新材料、制造纤维增强塑料的新方法为制造商提供更多选择
使用 3D Systems 的新 Figure 4 Production Black 10 光聚合物，单个 DLP 引擎生产了这 1,200 个塑料，完成，结束- 在 48 小时内使用组件。聚合物的 3D 打印已经存在了 30 多年。正如加利福尼亚州伯克利 3D Systems Inc. 高级应用开发副总裁帕特里克邓恩所说，许多不同行业都有重要的应用，“从 Space X 的 Inconel 火箭部件的大型熔模铸造模型到用于矫正牙齿的 Invisalign Clear Aligner 工具的大规模定制制造的方法。我们有客户每天 3D 打印 400,000 件独特的塑料件。”
即便如此，新的应用Dunne 表示，在很大程度上要归功于材料的创新。
其中一种最新材料解决了 Dunne 所说的增材制造的“母矿脉”：简单塑料的大规模生产部分。为此，3D Systems 刚刚发布了 Figure 4 Production Black 10 (PRO-BLK 10)，Dunne 称这是第一种“直接”光敏聚合物，可生产具有生产级特性的部件。
3D Systems使用其非接触式薄膜数字光处理 (DLP) 技术和 Figure 4 Production Black 10。DLP 是一种固有的快速技术，但竞争的光敏聚合物在打印后需要在烤箱中放置很长时间才能获得“生产部件”特性。这种新型光敏聚合物并非如此。很简单。 Dunne 说：“清洗、干燥、用光固化，你就有了一个功能性塑料组件，”他补充说，这样的功能需要两次重要的材料特性，其中第一个是更高的屈服伸长率。
“业界经常引用断裂伸长率的数据，”Dunne 解释道。 “但功能性最终用途塑料部件还必须具有高屈服伸长率。因为一旦 [某个零件受到的应力] 超过了塑料的屈服点，[它] 就会处于永久变形和变形状态。几乎所有的聚合物、立体光刻树脂和喷墨树脂……市场上历史上使用的所有不同塑料……的屈服伸长率都很低。它们在使用时基本上处于永久变形状态。”
相反，Figure 4 Production Black 10 的屈服水平较高，断裂伸长率为 12%。 “感觉就像塑料一样，”邓恩说。 “它的行为几乎与热塑性塑料相同。当它弯曲时，它会以生产塑料部件中 [所需] 的回弹特性弹回。而作为应力和应变接近断裂点，它不会突然或意外地断裂。它具有屈服延性失效模式。同样，就像您对生产塑料的期望一样。”
生产部件所需的第二个关键材料特性是环境稳定性。正如 Dunne 所说，“拥有一块非常坚硬的塑料真是太好了。但是，如果坐在阳光下，或暴露在雨中，或冷热循环导致它发生变化……如果它变得更脆、变色，或者在透明塑料的情况下失去透明度或半透明性……那么它就不是塑料可以解决生产应用。它只是原型材料。” Dunne 说，多种因素共同促成了 Figure 4 Production Black 10 满足这两种材料要求，但主要驱动因素是化学方面的突破。
大规模生产需要更多
当然，要求不以这两个垫子结束串行属性。该工艺还必须生产出具有尺寸精度和出色表面光洁度的零件。而且，Dunne 说，可扩展性还取决于能够快速自动移除构建期间所需的支持结构。这是通过 3D Systems 的 Figure 4 Production 打印机实现的，它提供“混合微像素和精确支撑结构”。根据 Dunne 的说法，去除这些结构后，您将获得“生产级侧壁质量”。该机器还能够在零件表面表现出独特的“数字”纹理，例如表盘上的摩擦手柄。而且由于 3D 打印的经济性不需要大量，制造商可以为豪华汽车等精品应用提供定制纹理。或者，正如邓恩所说，“订购兰博基尼时，可以选择水牛皮或鸵鸟皮。没有时间或成本限制可以应用于室内装饰覆层的纹理。”
另一方面，Dunne 指出，虽然增材制造的复杂性和成本之间几乎没有相关性，但这并不一定是实现增材制造的优势大规模生产的可行性，因为今天生产的“99.99%”的塑料零件设计简单。 “你不能完全依赖设计的复杂性需求来推动经济合理性，”Dunne 说。他补充说，该技术目前针对小型塑料部件，即适合手掌大小的部件，但他表示，这并没有太大的妥协，因为“80% 的塑料部件都适合手掌大小。”
Figure 4 Production Black 10 可生产哑光、不透明的黑色部件，看起来像黑色 ABS 塑料。 3D Systems 计划发布该材料的不透明白色版本，并且有“将Dunne 报告说：“在可用颜色方面，我们将彻底改变整个方程式。”
复合材料扩展 FDM
由 Stratasys Ltd. 的联合创始人 S. Scott Crump 发明， 1988 年明尼苏达州伊甸草原，熔融沉积成型 (FDM) 是最常见的 3D 打印类型。与 DLP 一样，FDM 的许多重要最新进展都源于新材料。在这种情况下，复合材料。正如纽约布鲁克林 MakerBot Industries（Stratasys 子公司）的工程副总裁 Dave Veisz 所解释的那样，使 FDM 零件适用于要求苛刻的制造环境中的工具和夹具或其他长期的实际应用的一个因素是向基础聚合物中添加增强材料。 Veisz 解释说，增强材料“通常是一定比例的碳纤维或玻璃纤维”。 “它结合了基材的属性，无论是耐化学性、冲击、强度还是耐温性，然后增加了强度这些坚硬的纤维流入材料的强度和刚度。”
MakerBot 的 Method 机器起价为 4,999 美元，但无论几何形状如何，由于密封材料托架、加热根据制造商的说法，腔室和其他功能。MakerBot 打印机不会在打印过程中添加纤维。相反，MakerBot 与领先的长丝公司合作，将纤维填料添加到工业螺杆挤出生产线，生产进入 MakerBot 机器的 1.75 毫米直径的长丝。这些长丝本来是纯塑料的，但在这种情况下，包括预定百分比的玻璃纤维短切碳。 MakerBot 提供专门的 LABS 实验挤出机，用于打印其中的几种细丝来自合作供应商的 ts。挤出机的硬化钢喷嘴在制造物体时将细丝的直径减小到 0.4 毫米。 Veisz 特别强调了一种 Kimya ABS，他们在其中添加了碳纤维，从而产生更高的刚度重量比和静电放电 (ESD) 保护。 Veisz 解释说，在制造电子设备的夹具和固定装置时，消散静电荷的能力很重要。
马萨诸塞州沃特敦 Markforged Inc. 的材料总监 Joe Roy-Mayhew 回应了这些想法，同时补充说，这些复合材料中的纤维越长，机械性能越好。 Markforged 有两台机器，X5 和 X7，可以结合连续纤维。他们通过使用两个不同的喷嘴来做到这一点。沉积一层熔化的塑料，然后是第二个喷嘴，该喷嘴放置在连续的碳纤维、凯夫拉尔纤维或玻璃纤维中，一边熨烫一边进行熨烫。
“您会得到这些纤维的真正强度，”Roy-Mayhew 解释说，“这比短切纤维填充材料的机械性能好一个数量级。这就是为什么我们能够在塑料复合材料部件中达到或超过铝的性能。”
对比是巨大的。 Markforged X3 使用短切纤维生产的材料比 ABS 强度高 20%，硬度高 40%，而 X5 生产的材料比 ABS 强度高 20 倍，硬度高 10 倍。 X7 是 Markforged 的顶级工业机器，生产的材料“比 6061 铝更坚固，重量减轻 40%”。 Roy-Mayhew 使用抗弯强度数据表示，填充尼龙（即用短切纤维增强）的抗弯强度为 50 至 100 兆帕 (MPa)，或与未填充尼龙相比提高 50-100%，而连续纤维可提供超过 500 MPa。
为了解释这一现象，他用您可以在家尝试的乐高积木做了一个类比：搭一根梁用一组短砖，它会在负载下很容易分开。但是加一块砖——即使是一块很薄的砖——横跨整个横梁，它也能承受重载。在第一种情况下，每个连接就像 X3 和类似系统中使用的塑料中短切纤维之间的塑料。每个都是可能的故障点。第二种情况有类似的缝隙，但也有一个连续的“砖块”区域，使整个结构变硬。
但是，所有 FDM 机器都是分层打印的，层与层之间的垂直附着力没有那样强在任何给定层内。并且连续纤维打印机不会垂直应用纤维。因此，FDM 材料不是各向同性的，上面引用的强度数据适用于一个平面，即水平 X-Y 平面。这也意味着，虽然连续纤维打印机可以在 X-Y 平面上达到金属级别的强度，但这种材料的强度只能与其他塑料打印机生产的材料一样强在 Z 平面上。 Veisz 表示，Z 轴的粘附程度取决于材料和机器，但始终是 X-Y 强度的一小部分，通常为 60% 到 70%。话虽如此，还是有办法提高 Z 轴强度，使其更适合功能部件。 Roy-Mayhew 认为，也许更重要的是，大多数应用不需要完全各向同性的特性。
Veisz 解释说，像 MakerBot 的 Method 和 Method X 机器那样的加热室可以打印工程级材料配方这类似于用于注塑成型的材料，因此工程师可以使用相同的材料制作原型，然后用于生产。与加热床或露天桌面打印机相比，加热室还在 Z 平面上产生更好的粘合。 “我们将 ABS 和 ASA 的构建平面加热到大约 100oC (212ºF)，这刚好低于材料的玻璃化转变温度。这让部分我ld 并缓慢冷却，这对材料有退火作用。”
MarkForged 的 X7 机器可以打印比 6061 铝更坚固的部件，但通过铺设连续纤维增强材料，重量减轻了 40%，据制造商称。 将此与铸造金属零件然后淬火进行比较。这会改变晶粒结构，使零件变脆并容易开裂。相比之下，对金属进行退火可赋予其不同的机械性能，显着提高强度和韧性。 “FDM 打印中的加热室具有这种影响，”Veisz 说。他补充说，虽然加热室、优化的 Z 强度、减少翘曲和尺寸精度等关键功能“传统上仅在工业 FDM 打印机上可用，但 MakerBot 使该技术更容易获得在尺寸、价格点和易用性方面都可以。”
MakerBot 的 Method 机器起价为 4,999 美元。然而，这也是他们声称无论几何形状如何，所有三个维度的成品零件精度均为 ±200 µm 的第一台机器。 Veisz 说，这样的说法“几乎闻所未闻”，因为缺少诸如密封材料舱、加热腔室、刚性框架和可溶性支撑之类的东西，因此存在太多可变性来源，无法确保成品零件的尺寸精度。
Roy-Mayhew 观察到，对于大多数应用，零件将从特定方向而不是每个方向受力。 “使用 3D 打印，您不必构建自下而上的零件。我们可以横向或对角打印它，以最好地说明它要面对的力。我们能够设计出很少真正分层的部件，分层可能来自层与层之间的弱点。 [可以设计]所以在纤维的全部强度下承受应力。这真的很重要也很强大。”更重要的是，Roy-Mayhew 说，大多数应用不需要在整个零件上进行加固。其连续纤维机器的用户在第一次获得打印机时倾向于使用大量纤维进行构建，然后了解到选择性加固更具成本效益并且仍然能够提供所需的性能。 Roy-Mayhew 说：“我们有客户用他们过去用金属部件制造的印刷部件举起数吨的重量。”
Haddington Dynamics 削减了 58% 的成本，并将其机械臂中的零件数量从 800 减少到通过在 MarkForged 机器上打印大部分，少于 70 个。用连续的碳纤维长丝材料加固，手臂足够坚硬和轻便，足以容纳机器人精度达到 50 µm。一个重要的例子是美国军方，它正在使用这些打印机为战场上的战术单位制造替换零件，否则这些零件将由金属制成。他认为，这些部件非常好，因此对 3D 金属打印的需求在很大程度上是由更高温度的应用驱动的，而不是对“室温”下强度的需求。为了避免被视为批评，他赶紧补充说，Markforged 还生产一系列金属打印机。
FDM 的其他进展
除了添加纤维以扩大 FDM 的适用性之外FDM 生产零件，Veisz 称赞巴斯夫、三菱化学、Polymaker、Kimya 和 DSM 等大型塑料公司配制了可以在 FDM 打印机上运行的特殊长丝，以制造最终用途零件“达到人们传统上使用注塑成型的相同标准
其中一些新材料符合 UL 标准的 V-0 易燃性 (V-0 是相对阻燃的）。这使得 FDM 成为其他最终用途应用的可行方法，例如飞机内部零件。
例如，空中客车 A350 有超过 1,000 个零件是在 Stratasys 机器上打印的。 Veisz 说：“西门子在 FDM 打印机上制造了很多火车零件，也制造了替换零件。”
其他改进侧重于降低成本和加快流程，以便规模经济继续转变，使 FDM 打印适用于越来越大的产量。 Veisz 表示，其中一项改进是水溶性支撑结构：“打印一个物体，将其放入搅拌槽中，无需任何手动操作即可冲洗掉支撑，只留下模型几何形状。”
HP 的 Jet Fusion 系列机器在整个工作区 i 打印融合剂和细节剂n 每层一次通过，将印刷与定影能量相结合。惠普表示，这使得机器的速度比 FDM 和 SLS 打印机解决方案快 10 倍。这也消除了对以前获得良好零件所需的大部分 3D 打印知识的需求。他补充说，无需担心以正确的方式定位零件以消除分离支撑。
相比之下，Roy-Mayhew 说 Markforged 更喜欢分离支撑，因为这是一种更快的方式一个完成的部分。此外，他说，“使用我们的打印机，以大约 45º 角打印任何东西可能意味着根本不需要支撑。”对他来说，这说明了“聚合物打印和金属打印之间的巨大区别”。
所有形式的金属打印都需要进行大量的后处理，而 MarkForged 的聚合物和复合材料打印方法“当它来自打印机，”Roy-Mayhew 说。
HP Cl目标速度比 FDM 快 10 倍
就在您认为不可能有另一种 3D 打印方法（或另一组首字母缩略词）时，位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的 HP Inc. 凭借 MultiJet 进入市场融合（MJF）。该过程类似于粉末床融合，因为为每一层铺设粉末床。但是 HP Jet Fusion 机器随后在整个工作区域打印助熔剂和细化剂，每一层快速通过一次，将打印与熔融能量相结合。
HP 的专有架构能够打印 3000 万滴每滴第二沿着床的每一英寸。再加上融合剂和细节剂的联合作用，据说可以快速产生“极高的准确性”和光滑、轮廓分明的边缘。多快？根据内部测试和模拟，惠普声称其速度比 10 万至 30 万美元价格范围内的 FDM 和选择性激光烧结 (SLS) 打印机解决方案快 10 倍，成本降低 50%er part.
新的汽车应用包括由 EDAG 开发的“用于电动汽车的拓扑优化主动冷却液分配器”。 Adient 是一家为主要汽车制造商提供服务的全球汽车座椅制造商，“正在开发一种新的座椅头枕，在不影响材料强度和灵活性的情况下，针对尺寸和轻量化进行了优化。” Glaze Prosthetics 正在创造可定制的 HP 3D 打印假肢，这些假肢更轻、更便宜、更舒适，从而改善了世界各地患者的生活。在对 Invisalign（本文开头提到的）的挑战中，SmileDirectClub 使用 49 个 HP Jet Fusion 3D 打印系统每天生产超过 50,000 个独特的口腔模具。
