沒有見過3D打印機，但關于“神通廣大”的3D打印故事一直在江湖流傳。這是普羅大眾對于3D打印的一般印象。
這樣的故事，其實每天都在發(fā)生。2013年，世界首量3D打印混合動力車Urbee問世；3DSystems的ODM團隊運用增材制造技術“復活”了英國皇家植物園中邱園大寶塔的木雕龍；在意大利新冠肺炎疫情爆發(fā)的高峰期，一家名為Isinnova的公司充分利用3D打印技術幫助醫(yī)院緊急生產呼吸器閥門部件；植物海鮮初創(chuàng)公司LegendaryVish將與荷蘭3D打印機制造商FELIXprinters合作，以期將3D打印素食三文魚片商業(yè)化，并為現(xiàn)有的魚類提供更健康、更美味的替代品……
到底什么是3D打印技術？3D打?。?DP）是快速成型技術的一種，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印技術突破傳統(tǒng)切削加工方式，是一種成長式的加工方式，大大提高了材料利用率，是顛覆傳統(tǒng)制造方式的革命性制造技術。
那么，3D打印技術對橡塑材料有哪些要求？近年來，有哪些3D打印用橡塑新材料問世？未來的五到十年間，在可持續(xù)發(fā)展和數(shù)字化轉型的推動下，3D打印技術將會迎來哪些發(fā)展趨勢呢？
3D打印常用的幾種技術工藝及材料
從20世紀90年代中期3D打印技術出現(xiàn)至今，國內外在該領域已經(jīng)有近20種不同的工藝系統(tǒng)，而其中，立體光刻（StereoLithigraphyApparatus，SLA）、疊層實體制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）、熔融沉積成型（FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM）、選擇性激光燒結（SelectiveLaserSintering，SLS）、選擇性激光熔化（SelectiveLaserMelting，SLM）、三維打印與膠粘（ThreeDimensionalPrintingandGluing，DP），這六種3D打印工藝應用最典型、最成熟。
目前，3D打印材料約有200余種，通常對于耐熱性、靈活性、穩(wěn)定性以及敏感性有著極高的要求，均是專門針對3D打印設備和工藝研發(fā)。
（1）熔融沉積成型工藝（FDM）
FDM技術是面向個人的3D打印機的首選技術。該工藝需將絲狀的熱熔性材料（通常為ABS或PLA材料）進行加熱融化，并通過帶有微細噴嘴的擠出機把材料擠出來，熔融的絲材被擠出后隨即會和前一層材料粘合在一起。一層材料沉積后工作臺將按預定的增量下降一個厚度，然后重復以上的步驟直到工件完全成型。由于整個過程不需要模具，F(xiàn)DM大大縮短了生產周期、實現(xiàn)了真正的降本增效，所以被大量應用于汽車、機械、航空航天、家電、醫(yī)療、電子等產品的設計開發(fā)過程中，因此，使用該工藝的3D打印機也是最常見的3D打印機，被稱為“桌面型3D打印機”。
FDM工藝的打印機需要使用兩種材料：一種是用于打印實體部分的成型材料，要求材料的是熔融溫度低、粘度低、粘結性好、收縮率小；另一種是用于沉積空腔或懸臂部分的支撐材料，要求材料能承受一定高溫、與成型材料不浸潤、具有水溶性或酸溶性、熔融溫度較低、流動性好。目前市場上主要的FDM材料包括ABS、PLA、PC、PP、合成橡膠等。
由Antero 800NA生產的零部件（?Stratasys）
2018年，全球3D打印的行業(yè)領導者、美國Stratasys公司為其FDM工藝引入了一種新的聚醚酮酮（PEKK）熱塑性材料。據(jù)報道，Antero800NA為許多制造商提供了重要的優(yōu)勢，包括更輕的零件和更少的庫存。Antero800NA具有優(yōu)良的耐化學性能和極低的釋氣性能。此外，該材料還具有耐高溫性和優(yōu)異的耐磨性。使用該材料生產的部件耐用、尺寸穩(wěn)定，甚至在制造大型部件時也是如此。這包括在X軸和Z軸上更好的伸長率，部件不易斷裂，機械性能始終如一，小批量生產具有成本優(yōu)勢，大型制品尺寸更穩(wěn)定。
此外，Stratasys旗下的子公司MakerBot在今年5月宣布推出新型METHOD碳纖維版本，配合新型復合擠出機，用戶可以實現(xiàn)汽車碳纖維增強尼龍材料的打印，并印出具有更高強度和精度的金屬替換零件，如，汽車固定架、儀表和發(fā)動機艙等。
（2）立體光固化成型工藝（SLA）
SLA工藝是以光敏樹脂作為材料，在系統(tǒng)控制下，紫外激光對液態(tài)的光敏樹脂進行掃描從而讓其逐層凝固成型。液槽中會先盛滿液態(tài)的光敏樹脂，氦—鎘激光器或氬離子激光器發(fā)射出的紫外激光束在計算機的操縱下按工件的分層截面數(shù)據(jù)在液態(tài)的光敏樹脂表面進行逐行逐點掃描，這使掃描區(qū)域的樹脂薄層因聚合反應而固化，并形成工件的一個薄層。
使用Cubicure的Evolution FR材料3D打印電子零件（?Cubicure）
今年6月，3DSystems在其生產級材料的產品組合基礎上推出了Figure4RUBBER-65ABLK。據(jù)悉，這種中級耐撕裂強度的彈性體具有很高的斷裂伸長率，從而具有較高的柔韌性和耐用性，經(jīng)過專門設計，具有長期的環(huán)境穩(wěn)定性，并根據(jù)UL94標準進行了測試。這些特性使最終用途的彈性體部件的生產具有很高的精度，并最大限度減少支撐件上的痕跡，這使其成為空氣/防塵墊片、電子設備密封件、減振器和管道墊片等應用的理想選擇。同期推出的產品還包括Accura?FidelityTM、AccuraBond、AccuraPatch和Figure4JEWELMASTERGRY，都是專為該公司的Figure4和SLA打印技術設計的。
去年，維也納初創(chuàng)公司Cubicure宣布已開發(fā)出一種用于SLA3D打印的阻燃材料EvolutionFR。這款新型材料是一種無鹵素的光敏聚合物，可打印出結構復雜的阻燃物體，為電子等行業(yè)的SLA增材制造提供了新的應用領域。經(jīng)過評估，EvolutionFR在聚合物可燃性的UL94標準中獲得V0等級（證明該材料能夠在10秒內在垂直放置的樣品上停止燃燒，沒有液滴），可用于制造關鍵的電子組件，如，插頭、連接器和夾具等。據(jù)悉，EvolutionFR是全球唯一通過UL94標準認證的SLA材料。
（3）選擇性激光燒結（SLS）
SLS工藝使用的是粉末狀材料，激光器在計算機的操控下對粉末進行掃描照射而實現(xiàn)材料的燒結粘合，材料通過層層堆積后實現(xiàn)成型。該工藝先采用壓輥將一層粉末平鋪到已成型工件的上表面，數(shù)控系統(tǒng)操控激光束按照該層截面輪廓在粉層上進行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點，從而進行燒結并于下面已成型的部分實現(xiàn)粘合。常用的SLS原料包括ABS、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）、尼龍（PA）、覆膜陶瓷粉末、蠟粉等。
在今年TCT亞洲展上，阿科瑪展出了Orgasol?聚酰胺12和Rilsan?聚酰胺11。據(jù)悉，Orgasol?InventSmooth粉末以其獨立的顆粒形狀和窄粒度分布，成為小型復雜零件成型的理想材料，保障這些零件無需加工便可獲得光滑表面。同時，突出的粘度穩(wěn)定性和出色的可回收性也是Orgasol?InventSmooth粉末的重要優(yōu)勢，得益于獨特的專利聚合工藝，該粉末的新粉添加比例可以控制在較低的比例。
來自Nefilatek的3D打印長絲（?Nefilatek）
Rilsan?聚酰胺11則由100%可再生原料的高性能聚酰胺制得，并專為3D打印而開發(fā)，包括兩款粉末——無色和黑色。Rilsan?聚酰胺11以其無與倫比的機械強度和耐用性，成為增材制造技術設計和制造最終生產零件的首選材料，用于汽車、卡車、飛機和醫(yī)療設備等領域的零件制造過程。
根據(jù)3D科學谷報道，巴斯夫正開發(fā)用于SLS工藝的一種新型材料——UltrasintPA6LMX085。這種灰色的聚酰胺-6型粉末熔點在193攝氏度左右，制造的部件以高剛度和高強度為特征，而且很容易在最常用的SLS機器上進行加工。贏創(chuàng)在這方面則生產了阻燃PA12，以及新的橡膠類材料和PA613，它結合了耐高溫、高伸長率和高剛度等優(yōu)良特性，可用于開發(fā)新的應用，如交通運輸行業(yè)。
可持續(xù)發(fā)展和數(shù)字化轉型對3D打印的重要影響
從普通玩具到功能部件，在過去的十多年里，3D打印技術經(jīng)歷了蓬勃的發(fā)展。然而，創(chuàng)新不僅僅體現(xiàn)在技術進步，還包括為每個具體應用創(chuàng)建完整的流程。專為客戶提供新技術的策略性建議，以及新資訊的獨立型調查咨詢企業(yè)LuxResearch（波士頓）曾指出，可持續(xù)發(fā)展和數(shù)字化轉型對未來3D打印技術的創(chuàng)新發(fā)展方向起到重要的影響作用。
（1）3D打印的可持續(xù)發(fā)展之路
減少CO2排放、消除塑料浪費并減輕其對環(huán)境的影響，這些雖然不是3D打印領域中的首要任務，但和傳統(tǒng)工藝相比，它的確可以通過零件合并或設計優(yōu)化來減少原材料浪費。當然，“減少浪費”并不足以宣稱3D打印是一個真正的可持續(xù)過程?！半S著所有主要行業(yè)都在經(jīng)歷可持續(xù)發(fā)展的影響，3DP技術開發(fā)人員將需要迅速追趕可持續(xù)發(fā)展的理念，否則有可能會被行業(yè)拋棄?！盠uxResearch表示。
目前，已有不少研發(fā)人員正在探索循環(huán)業(yè)務模式，例如，回收多余材料、支撐結構或報廢的最終零件；共享3D打印設備以提高利用率；使用3D打印的零件進行終端產品維修等。
◆Signify（以前稱為“飛利浦照明”）于2019年11月推出了3D打印服務。借助此服務，該公司設計了可根據(jù)客戶的確切需求量身定制的照明器，同時可滿足產品在使用壽命結束時可回收。
◆包括HP和Aerosint（比利時）在內的多家公司的硬件開發(fā)人員已經(jīng)在改進3D打印技術，以實現(xiàn)多余材料的可重復使用性，并減少制造過程中的材料浪費。Aerosint聲稱其選擇性激光燒結PEEK3D打印機可滿足這一要求。
◆丹麥奧爾胡斯大學工程系研究了將塑料廢料回收為標準化的長絲產品。該大學正在與AageVestergaardLarsenA/S塑料回收公司合作，項目已獲得84000歐元的資金。此外，法國洛林大學和密歇根理工大學的研究人員通過增材制造的分布式回收利用，研究了“循環(huán)經(jīng)濟”的深層次概念；Nefilatek在去年推出由100％再生塑料制得的3D打印長絲Kickstarter；總部位于英國的3D打印公司Lancashire3D推出用于3D打印的可循環(huán)材料，材料主要來源于多余的零部件，以及廢棄的長絲或支撐結構，該公司承諾將其95％的廢塑料回收再利用為可持續(xù)的3D打印材料。
（2）數(shù)字化轉型為3D打印帶來更多商機
低成本、大批量的標準化產品生產已經(jīng)逐漸被多樣化、個性化產品取代。不論是汽車、消費包裝，還是其他行業(yè)，3D打印作為新興替代制造方法的代表之一，越來越受到追捧。但是，有一個事實仍然擺在我們面前——當前的生態(tài)系統(tǒng)還缺乏足夠的靈活性和敏捷性來滿足將3D打印技術作為真正的制造解決方案的要求。
盡管3D打印技術可以縮短交貨時間，但受限于硬件和材料，或是在生產更大數(shù)量的產品時，該項技術明顯“力不從心”。LuxResearch表示，“3D打印主要的價值驅動力其實是軟件創(chuàng)新。這將使新的、更復雜的數(shù)字平臺成為可能。這些平臺不僅可以幫助訂購3D打印材料或是零件，還可以幫助評估產品生命周期成本，并通過幾個簡單的步驟選擇所需的生產參數(shù)，甚至在用戶沒有任何3D打印專業(yè)背景的情況下順利完成訂單生產?！?/p>
例如，美國Xometry公司聯(lián)手法國達索系統(tǒng)（DassaultSystèmes），為SolidWorks和Catia（兩種廣泛使用的設計軟件）的用戶提供即時設計報價；增材制造的軟件服務提供商3YourMind推出產品生命周期管理（PLM）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和企業(yè)資源計劃（ERP）軟件，可幫助分析和確定零件是否能夠3D打印，并選擇合適的應用程序。
正如LuxResearch所說，在未來，數(shù)字化轉型的創(chuàng)新將給3D打印帶來更多需求和機遇。為了幫助簡化和本地化供應鏈，那些掌握關鍵軟件創(chuàng)新技術的領導者將釋放3D打印技術更多潛力。
總結
沒有任何技術是“獨立地成長”，大環(huán)境對它們而言，更像是健康發(fā)展的土壤，甚至在某些時候“引導”技術的發(fā)展方向。也許有一天，3D打印技術在將來也會和其他傳統(tǒng)加工技術一樣普及，而在那之前，積極做好相關技術儲備、掌握技術發(fā)展趨勢非常有必要。
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