AM易道學(xué)術(shù)分享 當(dāng)我們聊起FDM 3D打印，我們聊的是什么？ 層高、速度、溫度、回抽…… 這些參數(shù)我們已經(jīng)爛熟于心。我們把大量的精力投入到優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、改進(jìn)材料性能、完善切片算法上。

但今天，我想聊一個(gè)幾乎所有人都沒(méi)太在意的隱形幽靈—靜電。

最近發(fā)表在《自然·通訊》上的一篇研究《Direct observation of electrostatic charging in 3D printing》，可能會(huì)讓你關(guān)注新變量。

它告訴我們，F(xiàn)DM打印過(guò)程中產(chǎn)生的靜電，不僅普遍存在，而且電荷量大到驚人，甚至可以被精確調(diào)控，并有望催生一種全新的技術(shù)—直接打印準(zhǔn)駐極體（quasi-electrets）。

這事兒要是聊深了，可能就不只是模型沾點(diǎn)灰那么簡(jiǎn)單了。

FDM過(guò)程：一個(gè)靜電荷的完美風(fēng)暴

咱們先來(lái)琢磨一下FDM的打印過(guò)程。

耗材（通常是絕緣的聚合物）在噴嘴里被加熱熔化，通過(guò)一個(gè)狹小的孔道被擠出，在運(yùn)動(dòng)中與噴嘴內(nèi)壁、空氣、以及下面的打印平臺(tái)或已成型的圖層發(fā)生摩擦、接觸和分離。

同時(shí)，材料本身也經(jīng)歷了從固態(tài)到熔融態(tài)再到固態(tài)的劇烈相變，內(nèi)部還承受著復(fù)雜的應(yīng)力梯度。

這篇研究指出，這個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)直就是教科書(shū)級(jí)別的靜電荷生成現(xiàn)場(chǎng)。

無(wú)論是接觸起電（Contact Electrification）、摩擦起電（Triboelectrification），還是相變、機(jī)械化學(xué)反應(yīng)、甚至壓電效應(yīng)的近親撓曲電效應(yīng)（Flexoelectricity）。

幾乎所有已知的靜電產(chǎn)生機(jī)制，在FDM打印過(guò)程中都湊齊了。

研究團(tuán)隊(duì)的初步測(cè)試就證實(shí)了這一點(diǎn)：

一個(gè)只有幾層的小小打印件，表面電勢(shì)就能輕松達(dá)到數(shù)千伏。

這是一個(gè)我們長(zhǎng)期以來(lái)視而不見(jiàn)的巨大變量。

參數(shù)如何導(dǎo)演靜電的分布？

既然靜電無(wú)處不在，那它能被控制嗎？

這才是關(guān)鍵。研究人員系統(tǒng)地研究了打印參數(shù)對(duì)五種常見(jiàn)材料（ABS, PETG, PLA, Nylon 6, TPU）靜電行為的影響，結(jié)果非常有意思。

1. 打印平臺(tái)是電荷極性的決定者

這可能是最直觀的一個(gè)發(fā)現(xiàn)。

研究人員用了三種我們很熟悉的平臺(tái)材料：玻璃、鋼板和PTFE。

玻璃平臺(tái)：幾乎所有材料在上面打印出來(lái)都帶負(fù)電。

PTFE平臺(tái)：打印件則清一色地帶正電。

鋼板平臺(tái)：由于其導(dǎo)體特性和在摩擦序列表中的居中位置，打印件表面的電荷分布就比較復(fù)雜，正負(fù)電荷區(qū)都有。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)直接建立了一個(gè)基于3D打印過(guò)程的摩擦序列表。

比如我們最常用的ABS，在玻璃上帶負(fù)電，在PTFE上帶正電，在鋼板上則趨于中性。

這意味著，僅僅通過(guò)更換打印平臺(tái)，我們就能大致決定打印件的電荷極性。

2. 打印溫度是電荷強(qiáng)度的放大器

在所有參數(shù)里，溫度（無(wú)論是打印平臺(tái)還是噴嘴的溫度）的影響可以說(shuō)是最大的。

研究顯示，更高的平臺(tái)溫度和噴嘴溫度，通常會(huì)導(dǎo)致打印件積累更多的電荷，并且電荷分布也更不均勻。

以ABS為例，在加熱的平臺(tái)上打印多層結(jié)構(gòu)時(shí)，其表面某些區(qū)域的電勢(shì)能達(dá)到驚人的-150V，相鄰點(diǎn)之間的電場(chǎng)強(qiáng)度甚至高達(dá)30 kV/m。

這個(gè)能量級(jí)別，對(duì)于敏感的電子元器件來(lái)說(shuō)，已經(jīng)足夠引發(fā)靜電放電（ESD）損害了。

3. 速度和方向：精細(xì)調(diào)控的旋鈕

打印速度和填充方向同樣會(huì)影響電荷的積累和分布。

有趣的是，速度的影響并非線性。

比如ABS在20mm/s的低速下打印帶正電，而在80mm/s以上的高速下則轉(zhuǎn)為帶負(fù)電。

對(duì)于大多數(shù)材料，一個(gè)中等的速度（如80mm/s）似乎能讓電荷分布更均勻。

不同的填充路徑（如45度角、同心圓、垂直線）會(huì)在打印件表面形成獨(dú)特的電荷地圖。

比如對(duì)角線填充（大部分切片軟件的默認(rèn)設(shè)置）往往會(huì)在ABS和PETG的邊角或中心積累更高的電荷。

4. 耗材濕度和層數(shù)：不可忽視的變量

研究還證實(shí)了一些經(jīng)驗(yàn)性的認(rèn)知。

比如，環(huán)境濕度越低，耗材擠出時(shí)帶的電荷就越多。

研究人員用在不同濕度下預(yù)處理過(guò)的耗材進(jìn)行打印，發(fā)現(xiàn)在低于5%的極低濕度下預(yù)處理的耗材，打印件的靜電電勢(shì)最高。

他們甚至觀察到一個(gè)有趣的現(xiàn)象：

濕度過(guò)大的耗材在擠出時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣泡，而這些氣泡破裂的地方，恰恰是靜電電勢(shì)的峰值點(diǎn)。

此外，層數(shù)也有影響。隨著打印層數(shù)的增加，電荷會(huì)不斷積累。

ABS和PLA在這里表現(xiàn)出了截然不同的性格。

ABS的電荷量在幾層之后趨于穩(wěn)定，而PLA的電荷量幾乎隨著層數(shù)的增加而線性增長(zhǎng)，顯示出極強(qiáng)的聚合物層間起電效應(yīng)。

這解釋了為什么多層打印件通常比單層打印件帶電更強(qiáng)。

從被動(dòng)觀察到主動(dòng)測(cè)量和利用

看到這里你可能會(huì)問(wèn)，這些靜電是怎么測(cè)出來(lái)的？

除了使用專(zhuān)業(yè)的開(kāi)爾文探針（Kelvin probe）進(jìn)行高精度表面電勢(shì)掃描，研究團(tuán)隊(duì)還展示了一個(gè)非常接地氣的方法：

用一個(gè)普通的萬(wàn)用表。

他們將萬(wàn)用表連接到一個(gè)金屬打印平臺(tái)上，在打印過(guò)程中直接測(cè)量聚合物與金屬基板之間的電荷轉(zhuǎn)移。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即便是像TPU和尼龍這種在打印后表面電荷看似不高的材料，在打印瞬間，它們向基板轉(zhuǎn)移的電荷量其實(shí)非常巨大。

比如，尼龍打印時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓峰值能輕松超過(guò)2V。

利用這個(gè)特性，他們甚至做了一個(gè)小實(shí)驗(yàn)：在打印尼龍的同時(shí)，用產(chǎn)生的電荷給一個(gè)陶瓷電容充電，成功記錄到了線性的電壓增長(zhǎng)。

這個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)量裝置，為我們普通用戶(hù)和開(kāi)發(fā)者打開(kāi)了一扇窗，讓我們能以極低的成本去實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和量化打印過(guò)程中的靜電效應(yīng)。

未來(lái)展望：直接打印智能設(shè)備？

如果說(shuō)前面的內(nèi)容還只是在控制一個(gè)變量，那么這項(xiàng)研究最激動(dòng)人心的部分，在于它提出的準(zhǔn)駐極體概念。

駐極體（Electret）是一種能夠永久儲(chǔ)存電荷的電介質(zhì)材料，功能上類(lèi)似永磁體。

它是制造麥克風(fēng)、傳感器、空氣過(guò)濾器等設(shè)備的核心材料。

傳統(tǒng)的駐極體制備工藝復(fù)雜，通常需要高壓電場(chǎng)極化。

而這項(xiàng)研究表明，通過(guò)精確控制FDM的打印參數(shù)（如使用PTFE平臺(tái)、高溫、特定速度和路徑），我們有可能直接打印出具有穩(wěn)定、持久電荷的物體。

研究人員發(fā)現(xiàn)，打印出的PLA樣品，其正電荷可以穩(wěn)定保持很長(zhǎng)時(shí)間。

這開(kāi)啟了巨大的想象空間。

未來(lái)我們可以直接打印出一個(gè)本身就帶有靜電場(chǎng)、無(wú)需電源就能高效吸附PM2.5顆粒的空氣過(guò)濾器；

這讓我們聯(lián)想到AM易道訪談時(shí)，Arno的應(yīng)用分享。

但當(dāng)我們考慮優(yōu)先考慮金屬應(yīng)用時(shí)，幾乎每次我們看一些東西，我們意識(shí)到我們正在處理一個(gè)表面體積比的問(wèn)題。 它總是最大化或優(yōu)化給定體積內(nèi)的表面，這適用于過(guò)濾器、天線、熱交換器，我們總是希望優(yōu)化質(zhì)量，減輕重量，最小化零件體積和材料消耗，所以幾乎每次它都是一個(gè)表面體積比的問(wèn)題。 這就是我們的想法，然后很容易找到相關(guān)的應(yīng)用。 AM易道，公眾號(hào)：AM易道

或者打印出一個(gè)集成了傳感器功能的結(jié)構(gòu)件，其表面的電荷分布可以響應(yīng)外界的壓力或形變；

在微流控、生物組織工程、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域，這種可控的內(nèi)建電場(chǎng)也可能成為一種全新的驅(qū)動(dòng)或控制方式。

結(jié)語(yǔ)

總而言之，這項(xiàng)研究為3D打印從業(yè)者提了個(gè)醒：

在我們熟悉的工藝流程中，還潛藏著一個(gè)強(qiáng)大的、未被充分開(kāi)發(fā)的物理現(xiàn)象。

靜電，不再僅僅是個(gè)麻煩，它正在從一個(gè)需要規(guī)避的Bug，變成一個(gè)可以利用的特性。

從優(yōu)化打印質(zhì)量、避免靜電損害，到開(kāi)發(fā)全新的功能性器件，對(duì)靜電的理解和調(diào)控，很可能成為3D打印技術(shù)走向更深、更廣應(yīng)用領(lǐng)域的下一個(gè)重要突破口。

這片新大陸，才剛剛展現(xiàn)在我們眼前。

未來(lái)AM易道還將評(píng)測(cè)Polymaker的靜電耗散材料，敬請(qǐng)關(guān)注。

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