根據(jù)ACAM亞琛增材制造中心在2021年formnext深圳展會(huì)上關(guān)于《增材制造技術(shù)“深潛”-前沿發(fā)展趨勢(shì)》的分享，3D打印-增材制造的發(fā)展趨勢(shì)朝向多維度的深化層面，面向量產(chǎn)應(yīng)用，向應(yīng)用端深度延伸走向產(chǎn)業(yè)化的一條發(fā)展路徑是新材料與新制造工藝的結(jié)合。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，在新材料與新工藝的結(jié)合方面，德國(guó)Schunk不僅使用普通材料實(shí)現(xiàn)了這項(xiàng)未來(lái)技術(shù)，而且還使用陶瓷、特殊粉末金屬、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和多組分材料 3D 打印等高性能材料實(shí)現(xiàn)了增材制造。

Schunk

面向量產(chǎn)

3D打印陶瓷

Schunk

多年來(lái)，技術(shù)陶瓷的 3D 打印只是工程界的一個(gè)夢(mèng)想。很難想象這個(gè)過(guò)程會(huì)使用如此堅(jiān)硬的材料。尤其是考慮到陶瓷在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)收縮。長(zhǎng)期以來(lái)，可制造零件的最大尺寸限制在幾立方厘米。然而，3D打印陶瓷技術(shù)正在獲得不斷的突破……

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，Schunk從 2014 年開始進(jìn)行滲硅反應(yīng)結(jié)合碳化硅 (RBSiC)的 3D 打印，當(dāng)時(shí)Schunk投資了一臺(tái)粉末床打印機(jī)，隨著時(shí)間的推移，Schunk已經(jīng)取得了進(jìn)展。從那時(shí)起，Schunk就專注于這種材料的 3D 打印，因?yàn)椋篟BSiC 注定用于 3D 打印。主要是因?yàn)樗跓Y(jié)過(guò)程中不收縮。這使Schunk能夠生產(chǎn)大規(guī)格和高密度部件。在Schunk的 3D 打印過(guò)程中創(chuàng)建的材料稱為 IntrinSiC。

基本上，Schunk可以使用所有傳統(tǒng)的成型技術(shù)。然而，3D 打印毛坯零件是Schunk實(shí)現(xiàn)前所未有的設(shè)計(jì)自由度的好方法。對(duì)于零件的燒制，Schunk仍然使用Schunk傳統(tǒng)的高溫工藝，這樣可以控制成本。

為什么RBSiC在燒結(jié)過(guò)程中不收縮？RBSiC 收縮率低的原因是部分硅與碳反應(yīng)形成碳化硅，并與初級(jí)碳化硅一起形成三維陶瓷基體。另一方面，其余的硅填充所有剩余的空隙。

目前Schunk能夠生產(chǎn)長(zhǎng) 1.8 m、寬 1 m 和高 0.7 m 的零件。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，當(dāng)前Schunk每天可以處理超過(guò)兩噸的碳化硅。這使得Schunk不僅是第一家為這種尺寸的 RBSiC 產(chǎn)品開發(fā)合格且可重復(fù)的 3D 打印工藝的公司，而且也是第一家將該技術(shù)帶入批量生產(chǎn)規(guī)模的公司。

不過(guò)一開始的時(shí)候，Schunk意識(shí)到3D打印陶瓷并不是一件容易的事。材料的硬度、強(qiáng)度、密度和彈性模量等特性最初無(wú)法跟上Schunk傳統(tǒng)材料的水平，那時(shí)候時(shí)不時(shí)遇到裂縫問題。

但現(xiàn)在這些問題都被克服了，Schunk的 3D 打印材料與Schunk傳統(tǒng)的 RBSiC 處于同一水平。Schunk現(xiàn)在可以為客戶提供他們想要的任何零件的最佳工藝。

碳化硅幾乎和金剛石一樣硬。因此，對(duì)其進(jìn)行加工非常昂貴且耗時(shí)。另一方面，Schunk的 3D 打印工藝，Schunk可以生產(chǎn)近凈形狀的零件并最大限度地減少硬加工。此外，3D打印技術(shù)提供了幾乎無(wú)限的設(shè)計(jì)自由，Schunk能夠?qū)崿F(xiàn)使用傳統(tǒng)方法無(wú)法想象的復(fù)雜幾何形狀。

與此同時(shí)，Schunk與客戶一起開發(fā)了多種產(chǎn)品，例如，用于間接加熱的優(yōu)化輻射管。使用傳統(tǒng)的成型工藝，可行的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是有限的。另一方面，借助 3D 打印，Schunk可以生產(chǎn)出表面積更大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

另一個(gè)例子是全新開發(fā)的 IntrinSiC 換熱式燃燒器或 IRecu，用于間接加熱熱處理爐。該產(chǎn)品利用了 3D 打印的所有靈活性。憑借 3D 打印的陀螺結(jié)構(gòu)，它將能源效率最大化到前所未有的水平。

此外，Schunk制造需要?jiǎng)傂院椭亓枯p的機(jī)器部件。與傳統(tǒng)的模制和后加工零件相比，Schunk的 3D 打印工藝在這方面要經(jīng)濟(jì)得多。Schunk開發(fā)的零件與原始結(jié)構(gòu)相比重量減輕了 30%，而不會(huì)影響剛度。

燒結(jié)金屬的3D打印

金屬的增材制造一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。由于它們的高熔點(diǎn)，必須開發(fā)特殊工藝。這些包括直接激光熔化，其中激光或其他小型熱源將粉末熔化到表面上并立即熔化。一些機(jī)器制造商和服務(wù)提供商在此過(guò)程中取得了成功。然而，雄克采取了不同的方法……

Schunk采取的是粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)，這種粘結(jié)劑噴射方法的一大優(yōu)點(diǎn)是不需要粉末床中的支撐結(jié)構(gòu)，因此可以在彼此的頂部打印許多零件。除了粘接劑噴射成型技術(shù)外，Schunk還使用與金屬粉末注射成型MIM相同的工藝和設(shè)備，這些工藝和設(shè)備已在數(shù)十年的大規(guī)模生產(chǎn)中得到證明。

作為汽車零件供應(yīng)商，Schunk需要一種不僅適用于原型制作，而且適用于批量生產(chǎn)的 3D 打印技術(shù)。金屬粘結(jié)劑噴射使Schunk每天可以一次打印數(shù)千個(gè)零件。然后在Schunk的連續(xù)爐中進(jìn)行脫脂和燒結(jié)。這使得每個(gè)零件的平均周期時(shí)間可與所有其他高效的批量生產(chǎn)過(guò)程相媲美。這就是使這個(gè)過(guò)程如此有吸引力的原因。

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，Schunk目前與一家機(jī)器制造商一起開發(fā)了一個(gè) 3D 打印的銅部件來(lái)優(yōu)化他的機(jī)器的性能。在這里，3D 打印的設(shè)計(jì)自由度使Schunk能夠在組件內(nèi)部創(chuàng)建不可見的冷卻通道。在這里，Schunk利用了銅非常好的導(dǎo)熱性以及電子元件傳統(tǒng)上所需的導(dǎo)電性。

銅金屬的3D打印技術(shù) 3D科學(xué)谷《銅金屬3D打印白皮書》

Schunk還為MIM系列生產(chǎn)制作了許多測(cè)試樣品，以減少加工和測(cè)量的項(xiàng)目時(shí)間。例如，通常使用 MIM 工藝生產(chǎn)的基板。同樣，客戶可以從最大的設(shè)計(jì)自由度中受益，無(wú)需模具成本，可實(shí)現(xiàn)快速交付。

Schunk

在此期間，Schunk已經(jīng)能夠使用 3D 打印來(lái)實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)工藝相同的材料特性。這一成功引起了Schunk汽車和航空航天行業(yè)客戶的極大興趣，他們希望使用Schunk的技術(shù)用于每年約 10,000 至 50,000 件的中型批量生產(chǎn)。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的 3D 打印

纖維增強(qiáng)材料的增材制造具有挑戰(zhàn)性。有多種不同的方法，每種方法都有自己的應(yīng)用。為了使用 3D 打印生產(chǎn)連續(xù)纖維增強(qiáng)材料，Schunk 希望更進(jìn)一步。

基本上，塑料的 3D 打印與“熔融沉積建模”或“熔融長(zhǎng)絲制造”一起工作。在這些過(guò)程中，打印頭將熔化的塑料細(xì)絲按路徑逐層施加到選定區(qū)域。纖維增強(qiáng)是通過(guò)將短纖維（<1 毫米，約 300 微米）混合到長(zhǎng)絲或復(fù)合物中獲得的。

更大的挑戰(zhàn)是用連續(xù)纖維打印。在此，在打印過(guò)程中將纖維插入塑料長(zhǎng)絲中或?qū)⑦B續(xù)長(zhǎng)絲滲入。在每個(gè)打印層或線的末端，纖維被切斷。也可以使用具有連續(xù)纖維的熱固性樹脂，例如通過(guò)紫外線照射使樹脂固化。

所有這些技術(shù)都令人著迷，并為碳纖維增強(qiáng)塑料開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，但Schunk想更進(jìn)一步。

這Schunk的目標(biāo)是使用碳纖維增強(qiáng)碳 (CFC) 的連續(xù)纖維增強(qiáng)材料進(jìn)行 3D 打印。在這種材料中，樹脂在至少 1,000 攝氏度的高溫工藝步驟中轉(zhuǎn)化為碳。此類具有多種變體的材料系列廣泛用于高端應(yīng)用，是 Schunk 的專長(zhǎng)。為此，Schunk與初創(chuàng)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)合作，開發(fā)正確的加工工藝，并將增材制造的新設(shè)計(jì)自由度用于連續(xù)纖維增強(qiáng)碳。

不過(guò)要充分利用新的自由度來(lái)塑造和開發(fā)用于 3D 打印的零件，還有很長(zhǎng)的路要走。Schunk已經(jīng)開始批量生產(chǎn)零件，銷售額也在穩(wěn)步增長(zhǎng)。Schunk今年將推出 IntrinSiC-B4C陶瓷材料，是航空航天、車輛保護(hù)和身體保護(hù)等復(fù)雜保護(hù)應(yīng)用的完美選擇。嚴(yán)格的公差是Schunk目前正在探索的另一個(gè)領(lǐng)域。

新材料與新工藝的結(jié)合，將誕生全新的市場(chǎng)機(jī)遇，3D打印-增材制造正在向多維度的深化層面發(fā)展。