3D打印中使用的一些材料通常不是很好，甚至在环境中不能降解。不过，一些开发商和制造商正在努力开发更环保的材料，同时提供设计师所追求的机械性能。以下是对雷蒙德·维特坎普博士的采访，他是一家位于伯克利的3D打印初创公司的创始人，深入分析．我们谈到了一种通过3D打印制造工程级零件的新材料，以及它如何有助于减少碳足迹。
强积金:你的新材料是什么，COR Alpha?
RW: COR是我们在polySpectra公司发明的一种新型光聚合物的首字母缩写，它代表环烯烃树脂。COR Alpha是这些材料中的第一种。我们还有一种叫做COR黑色的材料，它和COR相似，但是是黑色的。
COR Alpha在带来新功能方面比较有趣。循环烯烃树脂中发生的基本化学反应是基于一种叫做烯烃复分解的反应。里面的催化剂，其中的化学成分是基于我的博士导师，鲍勃·格拉布斯，在2005年获得了诺贝尔奖。我没有发明任何与他获得诺贝尔奖有关的东西。当我还是加州理工学院的研究生，为他工作的时候，我发明了一个人们称为格拉布斯催化剂的版本。所以(这种材料)是获得过诺贝尔奖的催化剂的一个版本，只有当你用光照射它时才会被激活。
从化学的角度来看，这为立体平版印刷，光聚合，或树脂印刷，不管你怎么称呼它，实际上是一种全新的化学机制和印刷流形。因此，这与自1983年查克·赫尔发明立体光刻术以来40年来的两种主要机制形成了对比，一种是光基系统，一种是光酸催化剂系统。这就提供了第三种机制在化学方面有很多好处。主要的价值主张，就如何影响设计师和工程师而言，是围绕着能够获得非常坚固的材料，具有非常高的工作温度，非常高的韧性，非常高的耐化学性，耐候性和耐久性。
COR Alpha是第一个，也是我们长长的产品线中的第一个。从外面看，这台打印机看起来和其他打印机没什么两样。在polySpectra，我们不生产打印机，我们与硬件合作伙伴合作。在化学上，内部发生的变化，与传统树脂完全不同，这使我们能够获得立体光刻领域在过去40年里难以实现的特性。
强积金:考虑到它的高耐热性、高强度等因素，你认为这种材料的最佳应用是什么?
鲁:我们正在做很多事情。我想把它们联系在一起的是……最好的应用程序往往是那些具有最苛刻的使用要求的应用程序。所以它们都是某种工业增材制造应用。
强积金:喜欢汽车吗?航空?
RW:汽车，航空航天，商业航空航天，国防航空航天，以及实际的外层空间和近地轨道应用。
我们也一直在测试商用航空部件。我们在电子产品、连接器和外壳方面做了很多工作，其中一些最终会用于汽车和飞机，但也会用于消费电子设备。机器人和自动化是我们另一个非常重要的应用领域。
对于SLA打印已经足够好了的东西，我们没什么用。如果你只是想要一个漂亮的原型放在架子上，或者你只是想测试一些东西，然后把它扔掉，你不会关心它的属性。我想说，我们更感兴趣的是，我们真正能帮助人们的领域，是增材制造，而不一定是3D打印，如果那有意义的话。
我想说的是，直接终端使用组件是我们投入精力最多的地方，尽管在人们所说的快速工具方面有很大的市场，而且实际上，polySpectra的很大一部分客户正在使用COR Alpha进行某种形式的快速工具。所以，制作模具镶件，例如，注塑或吹塑，所以快速模具也是一个重要的工具。但我个人对直接生产终端使用部件很感兴趣，在这一步中，你可以做出你想要的东西，以你想要的形状，有足够耐用的特性，可以安全使用，消费级产品，所有这些都在一步中完成。
MPF:很多光聚合物的一个问题是，随着时间的推移，它们要么会降解，要么会变黄。你会停止光的相互作用吗?
RW:光聚合物是一件很棘手的事情，对每个人来说都很棘手，不管机理如何，部分原因是你首先要用光来治愈它们。所以你要做的很多事情，比如说，用热塑性塑料填充黑色颜料和紫外线阻挡剂，你不能真正衰减光聚合物中的所有光，因为你要用光来触发聚合。所以降解的一些方面，我想说，是普遍的，这与你用哪种树脂化学无关。我想说，在这方面，我们肯定比一般的树脂更好。部分原因是我们从非常惊人的性质开始。所以我们从非常非常高的抗拉强度和管道失效开始，非常高的工作温度，几乎没有吸湿性，这可能在降解中起作用。所以，其中一些降解过程是由光、氧和水分催化的。如果你的头发水分扩散能力很差，那就有帮助了。
我想说，我们在紫外线降解方面比平均水平要好。然后，实际上，我们还想出了一些非常有创意的解决方案，我们与不同的涂料公司合作，完全消除了这种污染。
最近的一个令人兴奋的是和Cerakote公司的合作，我们在将近一年前的RAPID会议上见过他们之后就开始了有趣的合作，在那里我们看到他们有这种坚固的涂层。他们说:“嘿，我们有最坚固的涂层，你们有最坚固的材料，让我们把这些东西结合起来。”
我们从他们的一个产品系列开始，它在紫外线抑制方面做得最好。我们给它涂上了黑色C系列Cerakote喷雾涂层，尽管它是一种喷雾涂料，但它非常薄。它并不会改变零件的尺寸。然后我们把它放进一个QUV室，就像一个湿热的风化室，它什么也没发生。我们运行了，我想第一个时间点是1000个小时，这是他们的第一个初始检查点，没有任何变化。所以，他们把它放回去，它还在运行。我们要一直跑，直到有坏事发生。也许一种涂层可能不是所有应用的最佳解决方案，但这是我们将这种最好的涂层系统与我们最好的热机械基础材料的合作伙伴结合起来，以释放超级耐用的组件。
强积金:它有什么样的碳足迹?
罗:这是个好问题。我花了很多时间研究可持续性和增材制造的交叉点。有许多不同的组成部分来计算[材料]的总生命周期能量。当你把3D打印和注射成型比较时，最重要的一个就是过程能量。
那就是，用来确定材料形状的能量是多少?在成型压力机中，这将是保持模具热的能量，并将沉重的压力机与气动和高热结合在一起。我们主要做DLP打印机，所以在立体平版印刷中，能量包括打印机的电力。在我们所做的具体研究中，我们对此进行了基准测试(参见参考资料)。
说句公道话，如果你要做模塑和印刷，那么你必须包括后期加工的能量。对于COR Alpha，在你打印零件后，我们在烤箱中烘烤零件大约两个小时，以达到COR Alpha的高工作温度这种材料的玻璃化转变大约是170摄氏度，根据定义这是必要的。
因此，COR Alpha的过程能量将是打印机的功率，加上烤箱，相对于注塑机。我们的测量，基于这个研究，....，即印刷COR Alpha，总工艺能耗比注塑机低50至100倍。即使是烤箱，因为....一旦你把烤箱的温度调高，这就不是什么大问题了。
然而，在模压机中，它们很重，它们必须保持很高的温度，并有气动活塞来驱动它们。所以，确实有很多过程能量。基本上，打印我们的东西，在这种情况下，我们的基准打印机，是一台Origin打印机，它现在是Stratasys的一部分。这是注塑压力机的1%到2%，所以节能50到100倍。
如果你想一个典型的注塑模具零件，我有一次很有趣的机会向比尔·盖茨解释这个，我给他看一些乐高，是ABS塑料的，我说，“好的，比尔，这个乐高积木三分之一的碳足迹来自于你必须把它塑造成乐高的形状的那一步。对吗?”从这个角度来看，你可以保存，....从成型到印刷，基本上可以减少这种聚合物产品三分之一的碳足迹。
它变得有点复杂的地方是现在你必须开始思考什么是所谓的材料的内含能。你可能会问，“好吧，每公斤塑料排放的二氧化碳相当于多少公斤?”或聚合物?
比如聚乙烯或聚丙烯，也就是牛奶壶、塑料袋之类的东西。这些实际上是非常高效的。它们的碳足迹很低，因为乙烯和丙烯在开采石油的过程中是不含碳的。
与聚乙烯或聚丙烯相比，COR Alpha的总蕴含能量要高得多，但与更多的工程塑料相比，如ABS或Delrin或Peek，在制造这些聚合物的过程中，你说的是7、8、9、10公斤的二氧化碳当量。最重要的是，根据你所比较的聚合物，我们可以节省三分之一到三分之二的聚合物组分的总蕴含能量。在30%到65%之间取决于你的基准测试。这是非常巨大的。仅仅在美国，如果这被广泛采用，那将会占到美国能源的百分之几，如果你开始转向我们的工艺而不是注射成型。
还有一个更大的碳足迹机会，是我一直在做的一个项目，我们称之为“无质量”(Massless)，这个项目的任务是利用数字化制造，在2050年前将全球能源使用量减少25%。…这个无质量的想法和无质量的任务是，如果你能在当地制造一个部件，或者即使你能在终端用户所在的大陆上制造，那你就能开始节省两位数的全球能源消耗。
因为另一件大多数人不喜欢的事情是你iPhone的组件飞了半个地球，四五次才组装好，然后送到仓库，再到你这里。所以在世界范围内移动的物质对环境的影响是巨大的。而且，在美国，大约30%的能源用于运输燃料，用于运输物品。
这就是人们称之为虚拟仓库或分布式数字制造的原因。这将需要最长的时间才能实现，因为这涉及到整个地球供应链的完全行为改变。但这种影响是疯狂的。而且节省的能源规模非常大。
强积金:当产品到达生命周期的末尾时会发生什么?这种材料容易降解吗?
RW:目前，我们主要关注的用例是，优化总隐含能量和碳足迹的最佳方法是让某些东西永远存在。在制造容易回收或可生物降解的材料和使其成为有史以来最坚固、最坚韧的材料之间，往往要做出取舍。我们主要关注它的耐用性和节约能源，比如说，在前端，而不是通过更循环的方法，但我们正在与一些合作伙伴和供应商制定一些不同的寿命结束策略，他们多年来一直在生产类似的材料。我们有一些合作，更多的是在研发方面，我们在考虑如何回收或赋予材料第二次生命。但这很棘手。
我们也对任何消耗品不感兴趣。…我认为有很多人认为，因为地球上的塑料有很大一部分是热塑性塑料，可以回收，他们认为许多塑料必须是可持续的。”这可能是真的，如果它真的被回收。我当然认为有很多惊人的应用需要循环经济的方法。我和很多这方面的先驱都是朋友。人们的整个职业生涯都在聚合物回收领域工作，就像迈克·比德尔，这真的很重要。与此同时，它并不能解决所有问题。
还有很多种类的聚合物因为化学的原因不容易回收。所以它不是黑白的，“哦，它是可回收的。”它必须是环保的。“不是，一定很可怕。”实际上有很多细微差别，而且可能非常复杂。
MPF:让我们把话题转到设计方面。考虑到这种材料的特性，机械或电气工程师在用它进行设计时是否需要考虑任何具体的挑战?
RW:我想说的是，我们非常努力地在DLP的正常设计范围内满足我们的设计要求。你可能想用我们的材料采用一种稍微不同的支撑策略，而不是非常脆的丙烯酸酯，我想说，在丙烯酸酯中，你可能需要更多的晶格型支撑结构。我们肯定是在正常的设计角色中，人们习惯在DLP中，或这种像倒挂SLA打印，它比自上而下的系统有一点限制，但你有不同的好处，在可用的材料上。
我想说的是，在设计方面有一点挑战性的是，如果人们想用我们的材料做非常薄，非常高的结构，因为它在打印机外还没有达到它的全部强度;它会在烤箱里充分发酵。这通常不会妨碍我们与熟悉DLP打印或SLA打印的客户进行合作。但这可能是与标准丙烯酸酯相比的缺点之一....
强积金:我认为这只是考虑到材料的硬度是经过烘焙的。所以，这是你必须记住的因素，无论你在设计什么，要认识到有一个额外的步骤将最终交付你所寻找的力量。
RW:没错。我们非常努力地建立一个流程，它通过这两个步骤，并保持一个非常高的准确性。如果你真的很瘦，这就很难做到，因为你很容易受到任何偏差的影响。
强积金:材料在烘焙过程中会像金属一样收缩吗?
RW:不,真的。这并不是我们的计划，但当与光基树脂相比时，它被证明是非常有价值的——在我们的过程中几乎没有体积收缩。其中一些来自于聚合机理的本质，这被称为转移聚合开环。
在立体平版印刷中，最基本的限制因素之一是感光聚合物的收缩。有一种基本的地板叫做随机噪声收缩。当我们开始更多地涉足这个领域时，我们发现这种非常低的收缩率使我们能够打印出比传统丙烯酸树脂尺寸稳定性更好的零件。
我们想出了一个新产品，我们现在开始推出称为COR治愈的人谁有一个正常的烤箱，我们可以保护部分，只是烘烤它....
我们绝对不会让人们在家里或办公室打印。它需要个人防护装备和化学安全规程。它更像是一种严肃的工程树脂。但是，我们关注的大多数客户都处于增材制造的最前沿，在他们的工厂或研发中心做这些事情。我想我会说，我们正在努力让它变得容易理解。它还没有准备好让人们在他们的车库里打印，但我们正在朝着这个方向努力。
我们使用的三台打印机，我们公开宣布的都是Asiga的打印机，都是DLP 385纳米DLP系统。大约一个月前，我们与Stratasys在RAPID ....上宣布了Origin One的消息还有一台EnvisionTEC的打印机，现在叫做ETEC，我们支持的叫做E-One。还有更多的正在准备中。
我对增材制造非常兴奋，我终于觉得这是一个真正的生态系统。现在有了一个真正开放的市场，一个开放的生态系统。人们正在进入不同的细分领域，我觉得这很有趣，也很有活力。而且，无论是专门印刷零件的服务局，还是专门从事小众应用领域的公司，我觉得这个领域现在已经形成了一个更加健康的生态系统。这更具有协作性。
引用:
未来无质量:https://massless.dev/
为什么3D打印是对抗气候变化的关键部分:https://medium.com/polyspectra-wavefront/why-3d-printing-is-a-critical-part-of-the-battle-against-climate-change-726e493a3f58
美国能源部拨款5790万美元用于减少工业排放和生产清洁能源技术:https://www.energy.gov/eere/amo/articles/doe-awards-579-million-reduce-industrial-emissions-and-manufacture-clean-energy
了下:快速制造零件
