前沿印刷技術巡禮

編譯 高斯寒

塔夫斯·喬根森團隊的數字制造研究人員在印刷研究中心評估用于新型模具設計的3d打印設置，這是他們對陶瓷材料擠壓研究的一部分

在一家實驗室里，一些科學家在研究將石墨烯用作高品質可回收服裝的基礎材料；而在走廊的對面，他們的同事正在講授日本古代的雕版印刷技術“木版畫”。這樣的研究環境恐怕并不多見。然而，這正是位于布里斯托的西英格蘭大學（UWE）印刷研究中心（CFPR）里發生的事。在這兒，每天都在架設跨越藝術與科學之間、產業與學術界之間鴻溝的橋梁。

CFPR是一家跨學科的研究機構，它將資深研究員、研究生、技術專家和學徒匯聚到一起，研究的內容極廣，從美術版畫制作和設計到物理學、材料學和工程學，無所不包。他們的目標是通過對創意印刷實踐、流程和技術的藝術、歷史和產業意義進行經驗調查，為印刷的未來提供創新的解決方案。

應用物理學家

在CFPR，對于新研究路徑的適應性和開放性是先決條件。如應用物理學家蘇珊·克萊因（Susanne Klein）最早是研究醫學物理學的，后來轉向光學研究。她在布里斯托的惠普實驗室工作了20年，擔任產業研發科學家，研究項目包括膠體化學、液晶和先進顯示材料、3D打印技術和光學密碼學。目前，克萊因在CFPR領導一個為期5年的研究項目，項目資金達到120萬英鎊，目標是重新思考各種19世紀的印刷工藝，使得它們更便宜、更快捷和更加可獲取。

CFPR的實習印刷技師哈莉·富勒（Harrie Fuller）是克萊因研究團隊的一名成員，他們在將一些舊技術改造成新技術

克萊因正在研究和試圖實現現代化的一項技術是凹版印相工藝。它是第一種獲得商業成功的照相制版印刷方法，能復制連續色調的照片。該工藝在1864年由英國發明家沃爾特·伍德伯里（Walter Woodbury）取得專利，由一種“火棉膠濕版攝影”——當時使用的攝影技術——底片開始，被置于一層干掉的重鉻酸鹽明膠之上，在陽光下放置大約60分鐘。那些未被陽光穿透底片曬到的明膠依然是水溶性的，可以輕易地用水沖走。

結果就得到了目標圖像的一個十分結實耐用的三維凸版（模子），再用水壓方法將它在鉛版上壓制出凹版。接著，這塊印刷用的鉛質凹版被涂上一層油，填入摻入黑煙灰的熱明膠，蓋上一張紙，再送入印刷機。大約五分鐘后，揭下上面的紙，等到墨水干掉后，這張相片會被壓平，修剪整齊。最初，用一塊明膠凸版最多能制作出十塊印刷用的凹版，這些凹版能裝到旋轉式印刷機上，進行大批量印刷。

“因為凹版印相工藝是基于摻入色素的明膠，所以它們是完全能夠長久保存下去的。黑煙灰或炭黑非常不容易受到日光影響，而明膠只要不暴露在極濕環境中，就不會變質，不會產生化學上的變化?！笨巳R因說，“盡管最初的工藝很耗費時間，當平版印刷術興起后，它就變得過時，但用這種工藝制作的相片品質并未被超越。即便在如今，凹版印相工藝仍然是唯一的連續色調照相制版復制方法?！?/p>

克萊因和同事們重新探究這項技術，已經發展出兩種用現代材料制造凹版印相相片的替代工藝路線?！霸谄渲幸粋€方法中，”克萊因解釋說，“我們沿用原本的工作流程，但是用光敏聚合物取代重鉻酸鹽明膠，用硅取代鉛?！庇眠@種方法，曝光時間從60分鐘降低到數秒，印刷版用幾小時就能制作好，無須耗費數日。一種更加快捷的方法是采用激光切割機來制作丙烯酸凸版——譬如，在10分鐘內就能制造出一塊10厘米寬、15厘米長的印刷版。激光切割機的精確度也意味著，創造全彩圖像所需的青色、洋紅、黃色和黑色層能夠輕易地印刷在彼此的上方。

兩種方法都對美術從業者頗有吸引力，可以用來創造藝術品，但不少公司也對這些技術感興趣，那些公司在尋求用一種環保的方式制作高端照相復制品，用于公共空間里的藝術裝置和商業廣告。新方法的優點在于，印刷版的激光切割技術具備高能效，幾乎不產生垃圾，使用的墨水是基于明膠（明膠是肉制品加工業的一種廢料）的產品。而且，得到的相片是可生物降解的，用水沖洗一下就能除去紙上的墨水。

克萊因的另一個研究領域與“結構色”的產業應用有關，“結構色”的色彩不是由色素產生，而是來自以獨特方式反射和折射光線的顯微型態（譬如蝴蝶的翅膀）。一個很吸引人的選擇是將數層額外的膽固醇（手性向列型）液晶層引入凹版印相的凸版中，從而印刷出結構色。采用合適的材料，液晶能夠通過層來導向，隨著施加磁場或電場，原本印刷出的顏色發生變化，這與一臺雙穩態顯示屏并無不同。

該技術可能的應用包括奢侈品、時尚設計品和藥物的防仿冒標簽。“商業機會很大，”克萊因補充道，“挑戰在于，生產出安全的包裝，使得每次一件商品在供應鏈的不同階段獲得授權時，上面的印刷墨水都會改變顏色，直至商品到達消費者手中?！?/p>

材料學家

克萊因的同事納茨穆爾·卡里姆（Nazmul Karim）是CFPR的石墨烯應用實驗室的帶頭人，是另一位仿佛為CFPR這個“多學科熔爐”量身打造的學術人才。在2019年加入西英格蘭大學之前，卡里姆在曼徹斯特大學的石墨烯研究所待了4年，研究基于石墨烯的高性能功能服裝和可穿戴電子織物。

他目前的研究興趣包括以剝離法和功能化方法制備石墨烯和其他用于電子織物的二維材料。卡里姆也在研究如何以高度可擴展的制造方法（如涂層和印刷）制作石墨烯可穿戴制品，譬如將石墨烯“墨水”直接使用到織物上?！拔业膱F隊對于引進智能材料和人工智能到印刷電子器件中來，應用于非侵入式個性化健康照護充滿熱情?！笨ɡ锬氛f。

石墨應用實驗室的科學家莎伊拉·阿弗羅（Shaila Afroj）和醫學博士生伊斯蘭正在研究高性能可穿戴電子織物中的二維納米材料的印刷和涂層

團隊的最新研究成果很大程度上是基于醫學博士生拉希杜爾·伊斯蘭（Rashedul Islam）所做的工作，顯示明確的商業機遇正在成形。伊斯蘭已經研發出一個多功能電子織物平臺，完全能印刷，導電性很高，具備柔性，可機洗。該材料采用印刷的石墨烯超級電容，能夠儲存能量，同時監測一系列生理指標（譬如心率、皮膚溫度和各種活動指標）。更加讓人印象深刻的是，當用這種材料制作成頭飾帶時，電子織物能記錄下腦活動（腦電波圖，EEG），能夠和常規的剛性電極達到同樣的標準。目前，超級電容需要用外部能源充電，但遠期目標是引進能量采集功能，讓它們實現自給自足。

制造工藝利用了一種高度可擴展的絲網印刷工藝，基于石墨烯的墨水穿過一面定制的網篩，落到一種粗糙和柔性的織物基材上。再將導電條封進內部，獲得絕緣保護，這樣就制作出一種可機洗的電子織物平臺。他們希望，這樣的早期成功會為基于石墨烯的多功能電子織物服裝的大批量生產開路，那些服裝會擁有一個可穿戴傳感器網絡，由基于石墨烯的織物超級電容里儲存的能量供能。

石墨烯應用實驗室正在研究將石墨烯和其他功能材料（包括抗菌涂層）用于高品質可回收服裝。眼下，大約有55%的織物由人工合成的聚酯纖維制成，最為常見的是聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），它并非生物可降解材料，能在環境中持續存在數百年?？ɡ锬氛f：“能夠理解的是，時尚品牌和零售商越來越有興趣放棄原生PET，改用基于可回收PET（rPET）的聚酯纖維織物，以減少對于環境的沖擊?！?/p>

麻煩在于，目前的rPET遭受熱老化的困擾，容易降解，這是由于在回收利用的過程中隨機混入其他材料所致?？ɡ锬分赋觯芯恳廊惶幵谠缙冢獵FPR獲得的初步結果很有希望，用石墨烯提升過的rPET已經被紡織成更輕、力學性質上更堅固、更容易回收利用的纖維?！斑@會是一場漫長的競賽，”卡里姆補充說，“我們會需要與創新生態系統各方面的持續合作。那意味著，我們這樣的學術團體要與石墨烯供應商、織物制造商、大型時尚和服裝零售商手牽手共同努力?！?/p>

陶瓷設計師

塔夫斯·喬根森（Tavs Jorgensen）原本是陶瓷產業里的一名制陶工匠和設計師，后來轉而追求起學術事業。讓他全神貫注的是另一個全然不同的制造業機遇。喬根森在CFPR是數字制造研發領域的先鋒，目標是讓至今為止在陶瓷生產上應用有限的3D打印技術、計算機控制加工、機器人技術駛上快車道。

喬根森對擠出制造工藝特別感興趣。柔軟可塑的黏土在施力下通過一條通道（或者稱為沖模），沖模會賦予材料一種特定的截面形狀。這個工序產生一種連續的線性黏土條，之后可以切成一段一段，從而生成部件，如磚塊、瓦片、護墻瓦和其他建筑構件。工業擠出機被用來制作特殊的陶瓷部件，包括催化轉換器的過濾器、用于火爐和高壓釜的高溫元件。同時，手工操作的擠出系統常?？稍谑止ぷ鞣恢姓业?，用來制作把手和一次成型的裝飾元件，之后可以對它們應用其他制造方法（譬如壓制和鑄造方法）。喬根森說：“我們的挑戰在于如何才能利用數字科技和機器人，將目前黏土擠出的應用范圍擴大到更具創新的商業應用與設計?！?/p>

CFPR與英國國家復合材料中心進行研發合作，正在優化陶瓷基復合材料的擠出，這些材料被應用于航天和核能產業

CFPR的科研人員評估機器人輔助下的陶瓷材料被從沖模擠出后的彎曲度。這個工序使得他們能制造出一次成型的陶瓷部件，可用于創意藝術和建筑領域

團隊給出的默認設置很大程度上是基于實驗。“有時候，測試是以開放式探究的形式進行的，結果非常不可預測，這個方法在很大程度上是受到好奇心的驅使。我們做這個的時候，發生了什么？”在理解黏土的行為方式時，對基礎物理學和材料學的了解是一個重要因素。譬如，在干燥和火燒時，擠出的黏土部件縮小大約10%～15%，由于擠出工序產生的張力，它們有可能彎曲和裂開。

“黏土擠出的性質使得結果的理論計算很有挑戰性，”喬根森說，“盡管已經做了一些開發算法的工作，能幫助預測黏土在擠出情形下的流動。”喬根森在一次跨學科合作中，求助于達米安·利奇（Damien Leech）的專長，希望開發計算模型預測特定的沖模的幾何性質如何影響擠出黏土所需的壓力。利奇過去是CFPR的理論物理學家，目前在比利時的微電子研究中心（IMEC）工作。喬根森補充說：“盡管經驗主義的試驗依然是研究的核心方法，但理論建模已經被證明具有無法衡量的價值，對于在現實世界的實驗中最好配置哪些幾何性質的沖模，它能提供一種基本的理解?！?/p>

團隊也在建立加工的工作流程，使得用于3D打印的新式沖模設計能夠迅速制造出原型，進行測試，從而為陶瓷擠出在高性能工業應用中發揮用處開辟一片天地。最重要的是CFPR與英國國家復合材料中心（NCC）的研發合作。他們對于陶瓷基復合材料（CMCs）的擠出工藝的潛力充滿興趣。CMCs這類材料是將陶瓷膏體與無機黏結劑相混合，提升材料在機械負荷或熱機械負荷下的破裂韌度。

CFPR與NCC的合作正在進一步明確工序細節，包括配套工具、夾具、組件和工作流程。然而，長期而言，他們瞄準的是發電和航天產業的各種應用，CMCs在那些領域中被越來越多地用于高溫隔熱系統。喬根森說：“擠出工藝是一種制造CMCs的新穎方式，這項研究為我們打開機會之窗，使得我們能夠制造出具備奇特幾何性質的CMC部件，譬如有復雜內部結構的管道?！边@樣的CMC管道引起了下一代核電站的興趣。喬根森和同事們正在探索用未燒制黏土和纖維混合物制造低碳建筑構件的擠出工藝，其具有支持英國的建筑材料實現凈零碳排放目標的潛能。

開放性思維與商業的開始

如果說融合、合作和共同創造是CFPR科研模式的基礎，那么中心里聚集的藝術家、設計師、科學家、技術專家在傳統和數字印刷中的跨學科相互合作也很重要。

具有不同背景的人被聚集到一起，有來自產業界的科研人員，也有來自學術界的學者。專長與經驗相互補充，支持CFPR廣泛的、跨國的學術合作和產業合作。他們的商業合作伙伴包括專業印刷公司、陶瓷制造商、跨國高科技公司。他們的聯合研發項目覆蓋范圍廣，有既定目標的受委托研究，可行性研究，先進材料、工藝和完整印刷系統的共同開發。

顯然，CFPR在合作上沒有明確的規則，而它的宗旨說到底就是一條：在先進印刷實踐中，將開放性思維的思考與創意、科學、技術創新相結合。

資料來源 Physics World