前沿印刷技术巡礼

编译 高斯寒

塔夫斯·乔根森团队的数字制造研究人员在印刷研究中心评估用于新型模具设计的3d打印设置，这是他们对陶瓷材料挤压研究的一部分

在一家实验室里，一些科学家在研究将石墨烯用作高品质可回收服装的基础材料；而在走廊的对面，他们的同事正在讲授日本古代的雕版印刷技术“木版画”。这样的研究环境恐怕并不多见。然而，这正是位于布里斯托的西英格兰大学（UWE）印刷研究中心（CFPR）里发生的事。在这儿，每天都在架设跨越艺术与科学之间、产业与学术界之间鸿沟的桥梁。

CFPR是一家跨学科的研究机构，它将资深研究员、研究生、技术专家和学徒汇聚到一起，研究的内容极广，从美术版画制作和设计到物理学、材料学和工程学，无所不包。他们的目标是通过对创意印刷实践、流程和技术的艺术、历史和产业意义进行经验调查，为印刷的未来提供创新的解决方案。

应用物理学家

在CFPR，对于新研究路径的适应性和开放性是先决条件。如应用物理学家苏珊·克莱因（Susanne Klein）最早是研究医学物理学的，后来转向光学研究。她在布里斯托的惠普实验室工作了20年，担任产业研发科学家，研究项目包括胶体化学、液晶和先进显示材料、3D打印技术和光学密码学。目前，克莱因在CFPR领导一个为期5年的研究项目，项目资金达到120万英镑，目标是重新思考各种19世纪的印刷工艺，使得它们更便宜、更快捷和更加可获取。

CFPR的实习印刷技师哈莉·富勒（Harrie Fuller）是克莱因研究团队的一名成员，他们在将一些旧技术改造成新技术

克莱因正在研究和试图实现现代化的一项技术是凹版印相工艺。它是第一种获得商业成功的照相制版印刷方法，能复制连续色调的照片。该工艺在1864年由英国发明家沃尔特·伍德伯里（Walter Woodbury）取得专利，由一种“火棉胶湿版摄影”——当时使用的摄影技术——底片开始，被置于一层干掉的重铬酸盐明胶之上，在阳光下放置大约60分钟。那些未被阳光穿透底片晒到的明胶依然是水溶性的，可以轻易地用水冲走。

结果就得到了目标图像的一个十分结实耐用的三维凸版（模子），再用水压方法将它在铅版上压制出凹版。接着，这块印刷用的铅质凹版被涂上一层油，填入掺入黑烟灰的热明胶，盖上一张纸，再送入印刷机。大约五分钟后，揭下上面的纸，等到墨水干掉后，这张相片会被压平，修剪整齐。最初，用一块明胶凸版最多能制作出十块印刷用的凹版，这些凹版能装到旋转式印刷机上，进行大批量印刷。

“因为凹版印相工艺是基于掺入色素的明胶，所以它们是完全能够长久保存下去的。黑烟灰或炭黑非常不容易受到日光影响，而明胶只要不暴露在极湿环境中，就不会变质，不会产生化学上的变化。”克莱因说，“尽管最初的工艺很耗费时间，当平版印刷术兴起后，它就变得过时，但用这种工艺制作的相片品质并未被超越。即便在如今，凹版印相工艺仍然是唯一的连续色调照相制版复制方法。”

克莱因和同事们重新探究这项技术，已经发展出两种用现代材料制造凹版印相相片的替代工艺路线。“在其中一个方法中，”克莱因解释说，“我们沿用原本的工作流程，但是用光敏聚合物取代重铬酸盐明胶，用硅取代铅。”用这种方法，曝光时间从60分钟降低到数秒，印刷版用几小时就能制作好，无须耗费数日。一种更加快捷的方法是采用激光切割机来制作丙烯酸凸版——譬如，在10分钟内就能制造出一块10厘米宽、15厘米长的印刷版。激光切割机的精确度也意味着，创造全彩图像所需的青色、洋红、黄色和黑色层能够轻易地印刷在彼此的上方。

两种方法都对美术从业者颇有吸引力，可以用来创造艺术品，但不少公司也对这些技术感兴趣，那些公司在寻求用一种环保的方式制作高端照相复制品，用于公共空间里的艺术装置和商业广告。新方法的优点在于，印刷版的激光切割技术具备高能效，几乎不产生垃圾，使用的墨水是基于明胶（明胶是肉制品加工业的一种废料）的产品。而且，得到的相片是可生物降解的，用水冲洗一下就能除去纸上的墨水。

克莱因的另一个研究领域与“结构色”的产业应用有关，“结构色”的色彩不是由色素产生，而是来自以独特方式反射和折射光线的显微型态（譬如蝴蝶的翅膀）。一个很吸引人的选择是将数层额外的胆固醇（手性向列型）液晶层引入凹版印相的凸版中，从而印刷出结构色。采用合适的材料，液晶能够通过层来导向，随着施加磁场或电场，原本印刷出的颜色发生变化，这与一台双稳态显示屏并无不同。

该技术可能的应用包括奢侈品、时尚设计品和药物的防仿冒标签。“商业机会很大，”克莱因补充道，“挑战在于，生产出安全的包装，使得每次一件商品在供应链的不同阶段获得授权时，上面的印刷墨水都会改变颜色，直至商品到达消费者手中。”

材料学家

克莱因的同事纳茨穆尔·卡里姆（Nazmul Karim）是CFPR的石墨烯应用实验室的带头人，是另一位仿佛为CFPR这个“多学科熔炉”量身打造的学术人才。在2019年加入西英格兰大学之前，卡里姆在曼彻斯特大学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装和可穿戴电子织物。

他目前的研究兴趣包括以剥离法和功能化方法制备石墨烯和其他用于电子织物的二维材料。卡里姆也在研究如何以高度可扩展的制造方法（如涂层和印刷）制作石墨烯可穿戴制品，譬如将石墨烯“墨水”直接使用到织物上。“我的团队对于引进智能材料和人工智能到印刷电子器件中来，应用于非侵入式个性化健康照护充满热情。”卡里姆说。

石墨应用实验室的科学家莎伊拉·阿弗罗（Shaila Afroj）和医学博士生伊斯兰正在研究高性能可穿戴电子织物中的二维纳米材料的印刷和涂层

团队的最新研究成果很大程度上是基于医学博士生拉希杜尔·伊斯兰（Rashedul Islam）所做的工作，显示明确的商业机遇正在成形。伊斯兰已经研发出一个多功能电子织物平台，完全能印刷，导电性很高，具备柔性，可机洗。该材料采用印刷的石墨烯超级电容，能够储存能量，同时监测一系列生理指标（譬如心率、皮肤温度和各种活动指标）。更加让人印象深刻的是，当用这种材料制作成头饰带时，电子织物能记录下脑活动（脑电波图，EEG），能够和常规的刚性电极达到同样的标准。目前，超级电容需要用外部能源充电，但远期目标是引进能量采集功能，让它们实现自给自足。

制造工艺利用了一种高度可扩展的丝网印刷工艺，基于石墨烯的墨水穿过一面定制的网筛，落到一种粗糙和柔性的织物基材上。再将导电条封进内部，获得绝缘保护，这样就制作出一种可机洗的电子织物平台。他们希望，这样的早期成功会为基于石墨烯的多功能电子织物服装的大批量生产开路，那些服装会拥有一个可穿戴传感器网络，由基于石墨烯的织物超级电容里储存的能量供能。

石墨烯应用实验室正在研究将石墨烯和其他功能材料（包括抗菌涂层）用于高品质可回收服装。眼下，大约有55%的织物由人工合成的聚酯纤维制成，最为常见的是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），它并非生物可降解材料，能在环境中持续存在数百年。卡里姆说：“能够理解的是，时尚品牌和零售商越来越有兴趣放弃原生PET，改用基于可回收PET（rPET）的聚酯纤维织物，以减少对于环境的冲击。”

麻烦在于，目前的rPET遭受热老化的困扰，容易降解，这是由于在回收利用的过程中随机混入其他材料所致。卡里姆指出，研究依然处在早期，但CFPR获得的初步结果很有希望，用石墨烯提升过的rPET已经被纺织成更轻、力学性质上更坚固、更容易回收利用的纤维。“这会是一场漫长的竞赛，”卡里姆补充说，“我们会需要与创新生态系统各方面的持续合作。那意味着，我们这样的学术团体要与石墨烯供应商、织物制造商、大型时尚和服装零售商手牵手共同努力。”

陶瓷设计师

塔夫斯·乔根森（Tavs Jorgensen）原本是陶瓷产业里的一名制陶工匠和设计师，后来转而追求起学术事业。让他全神贯注的是另一个全然不同的制造业机遇。乔根森在CFPR是数字制造研发领域的先锋，目标是让至今为止在陶瓷生产上应用有限的3D打印技术、计算机控制加工、机器人技术驶上快车道。

乔根森对挤出制造工艺特别感兴趣。柔软可塑的黏土在施力下通过一条通道（或者称为冲模），冲模会赋予材料一种特定的截面形状。这个工序产生一种连续的线性黏土条，之后可以切成一段一段，从而生成部件，如砖块、瓦片、护墙瓦和其他建筑构件。工业挤出机被用来制作特殊的陶瓷部件，包括催化转换器的过滤器、用于火炉和高压釜的高温元件。同时，手工操作的挤出系统常常可在手工作坊中找到，用来制作把手和一次成型的装饰元件，之后可以对它们应用其他制造方法（譬如压制和铸造方法）。乔根森说：“我们的挑战在于如何才能利用数字科技和机器人，将目前黏土挤出的应用范围扩大到更具创新的商业应用与设计。”

CFPR与英国国家复合材料中心进行研发合作，正在优化陶瓷基复合材料的挤出，这些材料被应用于航天和核能产业

CFPR的科研人员评估机器人辅助下的陶瓷材料被从冲模挤出后的弯曲度。这个工序使得他们能制造出一次成型的陶瓷部件，可用于创意艺术和建筑领域

团队给出的默认设置很大程度上是基于实验。“有时候，测试是以开放式探究的形式进行的，结果非常不可预测，这个方法在很大程度上是受到好奇心的驱使。我们做这个的时候，发生了什么？”在理解黏土的行为方式时，对基础物理学和材料学的了解是一个重要因素。譬如，在干燥和火烧时，挤出的黏土部件缩小大约10%～15%，由于挤出工序产生的张力，它们有可能弯曲和裂开。

“黏土挤出的性质使得结果的理论计算很有挑战性，”乔根森说，“尽管已经做了一些开发算法的工作，能帮助预测黏土在挤出情形下的流动。”乔根森在一次跨学科合作中，求助于达米安·利奇（Damien Leech）的专长，希望开发计算模型预测特定的冲模的几何性质如何影响挤出黏土所需的压力。利奇过去是CFPR的理论物理学家，目前在比利时的微电子研究中心（IMEC）工作。乔根森补充说：“尽管经验主义的试验依然是研究的核心方法，但理论建模已经被证明具有无法衡量的价值，对于在现实世界的实验中最好配置哪些几何性质的冲模，它能提供一种基本的理解。”

团队也在建立加工的工作流程，使得用于3D打印的新式冲模设计能够迅速制造出原型，进行测试，从而为陶瓷挤出在高性能工业应用中发挥用处开辟一片天地。最重要的是CFPR与英国国家复合材料中心（NCC）的研发合作。他们对于陶瓷基复合材料（CMCs）的挤出工艺的潜力充满兴趣。CMCs这类材料是将陶瓷膏体与无机黏结剂相混合，提升材料在机械负荷或热机械负荷下的破裂韧度。

CFPR与NCC的合作正在进一步明确工序细节，包括配套工具、夹具、组件和工作流程。然而，长期而言，他们瞄准的是发电和航天产业的各种应用，CMCs在那些领域中被越来越多地用于高温隔热系统。乔根森说：“挤出工艺是一种制造CMCs的新颖方式，这项研究为我们打开机会之窗，使得我们能够制造出具备奇特几何性质的CMC部件，譬如有复杂内部结构的管道。”这样的CMC管道引起了下一代核电站的兴趣。乔根森和同事们正在探索用未烧制黏土和纤维混合物制造低碳建筑构件的挤出工艺，其具有支持英国的建筑材料实现净零碳排放目标的潜能。

开放性思维与商业的开始

如果说融合、合作和共同创造是CFPR科研模式的基础，那么中心里聚集的艺术家、设计师、科学家、技术专家在传统和数字印刷中的跨学科相互合作也很重要。

具有不同背景的人被聚集到一起，有来自产业界的科研人员，也有来自学术界的学者。专长与经验相互补充，支持CFPR广泛的、跨国的学术合作和产业合作。他们的商业合作伙伴包括专业印刷公司、陶瓷制造商、跨国高科技公司。他们的联合研发项目覆盖范围广，有既定目标的受委托研究，可行性研究，先进材料、工艺和完整印刷系统的共同开发。

显然，CFPR在合作上没有明确的规则，而它的宗旨说到底就是一条：在先进印刷实践中，将开放性思维的思考与创意、科学、技术创新相结合。

资料来源 Physics World