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3D打印材料如何推動(dòng)3D打印技術(shù)走向生產(chǎn)?

星之球科技 來(lái)源:3D科學(xué)谷2016-12-30 我要評(píng)論(0 )   

眾所周知,材料是限制3D打印進(jìn)步的最大因素,而同時(shí)材料也是解放3D打印潛力的神奇鑰匙。制造定制化產(chǎn)品和復(fù)雜的產(chǎn)品是3D打印一

眾所周知,材料是限制3D打印進(jìn)步的最大因素,而同時(shí)材料也是解放3D打印潛力的神奇鑰匙。制造定制化產(chǎn)品和復(fù)雜的產(chǎn)品是3D打印一大吸引力,然而這些優(yōu)勢(shì)如何突破原型制造的應(yīng)用,在最終產(chǎn)品的生產(chǎn)領(lǐng)域有多大的發(fā)展空間很大程度上取決于材料技術(shù)的發(fā)展。3D虎整理了3D打印材料的發(fā)展趨勢(shì),通過(guò)這些發(fā)展趨勢(shì)讓我們共同來(lái)體會(huì)一下材料是如何推動(dòng)3D打印技術(shù)走向生產(chǎn)的。
 
塑料 – 走向工程級(jí)別應(yīng)用
 
熱塑性絲材和液體樹(shù)脂占據(jù)了塑料3D打印的主要市場(chǎng),塑料絲材應(yīng)用于基于材料擠出的FFF(電熔制絲)和FDM(熔融擠出)3D打印技術(shù),樹(shù)脂材料光固化材料應(yīng)用于SLA、DLP、Polyjet 等3D打印技術(shù)中。
 
絲材
 
不少材料都可以作為熱塑性塑料絲來(lái)進(jìn)行打印,但最常見(jiàn)的是ABS和PLA絲材,ABS是一種應(yīng)用廣泛的工程塑料,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打印材料制造商無(wú)需進(jìn)行強(qiáng)度、耐久性、安全性與其他屬性的大量測(cè)試。而隨著3D打印精度的提升,在小批量生產(chǎn)ABS產(chǎn)品的時(shí)候,3D打印具有比注塑更經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)。
 
例如可用于FDM 3D打印技術(shù)的碳纖維復(fù)合絲材,3DXTECH用伊士曼化工的PETG材料結(jié)合高模量碳纖維制成復(fù)合材料。PETG這種材料,本身就有很好的延展性,而且它能在承受更高的CF負(fù)載的同時(shí)保持一定的延展性和抗沖擊性。它能夠很好地粘附在多種構(gòu)建平臺(tái)上,同時(shí)也具有優(yōu)異的層粘合,而碳纖維的加入不僅增加了它的剛性和尺寸穩(wěn)定性。
 
樹(shù)脂
 
樹(shù)脂光固化3D打印技術(shù)逐漸走向生產(chǎn),主要源自兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)的推動(dòng),一種趨勢(shì)是具有更高表面細(xì)節(jié)和良好力學(xué)性能的樹(shù)脂材料的出現(xiàn),另一種是樹(shù)脂材料打印速度的大幅提升。在樹(shù)脂材料領(lǐng)域,美國(guó)Carbon公司推出的氰酸酯(Cyanate Ester)耐高溫樹(shù),在高溫下保持良好的強(qiáng)度、剛度和長(zhǎng)期的熱穩(wěn)定性,適用于汽車(chē)和航空工業(yè)的模具和發(fā)熱機(jī)械零件的生產(chǎn)。Formlabs、塑成科技、MadeSolid等公司也推出了可與ABS注塑件對(duì)標(biāo)的硬性樹(shù)脂材料。
 
尼龍
 
尼龍燒結(jié)方面,意大利CRP Technology則產(chǎn)生了需要卓越的機(jī)械和美學(xué)特性的全球產(chǎn)品,而且他們的塑料產(chǎn)品可以被CNC機(jī)床進(jìn)行加工。譬如說(shuō)新一代的聚酰胺材料windform FX,特點(diǎn)是耐反復(fù)彎曲和扭轉(zhuǎn),顯示出優(yōu)異的耐沖擊性,即使在低溫下,它的一致性類(lèi)似于聚丙烯和注射成型零件。
 
金屬材料-與應(yīng)用深度結(jié)合
 
包括GE對(duì)金屬3D打印企業(yè)的收購(gòu)以及對(duì)塑料3D打印企業(yè)的投資,這些都與GE的下游應(yīng)用業(yè)務(wù)相互呼應(yīng),使得GE獲得一手的設(shè)備優(yōu)勢(shì)的同時(shí),又通過(guò)自身在應(yīng)用領(lǐng)域的前沿探索助推設(shè)備的研發(fā)速度,而GE收購(gòu)的Arcam又有金屬粉末的生產(chǎn)業(yè)務(wù),這進(jìn)一步形成了應(yīng)用-設(shè)備-粉末的良性互動(dòng)。
 
而除了材料本身,加工工藝與材料深度結(jié)合起來(lái),納米材料增強(qiáng)合金、等軸細(xì)晶合金、梯度合金、非晶態(tài)金屬、自愈合合金、超導(dǎo)材料、金屬有機(jī)骨架材料的研發(fā)從微觀層面上呈現(xiàn)出材料技術(shù)的潛能。拓?fù)鋬?yōu)化、胞元結(jié)構(gòu)又從結(jié)構(gòu)學(xué)角度上展現(xiàn)出材料與結(jié)構(gòu)學(xué)結(jié)合的無(wú)限可能
 
用戶對(duì)材料的特定需求也可以拉動(dòng)3D打印技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用,工程師在設(shè)計(jì)的早期階段就考慮材料選用和制造工藝,并從概念設(shè)計(jì)到具體和最終詳細(xì)設(shè)計(jì)階段作為設(shè)計(jì)內(nèi)容而加以考慮和確定,如果涉及到使用3D打印工藝,那么3D打印材料設(shè)計(jì)師可以通過(guò)改變材料的韌性、彈性、導(dǎo)電性等性能設(shè)計(jì)出滿足用戶生產(chǎn)需求的材料。
 
多材料與功能化
 
目前的3D打印技術(shù)主要是打印單一的材料和制造單獨(dú)的零部件,在打印完成之后與其他零部件裝配在從而形成完整的機(jī)械或電子產(chǎn)品。多材料3D打印技術(shù)的出現(xiàn),可以同時(shí)完成塑料和金屬材料的3D打印,有望一次性制造出完整的產(chǎn)品。
 
據(jù)了解,這類(lèi)3D打印技術(shù)已在電子產(chǎn)品的制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如Voxel8 3D打印機(jī),可以在一次打印中交替進(jìn)行電子產(chǎn)品塑料外殼的打印與金屬導(dǎo)電電路的打印,在打印中可以插入電子元器件并繼續(xù)完成打印,從而一次性實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的外殼制造與產(chǎn)品內(nèi)部的電路互聯(lián),直接制造出功能性的電子產(chǎn)品。研發(fā)出可在室溫下進(jìn)行打印并迅速固化的導(dǎo)電油墨材料是實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用的關(guān)鍵。
 
正在完善的材料標(biāo)準(zhǔn)
 
美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)著手開(kāi)展相關(guān)工作,2009年ASTM國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織組建了F42增材制造技術(shù)委員會(huì)。F42增材制造標(biāo)準(zhǔn)化專(zhuān)委會(huì)已做了細(xì)致的標(biāo)準(zhǔn)工作。從頂層的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)包括:常規(guī)概念、常規(guī)要求、常規(guī)應(yīng)用。到針對(duì)于材料到加工工藝等不同階段和不同分類(lèi)的一般標(biāo)準(zhǔn),再到針對(duì)每個(gè)行業(yè)的特殊需求所適用的特種材料、工藝以及應(yīng)用的特殊標(biāo)準(zhǔn)。
 
2011年ISO也成立了針對(duì)增材制造的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)TC261 ,同年與ASTM F42簽署合作協(xié)議,共同開(kāi)展增材制造技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作,并分別于2013年和2015年聯(lián)合發(fā)布了三份ISO/ASTM標(biāo)準(zhǔn),分別從術(shù)語(yǔ)定義、坐標(biāo)系定義、增材制造數(shù)據(jù)格式(AMF)等方面進(jìn)行了規(guī)范。
 
歐洲SASAM增材制造標(biāo)準(zhǔn)化小組聯(lián)合了ISO、ASTM以及CEN多方力量并與2015年6月發(fā)布了2015增材制造標(biāo)準(zhǔn)化路線圖。路線圖中除了關(guān)于增材制造標(biāo)準(zhǔn)化路線圖的詳細(xì)介紹,還闡述了當(dāng)前歐洲增材制造的優(yōu)劣勢(shì)分析,以及當(dāng)前發(fā)展需要克服的問(wèn)題。

在我國(guó),全國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(TC562)與2016年4月召開(kāi)成立大會(huì),對(duì)口國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO TC 216,在國(guó)家層面上開(kāi)展增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作。目前通過(guò)該技術(shù)委員會(huì)正在制定的標(biāo)準(zhǔn)共有6項(xiàng),設(shè)計(jì)增材制造技術(shù)術(shù)語(yǔ)、文件格式、工藝和材料分類(lèi)等方面。
 
更加先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)
 
除了材料標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必行,缺乏完善的測(cè)試體系,增材制造很難真正意義上理解材料特性對(duì)加工的意義,而依靠目前的測(cè)試手段已經(jīng)不能滿足對(duì)增材制造的需要了。
 
3D打印制品在制備和使用過(guò)程中,某些缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展是無(wú)法避免的。無(wú)疑,最好的質(zhì)量控制是過(guò)程中控制,但是對(duì)于打印結(jié)果的檢測(cè)仍是必不可少的。為了達(dá)到對(duì)復(fù)雜零件的檢測(cè),賓州大學(xué)采取了計(jì)算機(jī)X射線斷層成像(X-Ray Computed Tomography)檢測(cè)技術(shù),該技術(shù)不僅被用于打印零件的檢測(cè),還被用于后處理零件的檢測(cè)。
 
檢測(cè)技術(shù)的提升將進(jìn)一步推動(dòng)對(duì)材料及加工工藝的理解,從而進(jìn)一步提升材料技術(shù)的發(fā)展?!?/div>

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3D打印材料標(biāo)準(zhǔn)
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