因而可以更大程度发挥打印喷头的精度优势。然而固态悬浮材料一般体积占比会低于50%，在很多科研中实际粉末的体积比会更低，如在有机溶剂中悬浮的氧化锆粉末体积约为15%。 这样成形的最终零件将会有很大的收缩比，这也将直接导致MJ技术路线无法成形较大的以粉末为基材的零件。
为什么收缩比大的材料不能进行大尺寸零件的打印呢?
用一个在固化后线性收缩比为20%的材料来讲解（按体积比率缩小50%）：
举个例子，1个1cm大小的器件，在各个方向就收缩2mm。收缩过程不均匀带来的误差是1mm级别的；
倘若是1个10cm大小的器件，在各个方向就要收缩2cm。收缩过程不均匀带来的误差就是1cm级别的。而且这个过程还没有考虑大尺寸的器件由于自重会与底板有更大的摩擦力，从而带来更大程度的误差和应力。
材料高收缩比的问题在所有使用溶剂/悬浮剂的材料都存在。比如3D打印陶瓷公司Lithoz的材料Lithalox HP500（氧化铝），在烧结后达到99.3%的密度时，相比于固化的坯件线性收缩率为19.7%。而Lithoz这种工艺，所采用的材料其粘度远高于材料喷印技术。
因为高粘度材料无法喷印的原因，材料喷印技术粉末体积比会在30%以下，因而需要达到同样的密度，其线性收缩比约为33%。而对于粉末在悬浮液中体积比只有15%的情况，可以预见烧结后收缩比会非常高。
▲图9 Lithoz所用的光敏树脂与陶瓷粉末的混合材料
因为高收缩比，所以烧结等后处理无法逐层完成，需要在整个零件整体成形结束后进行。所以低温纳米烧结技术在处理金属或者陶瓷灯材料中的优势将会荡然无存。
2. 设备
喷头堵塞是使用材料喷印技术设备常见的问题。因此大量的准备工作、检修、维修会花费在打印机喷头的维护上，而且很多设备还需要备用喷头以防不时之需。
当前打印机喷头技术对于液滴喷射的速度、形状等的控制非常的有限。
如果可以使用高粘度材料的喷头被研发出来，那么MJ技术将会实现质的飞跃。然而，精度和力度在一定程度上更是难以兼得；而力度则决定着可以打印的材料的粘度。
当前，打印机喷头生产技术主要还是掌握在日美等国家的企业手中，我国在打印机喷头方面也正在投入更多的研发，也希望可以尽快取得重大进展。而打印机喷头的研发，才是这项技术的重中之重。
总结
毫无疑问，材料喷印技术的大名被当做整个行业的标称，充分体现了这个技术与传统技术的衔接。依赖于现有技术，MJ技术得到了迅速的发展；而唯有在此基础上大幅度的提升，MJ技术才能够取得更广泛的应用。我国在此领域技术基础依然薄弱，同仁仍需努力。
延伸阅读：《详解：粘合剂喷射成形3D打印技术》
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来源：靖哥3D打印
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