【思考】3D打印材料如何推动3D打印技术走向生产?

3D学堂
3D虎 2016-12-28 17:48:24 7971
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众所周知,材料是限制3D打印进步的最大因素,而同时材料也是解放3D打印潜力的神奇钥匙。制造定制化产品和复杂的产品是3D打印一大吸引力,然而这些优势如何突破原型制造的应用……

  众所周知,材料是限制3D打印进步的最大因素,而同时材料也是解放3D打印潜力的神奇钥匙。制造定制化产品和复杂的产品是3D打印一大吸引力,然而这些优势如何突破原型制造的应用,在最终产品的生产领域有多大的发展空间很大程度上取决于材料技术的发展。3D虎整理了3D打印材料的发展趋势,通过这些发展趋势让我们共同来体会一下材料是如何推动3D打印技术走向生产的。


【思考】3D打印材料如何推动3D打印技术走向生产?


  塑料 – 走向工程级别应用


  热塑性丝材和液体树脂占据了塑料3D打印的主要市场,塑料丝材应用于基于材料挤出的FFF(电熔制丝)和FDM(熔融挤出)3D打印技术,树脂材料光固化材料应用于SLA、DLP、Polyjet 等3D打印技术中。


  丝材


  不少材料都可以作为热塑性塑料丝来进行打印,但最常见的是ABS和PLA丝材,ABS是一种应用广泛的工程塑料,日常生活中大量的塑料玩具和生活用品都是用ABS塑料制造的,因此3D打印材料制造商无需进行强度、耐久性、安全性与其他属性的大量测试。而随着3D打印精度的提升,在小批量生产ABS产品的时候,3D打印具有比注塑更经济的优势。


  例如可用于FDM 3D打印技术的碳纤维复合丝材,3DXTECH用伊士曼化工的PETG材料结合高模量碳纤维制成复合材料。PETG这种材料,本身就有很好的延展性,而且它能在承受更高的CF负载的同时保持一定的延展性和抗冲击性。它能够很好地粘附在多种构建平台上,同时也具有优异的层粘合,而碳纤维的加入不仅增加了它的刚性和尺寸稳定性。


  树脂


  树脂光固化3D打印技术逐渐走向生产,主要源自两个发展趋势的推动,一种趋势是具有更高表面细节和良好力学性能的树脂材料的出现,另一种是树脂材料打印速度的大幅提升。在树脂材料领域,美国Carbon公司推出的氰酸酯(Cyanate Ester)耐高温树,在高温下保持良好的强度、刚度和长期的热稳定性,适用于汽车和航空工业的模具和发热机械零件的生产。Formlabs、塑成科技、MadeSolid等公司也推出了可与ABS注塑件对标的硬性树脂材料。


  尼龙


  尼龙烧结方面,意大利CRP Technology则产生了需要卓越的机械和美学特性的全球产品,而且他们的塑料产品可以被CNC机床进行加工。譬如说新一代的聚酰胺材料windform FX,特点是耐反复弯曲和扭转,显示出优异的耐冲击性,即使在低温下,它的一致性类似于聚丙烯和注射成型零件。


  金属材料-与应用深度结合


  包括GE对金属3D打印企业的收购以及对塑料3D打印企业的投资,这些都与GE的下游应用业务相互呼应,使得GE获得一手的设备优势的同时,又通过自身在应用领域的前沿探索助推设备的研发速度,而GE收购的Arcam又有金属粉末的生产业务,这进一步形成了应用-设备-粉末的良性互动。


  而除了材料本身,加工工艺与材料深度结合起来,纳米材料增强合金、等轴细晶合金、梯度合金、非晶态金属、自愈合合金、超导材料、金属有机骨架材料的研发从微观层面上呈现出材料技术的潜能。拓扑优化、胞元结构又从结构学角度上展现出材料与结构学结合的无限可能


  用户对材料的特定需求也可以拉动3D打印技术在生产中的应用,工程师在设计的早期阶段就考虑材料选用和制造工艺,并从概念设计到具体和最终详细设计阶段作为设计内容而加以考虑和确定,如果涉及到使用3D打印工艺,那么3D打印材料设计师可以通过改变材料的韧性、弹性、导电性等性能设计出满足用户生产需求的材料。


  多材料与功能化


  目前的3D打印技术主要是打印单一的材料和制造单独的零部件,在打印完成之后与其他零部件装配在从而形成完整的机械或电子产品。多材料3D打印技术的出现,可以同时完成塑料和金属材料的3D打印,有望一次性制造出完整的产品。


  据了解,这类3D打印技术已在电子产品的制造领域得到应用。例如Voxel8 3D打印机,可以在一次打印中交替进行电子产品塑料外壳的打印与金属导电电路的打印,在打印中可以插入电子元器件并继续完成打印,从而一次性实现电子产品的外壳制造与产品内部的电路互联,直接制造出功能性的电子产品。研发出可在室温下进行打印并迅速固化的导电油墨材料是实现这一应用的关键。


  正在完善的材料标准


  美国材料与试验协会(ASTM)着手开展相关工作,2009年ASTM国际标准组织组建了F42增材制造技术委员会。F42增材制造标准化专委会已做了细致的标准工作。从顶层的标准来说包括:常规概念、常规要求、常规应用。到针对于材料到加工工艺等不同阶段和不同分类的一般标准,再到针对每个行业的特殊需求所适用的特种材料、工艺以及应用的特殊标准。


  2011年ISO也成立了针对增材制造的标准化技术委员会TC261 ,同年与ASTM F42签署合作协议,共同开展增材制造技术领域的标准化工作,并分别于2013年和2015年联合发布了三份ISO/ASTM标准,分别从术语定义、坐标系定义、增材制造数据格式(AMF)等方面进行了规范。


  欧洲SASAM增材制造标准化小组联合了ISO、ASTM以及CEN多方力量并与2015年6月发布了2015增材制造标准化路线图。路线图中除了关于增材制造标准化路线图的详细介绍,还阐述了当前欧洲增材制造的优劣势分析,以及当前发展需要克服的问题。


  在我国,全国增材制造标准化技术委员会(TC562)与2016年4月召开成立大会,对口国际标准化组织ISO TC 216,在国家层面上开展增材制造技术标准化工作。目前通过该技术委员会正在制定的标准共有6项,设计增材制造技术术语、文件格式、工艺和材料分类等方面。


  更加先进的检测技术


  除了材料标准势在必行,缺乏完善的测试体系,增材制造很难真正意义上理解材料特性对加工的意义,而依靠目前的测试手段已经不能满足对增材制造的需要了。


  3D打印制品在制备和使用过程中,某些缺陷的产生和扩展是无法避免的。无疑,最好的质量控制是过程中控制,但是对于打印结果的检测仍是必不可少的。为了达到对复杂零件的检测,宾州大学采取了计算机X射线断层成像(X-Ray Computed Tomography)检测技术,该技术不仅被用于打印零件的检测,还被用于后处理零件的检测。


  检测技术的提升将进一步推动对材料及加工工艺的理解,从而进一步提升材料技术的发展。 


延伸阅读:《3D打印材料哪种强?MatterHackers的测试数据告诉你 


(来源:3D科学谷) 关键词: 3D打印机 3D打印 3D打印技术
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