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沒有見過3D打印機(jī)，但關(guān)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(shí)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(tuán)隊(duì)運(yùn)用增材制造技術(shù)“復(fù)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(shù)幫助醫(yī)院緊急生產(chǎn)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(jī)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(shù)？3D打?。?DP）是快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)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(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)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(shù)。

那么，3D打印技術(shù)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(zhuǎn)型的推動下，3D打印技術(shù)將會迎來哪些發(fā)展趨勢呢？

3D打印常用的幾種技術(shù)工藝及材料

從20世紀(jì)90年代中期3D打印技術(shù)出現(xiàn)至今，國內(nèi)外在該領(lǐng)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(shí)體制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）、熔融沉積成型（FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM）、選擇性激光燒結(jié)（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(yīng)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(shè)備和工藝研發(fā)。

（1）熔融沉積成型工藝（FDM）

FDM技術(shù)是面向個人的3D打印機(jī)的首選技術(shù)。該工藝需將絲狀的熱熔性材料（通常為ABS或PLA材料）進(jìn)行加熱融化，并通過帶有微細(xì)噴嘴的擠出機(jī)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(yù)定的增量下降一個厚度，然后重復(fù)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(chǎn)周期、實(shí)現(xiàn)了真正的降本增效，所以被大量應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空航天、家電、醫(yī)療、電子等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，因此，使用該工藝的3D打印機(jī)也是最常見的3D打印機(jī)，被稱為“桌面型3D打印機(jī)”。

FDM工藝的打印機(jī)需要使用兩種材料：一種是用于打印實(shí)體部分的成型材料，要求材料的是熔融溫度低、粘度低、粘結(jié)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(chǎn)的零部件（?Stratasys）

2018年，全球3D打印的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)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(xué)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(chǎn)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(jī)械性能始終如一，小批量生產(chǎn)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(fù)合擠出機(jī)，用戶可以實(shí)現(xiàn)汽車碳纖維增強(qiáng)尼龍材料的打印，并印出具有更高強(qiáng)度和精度的金屬替換零件，如，汽車固定架、儀表和發(fā)動機(jī)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(jìn)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(jì)算機(jī)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(jìn)行逐行逐點(diǎn)掃描，這使掃描區(qū)域的樹脂薄層因聚合反應(yīng)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(chǎn)級材料的產(chǎn)品組合基礎(chǔ)上推出了Figure4RUBBER-65ABLK。據(jù)悉，這種中級耐撕裂強(qiáng)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(shè)計(jì)，具有長期的環(huán)境穩(wěn)定性，并根據(jù)UL94標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測試。這些特性使最終用途的彈性體部件的生產(chǎn)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(shè)備密封件、減振器和管道墊片等應(yīng)用的理想選擇。同期推出的產(chǎn)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(shù)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過評估，EvolutionFR在聚合物可燃性的UL94標(biāo)準(zhǔn)中獲得V0等級（證明該材料能夠在10秒內(nèi)在垂直放置的樣品上停止燃燒，沒有液滴），可用于制造關(guān)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(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的SLA材料。

（3）選擇性激光燒結(jié)（SLS）

SLS工藝使用的是粉末狀材料，激光器在計(jì)算機(jī)的操控下對粉末進(jìn)行掃描照射而實(shí)現(xiàn)材料的燒結(jié)粘合，材料通過層層堆積后實(shí)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(jìn)行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點(diǎn)，從而進(jìn)行燒結(jié)并于下面已成型的部分實(shí)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(dú)立的顆粒形狀和窄粒度分布，成為小型復(fù)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(dú)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(jī)械強(qiáng)度和耐用性，成為增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)和制造最終生產(chǎn)零件的首選材料，用于汽車、卡車、飛機(jī)和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域的零件制造過程。

根據(jù)3D科學(xué)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(diǎn)在193攝氏度左右，制造的部件以高剛度和高強(qiáng)度為特征，而且很容易在最常用的SLS機(jī)器上進(jìn)行加工。贏創(chuàng)在這方面則生產(chǎn)了阻燃PA12，以及新的橡膠類材料和PA613，它結(jié)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(yīng)用，如交通運(yùn)輸行業(yè)。

可持續(xù)發(fā)展和數(shù)字化轉(zhuǎn)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(shù)經(jīng)歷了蓬勃的發(fā)展。然而，創(chuàng)新不僅僅體現(xiàn)在技術(shù)進(jìn)步，還包括為每個具體應(yīng)用創(chuàng)建完整的流程。專為客戶提供新技術(shù)的策略性建議，以及新資訊的獨(dú)立型調(diào)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(zhuǎn)型對未來3D打印技術(shù)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(fèi)并減輕其對環(huán)境的影響，這些雖然不是3D打印領(lǐng)域中的首要任務(wù)，但和傳統(tǒng)工藝相比，它的確可以通過零件合并或設(shè)計(jì)優(yōu)化來減少原材料浪費(fèi)。當(dāng)然，“減少浪費(fèi)”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(shù)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(wù)模式，例如，回收多余材料、支撐結(jié)構(gòu)或報廢的最終零件；共享3D打印設(shè)備以提高利用率；使用3D打印的零件進(jìn)行終端產(chǎn)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(wù)。借助此服務(wù)，該公司設(shè)計(jì)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(chǎn)品在使用壽命結(jié)束時可回收。

◆包括HP和Aerosint（比利時）在內(nèi)的多家公司的硬件開發(fā)人員已經(jīng)在改進(jìn)3D打印技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)多余材料的可重復(fù)使用性，并減少制造過程中的材料浪費(fèi)。Aerosint聲稱其選擇性激光燒結(jié)PEEK3D打印機(jī)可滿足這一要求。

◆丹麥奧爾胡斯大學(xué)工程系研究了將塑料廢料回收為標(biāo)準(zhǔn)化的長絲產(chǎn)品。該大學(xué)正在與AageVestergaardLarsenA/S塑料回收公司合作，項(xiàng)目已獲得84000歐元的資金。此外，法國洛林大學(xué)和密歇根理工大學(xué)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(jì)”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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)型為3D打印帶來更多商機(jī)

低成本、大批量的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品生產(chǎn)已經(jīng)逐漸被多樣化、個性化產(chǎn)品取代。不論是汽車、消費(fèi)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(shí)仍然擺在我們面前——當(dāng)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(shù)作為真正的制造解決方案的要求。

盡管3D打印技術(shù)可以縮短交貨時間，但受限于硬件和材料，或是在生產(chǎn)更大數(shù)量的產(chǎn)品時，該項(xiàng)技術(shù)明顯“力不從心”。LuxResearch表示，“3D打印主要的價值驅(qū)動力其實(shí)是軟件創(chuàng)新。這將使新的、更復(fù)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(chǎn)品生命周期成本，并通過幾個簡單的步驟選擇所需的生產(chǎn)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(chǎn)。”

例如，美國Xometry公司聯(lián)手法國達(dá)索系統(tǒng)（DassaultSystèmes），為SolidWorks和Catia（兩種廣泛使用的設(shè)計(jì)軟件）的用戶提供即時設(shè)計(jì)報價；增材制造的軟件服務(wù)提供商3YourMind推出產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和企業(yè)資源計(jì)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(yīng)用程序。

正如LuxResearch所說，在未來，數(shù)字化轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新將給3D打印帶來更多需求和機(jī)遇。為了幫助簡化和本地化供應(yīng)鏈，那些掌握關(guān)鍵軟件創(chuàng)新技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者將釋放3D打印技術(shù)更多潛力。

總結(jié)

沒有任何技術(shù)是“獨(dú)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(dǎo)”技術(shù)的發(fā)展方向。也許有一天，3D打印技術(shù)在將來也會和其他傳統(tǒng)加工技術(shù)一樣普及，而在那之前，積極做好相關(guān)技術(shù)儲備、掌握技術(shù)發(fā)展趨勢非常有必要。