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根據(jù)ACAM亞琛增材制造中心在2021年formnext深圳展會上關于《增材制造技術(shù)“深潛”-前沿發(fā)展趨勢》的分享，3D打印-增材制造的發(fā)展趨勢朝向多維度的深化層面，面向量產(chǎn)應用，向應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科學谷的市場觀察，在新材料與新工藝的結(jié)合方面，德國Schunk不僅使用普通材料實現(xiàn)了這項未來技術(shù)，而且還使用陶瓷、特殊粉末金屬、纖維增強復合材料和多組分材料 3D 打印等高性能材料實現(xiàn)了增材制造。

Schunk

面向量產(chǎn)

3D打印陶瓷

Schunk

多年來，技術(shù)陶瓷的 3D 打印只是工程界的一個夢想。很難想象這個過程會使用如此堅硬的材料。尤其是考慮到陶瓷在燒結(jié)過程中會收縮。長期以來，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科學谷的市場觀察，Schunk從 2014 年開始進行滲硅反應結(jié)合碳化硅 (RBSiC)的 3D 打印，當時Schunk投資了一臺粉末床打印機，隨著時間的推移，Schunk已經(jīng)取得了進展。從那時起，Schunk就專注于這種材料的 3D 打印，因為：RBSiC 注定用于 3D 打印。主要是因為它在燒結(jié)過程中不收縮。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實現(xiàn)前所未有的設計自由度的好方法。對于零件的燒制，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)過程中不收縮？RBSiC 收縮率低的原因是部分硅與碳反應形成碳化硅，并與初級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 1.8 m、寬 1 m 和高 0.7 m 的零件。根據(jù)3D科學谷的了解，當前Schunk每天可以處理超過兩噸的碳化硅。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。

不過一開始的時候，Schunk意識到3D打印陶瓷并不是一件容易的事。材料的硬度、強度、密度和彈性模量等特性最初無法跟上Schunk傳統(tǒng)材料的水平，那時候時不時遇到裂縫問題。

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，對其進行加工非常昂貴且耗時。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)提供了幾乎無限的設計自由，Schunk能夠?qū)崿F(xiàn)使用傳統(tǒng)方法無法想象的復雜幾何形狀。

與此同時，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)出表面積更大的復雜結(jié)構(gòu)，從而提高整個系統(tǒng)的效率。

另一個例子是全新開發(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制造需要剛性和重量輕的機器部件。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挑戰(zhàn)。由于它們的高熔點，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。一些機器制造商和服務提供商在此過程中取得了成功。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相同的工藝和設備，這些工藝和設備已在數(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)千個零件。然后在Schunk的連續(xù)爐中進行脫脂和燒結(jié)。這使得每個零件的平均周期時間可與所有其他高效的批量生產(chǎn)過程相媲美。這就是使這個過程如此有吸引力的原因。

根據(jù)3D科學谷的了解，Schunk目前與一家機器制造商一起開發(fā)了一個 3D 打印的銅部件來優(yōu)化他的機器的性能。在這里，3D 打印的設計自由度使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熱性以及電子元件傳統(tǒng)上所需的導電性。

銅金屬的3D打印技術(shù) 3D科學谷《銅金屬3D打印白皮書》

Schunk還為MIM系列生產(chǎn)制作了許多測試樣品，以減少加工和測量的項目時間。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計自由度中受益，無需模具成本，可實現(xiàn)快速交付。

Schunk

在此期間，Schunk已經(jīng)能夠使用 3D 打印來實現(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)。

纖維增強復合材料的 3D 打印

纖維增強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用。為了使用 3D 打印生產(chǎn)連續(xù)纖維增強材料，Schunk 希望更進一步。

基本上，塑料的 3D 打印與“熔融沉積建?！被颉叭廴陂L絲制造”一起工作。在這些過程中，打印頭將熔化的塑料細絲按路徑逐層施加到選定區(qū)域。纖維增強是通過將短纖維（<1 毫米，約 300 微米）混合到長絲或復合物中獲得的。

更大的挑戰(zhàn)是用連續(xù)纖維打印。在此，在打印過程中將纖維插入塑料長絲中或?qū)⑦B續(xù)長絲滲入。在每個打印層或線的末端，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，并為碳纖維增強塑料開辟了新的應用領域，但Schunk想更進一步。

這Schunk的目標是使用碳纖維增強碳 (CFC) 的連續(xù)纖維增強材料進行 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用，是 Schunk 的專長。為此，Schunk與初創(chuàng)企業(yè)和研究機構(gòu)合作，開發(fā)正確的加工工藝，并將增材制造的新設計自由度用于連續(xù)纖維增強碳。

不過要充分利用新的自由度來塑造和開發(fā)用于 3D 打印的零件，還有很長的路要走。Schunk已經(jīng)開始批量生產(chǎn)零件，銷售額也在穩(wěn)步增長。Schunk今年將推出 IntrinSiC-B4C陶瓷材料，是航空航天、車輛保護和身體保護等復雜保護應用的完美選擇。嚴格的公差是Schunk目前正在探索的另一個領域。

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