违背常识的“凭空造物”!盘点全球11种金属及非金属材料无支撑3D打印技术

3D打印资讯
2021
11/23
23:22
分享
评论
南极熊导读:我们都知道,由于受到地球重力的影响,3D打印的很多悬空度比较大的零件都要通过预先设计支撑结构来实现,否则悬空结构多会因为自重而发生坍塌。所以,无支撑3D打印一直以来都是违背常识的存在。不过,科技都是在一次次的突破人类固有的常识中取得进步的,那些之前不敢想的、不敢做的后来也都被一一实现。今天,南极熊就来带你盘点一下当下已经出现了的11种无支撑3D打印技术。

SLM Free Float
厂家:SLM Solutions
代表产品:无支撑金属3D打印技术(FreeFloat)
发布时间:2021年6月23日

SLM Solutions于2021年6月份线上发布一款改变行业规则的跨时代产品——无支撑金属3D打印技术((Free Float),它赋予了增材技术全新的设计能力以及无与伦比的创造能力,为金属增材制造带来了更多的可能性。
这项“无支撑”技术最大的特点,就是减少甚至取消了以往打印过程中结构件必须用到的支撑件,由于支撑机构的存在导致3D打印的预处理和后处理过程非常耗时,同时也增加了材料成本以及限制了零件设计自由度。在提升金属零部件生产力的同时,减少总体的材料使用,从而降低最终零部件的制造成本,实现工业规模的批量化生产。
全新亮相的Free Float无支撑技术是SLM Solutions通过不断探索与创新中实现的又一突破,通过将多项技术的统一整合,最终实现大幅减少或消除零件打印所需的支持结构。
SLM1.jpg SLM2.jpg
TCT展会期间,SLM Solution展示的由无支撑打印技术制成的结构件
总的来说,该技术具有以下诸多优点:
1)      大幅减少或取消支撑结构,减少后处理工作量
2)      扩大内部冷却流道的直径,提升冷却性能
3)      可打印更精确的薄壁结构及更尖锐的边缘结构
4)      改善零部件表面光洁度
5)      减少复杂几何图形的翘曲情况
SLM Solutions1.jpg
△SLM Solutions通过无支撑金属3D打印技术制造出的零件

VELO3D Support Free Geometries
厂家:VELO3D
代表产品:Support Free Geometries无支撑金属3D打印技术/蓝宝石DMLS系统
发布时间:2021年9月

VELO3DMetal,成立于2014年,总部位于美国加州旧金山湾区,是一家数字制造公司,它是是一家直接金属激光烧结(DMLS)增材制造系统和打印准备软件的开发商,发明了Support Free Geometries无支撑金属3D打印技术。
该公司于2018年在国际制造技术展(IMTS)上首次披露了其蓝宝石DMLS系统。蓝宝石系统的关键是VELO3D的智能融合技术,它可以模拟和预测零件变形,消除支撑结构。智能融合工艺通过调整零件设计来平衡变形,并配合前馈闭环熔池控制和原位计量数据来实现,生产出的零件几乎没有支撑结构。

VELO3D4.jpg
△Velo3D Sapphire 金属3D打印机构建室,是圆柱形的

在今年9月份的RAPID+TCT2021展会上,VELO3D在蓝宝石3D生产打印机上引入了首个3D金属打印的无支撑功能。 通过减少金属增材制中对支撑结构的需求,这可以实现无限的设计创新。此外,VELO3D开发了一个完整解决方案,包括VELO 3D制造商可以使用Flow™打印准备软件,Sapphire®激光粉末床AM系统和Assure™质量保证软件。其3D打印专利技术SupportFree Powder Bed Fusion(无支撑粉末床金属3D打印)优于竞争对手,因为在打印过程中不使用支撑。

VELO3D3.jpg
△无支撑3D打印演示

厂家:Incus
代表产品:液态光固化金属3D打印制造(LMM)技术
发布时间:Formnext 2019

Incus1.jpg Incus3.jpg

在Formnext 2019上,Incus首次公开了其光固化金属3D打印制造(LMM)技术。其Hammer系列机器使用光聚合技术低成本地3D打印高精度的金属部件,例如散热器和钻头,具有良好的结构和良好的表面光滑度。
如今的制造市场,对于能够实现复杂几何形状进行批量生产和功能性原型3D打印技术的需求量很大,Incus表示,除了小批量生产零件外,LMM技术一种很好的低成本的技术。它在质量上与金属注射成型或MIM相媲美。据说其旗舰产品Hammer Lab35 3D打印机可以打印200克以下的零件,具有出色的机械性能,使用工业级光引擎横向分辨率为35 μm,打印速度高达100 cm3/ h。此外,它使用的原料具有自支撑功能,允许在单个打印平台上对不同几何形状进行体积优化放置,而无需任何支撑结构。

Incus2.jpg
△无支撑液态光固化金属3D打印机主要结构

凝胶点胶打印技术(GDP)

以色列公司Massivit 3D针对打印大型物件,研发了一种独特的3D打印技术,尤其适合需要很多支撑的悬挑和多角的结构。

Massivit 3D1.png

凝胶点胶打印技术所用的打印机需要一个可移动的起重机架来紫外光源照射光敏材料。一旦紫外线照射到某个区域,该区域内的光敏性凝胶就会固化成坚固的聚合物。结合该公司的专有软件和特殊光敏性凝胶,分布式凝胶打印技术可以在没有支撑的情况下轻易打印直立墙壁和天花板。

Massivit 3D2.gif

这项技术结合了FDM和SLA的双重优点,它使用类似FDM的工作方式,以SLA的工作原理进行打印。请把FDM机器的喷头想象成一个UV灯,这个灯沿着打印路径飞快移动,固化路径上的凝胶。


xolo体积3D打印
发布者:xolo公司
代表产品:无需支撑的光固化3D打印——X线照相体积3D打印技术
发布时间:2020年12月

xolo1.jpg
△X交叉光片照相体积光固化3D打印机

2020年12月23日,德国科学家在顶级期刊《nature》上重磅发布了一篇名为“xolography for linear volumetric 3D printing”的论文,并就这项技术创立了一家名为xolo的公司。这篇论文中公布了一种被称为X线照相体积的3D打印技术,该技术允许以高达25微米的特征分辨率和55立方毫米/秒的固化速度3D打印物体。
xolography的方法并不像其他3D打印过程那样依靠堆叠来3D打印对象,它是通过很多不同的角度将“射线光片”投射到透明树脂桶中,然后选择光的波长来激活被称为双色光引发剂(DCPIs)的分子,进而引发树脂聚合,使单层薄片固化。Xolo还表示无论模型有多么复杂,X线照相光固化3D打印技术都不需要支撑结构。这是因为打印作业的松散部分暂时被周围的粘性树脂支撑。
Xolo解析说,光敏树脂材料单体的交联,会导致密度变化,从而导致零件在重力作用下的下沉速率不同。树脂的高打印速度和粘度使这种影响最小化,因此零件的下沉仅在制造完成后才变得明显。
更为重要的是,论文表明该项技术的打印速度是双光子3D打印技术的10,000-100,000倍。而且双光子技术只能打印一些很小的物体,并且打印速度非常慢。但X线体积3D打印意味着大约每小时可以3D打印固化一升材料;如果使用更强大的激光光源和更精细的树脂,打印速度将大大提高。

xolo2.jpg
△X交叉光片照相体积3D打印技术原理


德国Fraunhofer研究所
发布者:德国Fraunhofer研究所与Rapid Shape公司
代表产品:TwoCure(双固化)的全新树脂3D打印技术
发布时间:2017年11月

TwoCure1.jpg
△TwoCure技术的打印成品

2017年11月,德国Fraunhofer研究所与Rapid Shape公司合作研发了出了一种名为TwoCure(双固化)的全新树脂3D打印技术,而使用它完全不需要打印支撑结构。
TwoCure技术的奥秘在于采用了“光固化”和“热固化”两种方法,正如其名所示。实际工作时,它会像DLP(数字光处理)技术一样,用投影仪将对象的横截面影像投射到树脂上,实现“光固化”,逐层打印出物体。但同时,它还会通过加热“热固化”没有被“光固化”部分的树脂(也是逐层),令其变为一种类似“蜡”的状态。而在整个过程中,这部分就起到了支撑的作用。

TwoCure2.jpg
TwoCure3.jpg
△TwoCure技术原理

BlackBelt
发布者:BlackBelt
代表产品:传送带3D打印机

与普通打印机相比,BlackBelt最大的不同有两点:第一,就是用传送带替换了垂直升降平台(Z轴),所以能实现连续打印和超长打印。正如下面的图片所示,在末端加上一个收集器,就能在无需人工看护的情况下实现连续打印。而放置一个滚筒架,就能进一步提高打印长度,理论上可以达到无限。需要指出的是,传送带是用碳纤维复合材料制作的,粘性很强,并且经过了严格的测试,所以可以确保打印过程中打印件的稳定。

BlackBelt1.jpg

第二,则是将打印头的运动平面(X、Y轴)由水平改为了倾斜,所以打印大部分形状都不需要支撑,但在打印某些形状时还是需要首先打印一个起支撑作用的“起始结构”。正如下图这架战斗机,其前端与传送带并不接触,所以打印前就需要首先打印一个楔形结构(红色部分)。据开发人员介绍,BlackBelt的最佳打印角度是45°,但这个数字也可以根据具体需求调整为15°、 25°和34°。

BlackBelt3.jpg

MIT凝胶3D打印
发布者:MIT
代表技术:快速液体打印(RLP)

MIT1.jpg

著名美国高校麻省理工学院(MIT)的最新研究——快速液体打印(RLP),由该校自组装实验室(Self-Assembly Lab)与密歇根家具制造商Steelcase联合开发,该项技术最大的亮点就是打印完全不需要支撑,并且尺寸可以非常大,因为其整个过程并不是发生在空气中,而是在凝胶中,就像下面这样:

MIT1.gif

凝胶在打印过程中起到了支撑和稳定的作用。实际打印时,喷嘴会挤出两种液态聚氨酯材料。随后,该材料便会在化学作用下在几分钟之内固化。最后只要将固化的结构取出再冲洗干净,你就得到最终产品了。
由于盛放凝胶的容器可以做得很大,这种方法的打印尺寸自然也就可以很大。而且,因为凝胶会充满整个容器,所以打印任何结构都可以一次成型。另外,这种方法能使用的原材料也不只是聚氨酯,还有橡胶、塑料等其它常见的工业原料。所以,它有望令当前的3D打印行业发生很大改变,最终应用到许多行业中,尤其是定制办公家具方面。

波音公司空间悬浮3D打印技术
发布者:波音公司
代表技术:空间悬浮3D打印技术
发布时间:2016年2月4日
波音4.jpg
△空间悬浮3D打印技术原理简图

航空巨头波音公司曾研发了一项新的3D打印技术:空间悬浮3D打印技术。该技术最大的亮点在于,被打印物体会处于悬浮状态,并且能够360度自由旋转。这样,即便周围有很多台3D打印机,也不用怕任意堆叠材料了。有了这种技术,就完全破处了对某些形状的3D打印限制,可实现一些复杂零部件的整体3D打印。

波音1.jpg
△3D打印材料是可以旋转的,3D打印机甚至可以将材料添加到对象表面的底部
波音2.jpg 波音3.jpg
△波音公司研发的空间悬浮3D打印技术

我们都知道,作为地球上的任何东西,都无法摆脱重力的束缚,所以在打印物体时,就需要一个打印床作为支撑,以自上而下的方式打印物体,而波音公司的这项技术将彻底摆脱这种限制。它利用多个打印机同时挤出具有抗磁性的材料,而且这种材料在进行超级冷却以后会变成超导体。实际上,由于3D打印对象被磁场支持着,打印机可以将材料沉积在对象的任何一边,传统的3D打印机只能进行自上而下的打印,空间悬浮3D打印技术完全可以不受这种顺序的束缚。有了这项技术,被打印物体的每个部分都是悬浮的。这就意味着,今后的3D打印物体可能再也不需要支撑结构了。

IAAC
发布者:西班牙加太罗尼亚国家建筑学会(IAAC)
代表产品:反重力建模技术
IAAC3.png
△“MATAERIAL”反重力3D打印技术

由于受到重力的限制,当下的3D打印技术只能在水平操控平台上完成打印。来自西班牙加泰罗尼亚高等建筑学院(IAAC)和荷兰阿姆斯特丹Joris Laarman工作室的一群科研人员研制出一种名为“MATAERIAL”的反重力3D打印技术,这项技术可以通过调整3D打印过程中,机器处理模型倾斜度、平滑度和尖锐角度的方法,让我们不会再看到打印中的模型在自己面前轰然崩塌的惨剧。

他们的目标是反重力建模技术可以摆脱传统的制造空间和支撑材料的限制,制造出几乎所有大小和形状的物体。这项技术可以向外挤压热熔型聚合物,这些聚合物材料可以在不同角度瞬间凝固成一个稳定的结构,它可以轻易附着在垂直立面上进行多方向打印,打印出的曲线几乎可以在空间中自由伸展并且无需支撑。

IAAC1.png
△“MATAERIAL”技术用三维曲线代替二维打印层

ADAM
发布者:谢菲尔德大学增材制造研究中心(ADAM)
代表技术:无锚的”选择性激光烧结技术(ASLS)

位于英格兰第四大城市谢菲尔德市的谢菲尔德大学增材制造研究中心(ADAM)的Neil教授和他的团队开发出一种新的激光烧结技术,通过把低温熔体金属粉末烧结成3D打印模型,进而摆脱支撑对3D打印结构的束缚,这种技术被称为“无锚的选择性激光烧结技术”。
无锚的选择性激光烧结技术基于冶金学中的“低共熔合金”技术,这种合金会在一个较低的温度(低共熔点)急剧凝固,举个例子,铝的熔点是660摄氏度,硅的熔点是1414摄氏度,但是,硅铝合金的低共熔点只有577摄氏度。如果它们能够进一步加快这一硬化过程,再复杂的几何形态,在应力点上都可以免去支撑结构。


ASLS.png
△“低共熔合金”技术简图

上图显示了“低共熔合金”技术的简略过程:先加热粉床,混合两种粉末;激光将两种粉末烧结成新的共熔合金;最后把粉床温度控制在低共熔点温度上,保持模型温度均匀冷却。
模型需要依靠支撑结构进行构件是3D打印过程中一个很大的障碍,支撑就好比是一个“锚”,模型的打印需要围绕这个锚点来进行构建,只有这样,机器才能打印出悬伸出去的部分,无锚选择性激光烧结技术改变的就是传统的打印方式,打印过程中,为了转移或者减小某一结构上过大的压力,通常需要增加一个锚点(即支撑点),无锚选择性激光烧结技术正好在低温状态下急速固化模型以减轻压力。


结语

3D打印技术本身就是一项非常节省成本的工艺技术,如果能实现3D打印的无支撑化,将实现制造业真正的“零损耗”,因此,为企业节省巨大的能源、材料和时间成本是这一技术最大的价值。

尽管3D打印听起来非常酷炫,但真正接触过他的人都知道,它那漫长且必要、枯燥又无味的支撑去除过程总是一个让人郁闷的问题,这也使得无数3D打印爱好者望而却步。所以,如果这种无支撑3D打印技术真正能得以应用,那将意味着消费者从此以后再也不需要在模型的后期处理上花大量时间和精力。南极熊认为,这也会是一项颠覆性的技术革新,所以我们对这种技术的成功应用还是抱有非常大的期待的。



上一篇:创想三帝推出1.2米尺寸商业级颗粒3D打印机G12,拓展智能制造新视野
下一篇:3D打印的G-Code基础知识
回复

使用道具 举报

推动3D打印

关注南极熊

下载手机APP

联系QQ/微信9:00-16:00

392908259

南极熊3D打印网

致力于推动3D打印产业发展

快速回复 返回列表 返回顶部