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2016年终盘点新材料趋势,赋予3D打印更多附加值

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本帖最后由 小软熊 于 2016-12-29 10:50 编辑

众所周知,材料是限制3D打印进步的最大因素,而同时材料也是解放3D打印潜力的神奇钥匙。制造定制化产品和复杂的产品是3D打印一大吸引力,然而这些优势如何突破原型制造的应用,在最终产品的生产领域有多大的发展空间很大程度上取决于材料技术的发展。南极熊也看到在2016年一年中有许多的新材料的出现,接下来我们整理了3D打印材料的发展趋势,通过这些发展趋势让我们共同来体会一下材料是如何推动3D打印技术走向生产的。

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不仅仅是满足生产需求,创造功能与产品生命周期价值

塑料 – 走向工程级别应用
热塑性丝材和液体树脂占据了塑料3D打印的主要市场,塑料丝材应用于基于材料挤出的FFF(电熔制丝)和FDM(熔融挤出)3D打印技术,树脂材料光固化材料应用于SLA、DLP、Polyjet 等3D打印技术中。
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丝材
不少材料都可以作为热塑性塑料丝来进行打印,但最常见的是ABS和PLA丝材,ABS是一种应用广泛的工程塑料,日常生活中大量的塑料玩具和生活用品都是用ABS塑料制造的,因此3D打印材料制造商无需进行强度、耐久性、安全性与其他属性的大量测试。而随着3D打印精度的提升,在小批量生产ABS产品的时候,3D打印具有比注塑更经济的优势。不过,针对3D打印这个工艺,ABS丝材还有一些需要改善的问题存在,如ABS材料在冷却时容易收缩和翘曲。PLA是一种可降解的生物材料,比ABS更加环保,在加热时不会发出有毒气体,冷却收缩率小,透明容易染色,但是聚乳酸材料也存在力学性能差,易发生脆性断裂等缺点,导致3D打印PLA 材料的应用范围受到限制。

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可见,FFF或FDM 3D打印技术若要在生产领域获得更大空间,则需要一批收缩率小、力学性能好的丝材。国内的3D的打印材料企业已着手开发改性的ABS或PLA材料,或推出新的高分子材料,例如,深圳光华伟业在进行聚乳酸材料改性时加入了低熔点树脂包覆的无机粉体,从而降低降低材料的收缩率并加速材料的冷却,制备出来的PLA打印线材具有较好韧性,具有收缩率低、不翘边、 不开裂、冷却快、外观好等优点。上海Polymaker开发了PolySher,能对打印件喷涂特制的酒精气溶胶,从而消除打印件表面的层状痕迹,显著提高表面质量,令打印件变得像注塑件一样光滑。PolySmooth的定位是达到ABS的机械性能同时又像PLA一样的容易打印。
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随着近几年材料与材料挤出3D打印设备的发展,不仅是打印质量表面越来越光滑,而且在打印的长丝材料方面,越来越走向复合材料打印,使得这些打印出来的产品拥有了注塑产品都难以达到的工程级性能。

例如可用于FDM 3D打印技术的碳纤维复合丝材,3DXTECH用伊士曼化工的PETG材料结合高模量碳纤维制成复合材料。PETG这种材料,本身就有很好的延展性,而且它能在承受更高的CF负载的同时保持一定的延展性和抗冲击性。它能够很好地粘附在多种构建平台上,同时也具有优异的层粘合,而碳纤维的加入不仅增加了它的刚性和尺寸稳定性。

树脂
树脂光固化3D打印技术逐渐走向生产,主要源自两个发展趋势的推动,一种趋势是具有更高表面细节和良好力学性能的树脂材料的出现,另一种是树脂材料打印速度的大幅提升。在树脂材料领域,美国Carbon公司推出的氰酸酯(Cyanate Ester)耐高温树,在高温下保持良好的强度、刚度和长期的热稳定性,适用于汽车和航空工业的模具和发热机械零件的生产。Formlabs、塑成科技、MadeSolid等公司也推出了可与ABS注塑件对标的硬性树脂材料。
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Carbon已将树脂3D打印技术渗透到了生产领域,投资Carbon的股东之一宝马集团已使用Carbon3D打印机生产汽车上的个性化零部件。国内企业中,大族激光率先推出了商业化的高速度树脂3D打印机,由于打印所需时间短,打印效率高,特别适用于产品的批量定制化生产。光敏树脂材料与设备的技术提升是相辅相成的过程,随着新设备的涌现,更多工程级别应用的新材料将被研发出来。详见南极熊盘点—9种适用于桌面级3D打印的光敏树脂

尼龙
尼龙烧结方面,意大利CRP Technology则产生了需要卓越的机械和美学特性的全球产品,而且他们的塑料产品可以被CNC机床进行加工。譬如说新一代的聚酰胺材料windform FX,特点是耐反复弯曲和扭转,显示出优异的耐冲击性,即使在低温下,它的一致性类似于聚丙烯和注射成型零件。
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金属材料-与应用深度结合
春江水暖鸭先知,以应用驱动材料与设备技术已蔚然成风。

包括GE对金属3D打印企业的收购以及对塑料3D打印企业的投资,这些都与GE的下游应用业务相互呼应,使得GE获得一手的设备优势的同时,又通过自身在应用领域的前沿探索助推设备的研发速度,而GE收购的Arcam又有金属粉末的生产业务,这进一步形成了应用-设备-粉末的良性互动。

GKN打造了三个增材制造卓越中心:GKN美国辛辛那提增材制造卓越中心,GKN 瑞典Trollhätten增材制造卓越中心,GKN英国Filton增材制造卓越中心。不仅仅是应用,应用是GKN的商业模式也是感受市场需求的“探测头”,通过航空航天、动力、粉末三大业务部门,每个业务部门相互滋养,并与应用端紧密相连。与此同时,给GKN这些卓越中心不断“输血”的是GKN与其全球20所高校及科研机构的联合开发模式.详见3D科学谷研究揭秘GKN的增材制造布局。
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美铝是另外一家形成企业内生态圈的企业,通过收购,美铝快速发展了贯穿增材制造整个工艺链的工程能力,他们不仅仅对增材制造有着基于大量操作实践的了解,还在包括热等静压这些后处理工艺上进行了大量的投资。美铝自身的能力就可以满足对增材制造流程中每个环节的把控,而他们甚至可以根据特定的加工需求来开发特定的金属粉末,然后通过增材制造的工艺将其制造出来,再进行后处理和质量检测。

国内打造企业内部生态圈的典型企业是西安铂力特,其三大业务板块:粉末材料、设备、打印服务,这几个板块的业务相辅相成,不断增强其核心技术的市场竞争力。通过研究粉末材料来理解设备,通过满足应用端的需求来推动粉末材料、加工工艺、设备的发展。详见铂力特-好基因更要靠后天努力。

一个有趣的现象,目前金属3D打印多为大型的工业设备,需要高功率的激光器在高温环境下将金属粉末进行熔融成型。纳米级金属材料将使金属材料的熔点显著降低,例如金属铜的熔点是1000°C,但是20nm 铜颗粒的熔点为280°C。探索纳米级金属3D打印材料成为这个领域满足特殊应用的一个有趣趋势。

除了粉末状的纳米材料,液态纳米材料也正在浮出水面,Xjet的碳化钨/钴油墨组合物中包括作为载体起作用的液体媒介物,作为亚微米颗粒、纳米粒子的碳化钨(WC)和钴(Co)。钴也可以在油墨中以前驱体(precursors)的形式存在,例如可溶解的有机钴化合物、盐或络合物。详见揭开神秘面纱, 看Xjet改变3D打印游戏规则的潜力。
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而除了材料本身,加工工艺与材料深度结合起来,纳米材料增强合金、等轴细晶合金、梯度合金、非晶态金属、自愈合合金、超导材料、金属有机骨架材料的研发从微观层面上呈现出材料技术的潜能。拓扑优化、胞元结构又从结构学角度上展现出材料与结构学结合的无限可能,详见3D科学谷发表的晶格建模与制造中的学问,你get了吗?

另外,除了塑料与金属,石墨烯材料的开发,极高耐高温陶瓷材料的开发,纳米颗粒与纳米纤维材料开发,生物打印材料以及再生医学材料的开发都在推动整个3D打印行业材料的发展趋势。

定制化材料
用户对材料的特定需求也可以拉动3D打印技术在生产中的应用,工程师在设计的早期阶段就考虑材料选用和制造工艺,并从概念设计到具体和最终详细设计阶段作为设计内容而加以考虑和确定,如果涉及到使用3D打印工艺,那么3D打印材料设计师可以通过改变材料的韧性、弹性、导电性等性能设计出满足用户生产需求的材料。

Graphene 3D Lab公司推出一种石墨烯复合材料G6-Impact3D打印丝材,配方中含有HIPS树脂、碳纤维和石墨烯纳米颗粒,适用于那些需要在刚性表面进行减振的应用,例如运动器材、电力工具手柄、汽车零部件和航空航天部件等。Graphene 3D Lab可以根据客户的目标应用需求提供定制的聚合物基复合材料。

多材料与功能化
目前的3D打印技术主要是打印单一的材料和制造单独的零部件,在打印完成之后与其他零部件装配在从而形成完整的机械或电子产品。多材料3D打印技术的出现,可以同时完成塑料和金属材料的3D打印,有望一次性制造出完整的产品。

据市场研究,这类3D打印技术已在电子产品的制造领域得到应用。例如Voxel8 3D打印机,可以在一次打印中交替进行电子产品塑料外壳的打印与金属导电电路的打印,在打印中可以插入电子元器件并继续完成打印,从而一次性实现电子产品的外壳制造与产品内部的电路互联,直接制造出功能性的电子产品。研发出可在室温下进行打印并迅速固化的导电油墨材料是实现这一应用的关键。
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可以说多材料正在引领从塑料到金属发展趋势,并在打印的过程中赋予了产品更巧妙的功能。这其中就包括:

麻省理工和新加坡科技设计大学开创的3D打印热响应性聚合物材料,能够记得原来的形状,即使被暴露在极端压力和扭转弯曲成无用的形状,只要把对象放回他们的响应温度下,立即在几秒钟内回到原来的形式。这种材料在太阳能、医疗和太空探索领域具有应用前景,包括软性驱动器、药物胶囊、太阳能板角度调节器等;

弗吉尼亚理工大学通过微光固化技术打印了毫米大小的3D对象,材料是离子液体制成的导电聚合物。打印对象小到25μm,潜在的应用涉及到人类细胞。事实上,这种技术可以让工程师打印导电元件甚至组织支架;

约翰霍普金斯大学的研究人员研发出了一个成功的3D打印材料配方:混合至少30%粉碎的天然骨粉与一些特殊的人造塑料,并通过3D打印技术创建所需的形状;

Additive Elements研发了食品级材料由专门的惰性材料和原材料主城,而且可完全回收并且对环境无害;美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)与加州大学圣克鲁兹分校的科学家们通过3D打印石墨烯超级电容让定制化电子产品成为可能;

澳大利亚斯威本大学(Swinburne University)的研究人员通过3D打印石墨烯薄片,发明了一种全新而且应用广泛的能源存储技术(从技术上讲,是一种超级电容器),可容纳更大的电荷能量,并且在一秒钟内完成充电;
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苏黎世联邦理工大学的“纳米液滴”3D打印,能够以金、银纳米颗粒为原料3D打印出超薄的“纳米墙;

加利福尼亚州Malibu的HRL 实验室发明了可兼容与光固化/3D打印的树脂配方,这种树脂在3D打印后经过过火可以生成致密的陶瓷部件,为航天军工应用打开了潜能空间;

MIT研发的Cilllia毛发是通过光敏树脂固化的技术打印出来的,通过将3D打印的精度控制到极其细微的程度。这对于动力学是个创新领域,改变了以往我们需要电机或者其他的动力装置才能使得物体发生移动的现状;

美国宾夕法尼亚州立大学的科学家使用3D打印技术制作的离子交换膜模型是第一个可以定量降低交换膜电阻的模型。只需一个简单的并联电阻模型就可以描述这些图案在降低这些新型膜的电阻方面发挥的影响;

英国Bristol大学找到了代替熔融长丝的3D打印复合材料的方法,该方法是基于光敏树脂技术的3D打印技术。通过超声波用来诱导材料的微观结构排列,通过激光束用来固化环氧树脂。
正在完善的材料标准
3D打印技术的工程应用范围逐渐扩宽,产业及技术发展中面临的标准需求日益凸显,3D打印材料、工艺及标准的建立将进一步推动3D打印在生产中应用。

美国材料与试验协会(ASTM)着手开展相关工作,2009年ASTM国际标准组织组建了F42增材制造技术委员会。F42增材制造标准化专委会已做了细致的标准工作。从顶层的标准来说包括:常规概念、常规要求、常规应用。到针对于材料到加工工艺等不同阶段和不同分类的一般标准,再到针对每个行业的特殊需求所适用的特种材料、工艺以及应用的特殊标准。

2011年ISO也成立了针对增材制造的标准化技术委员会TC261 ,同年与ASTM F42签署合作协议,共同开展增材制造技术领域的标准化工作,并分别于2013年和2015年联合发布了三份ISO/ASTM标准,分别从术语定义、坐标系定义、增材制造数据格式(AMF)等方面进行了规范。

欧洲SASAM增材制造标准化小组联合了ISO、ASTM以及CEN多方力量并与2015年6月发布了2015增材制造标准化路线图。路线图中除了关于增材制造标准化路线图的详细介绍,还阐述了当前欧洲增材制造的优劣势分析,以及当前发展需要克服的问题。

在我国,全国增材制造标准化技术委员会(TC562)与2016年4月召开成立大会,对口国际标准化组织ISO TC 216,在国家层面上开展增材制造技术标准化工作。目前通过该技术委员会正在制定的标准共有6项,设计增材制造技术术语、文件格式、工艺和材料分类等方面。中国航空综合技术研究所自2007年就开始了增材制造技术标准化的研究,研究形成了一系列增材制造技术标准,并积极推行行业标准的立项及制定工作,目前正在开展钛合金零件激光直接沉积工艺、粉末、制件规范等5项行业标准的制定工作。

更加先进的检测技术
除了材料标准势在必行,缺乏完善的测试体系,增材制造很难真正意义上理解材料特性对加工的意义,而依靠目前的测试手段已经不能满足对增材制造的需要了。
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3D打印制品在制备和使用过程中,某些缺陷的产生和扩展是无法避免的。无疑,最好的质量控制是过程中控制,但是对于打印结果的检测仍是必不可少的。而令人头疼的问题是,现今的无损探伤检测技术对于金属3D打印结果来说,并不是万能的,一个显著的问题是对于比较简单的产品设计,现在的NDE方法是没问题的,但是随着产品的复杂化,现在的NDE方法遇到了极大的挑战,这方面,X射线断层成像作为3D打印的质量利器很好的解释了检测技术的发展趋势。

据研究,对于金属增材制造的复杂性可以区分为五个层面:1 简单的零件、2 优化的零件、3 带有嵌入式设计的零件、4 为增材制造设计的零件、5 复杂的胞元结构零件。现在比较普遍应用的检测技术很难实现对复杂产品的检测。

为了达到对复杂零件的检测,宾州大学采取了计算机X射线断层成像(X-Ray Computed Tomography)检测技术,该技术不仅被用于打印零件的检测,还被用于后处理零件的检测。

南极熊觉得检测技术的提升将进一步推动对材料及加工工艺的理解,从而进一步提升材料技术的发展。

参考关于增材制造技术标准体系现状与思考资料:
关于增材制造技术标准体系现状与思考
The rise of 3-D printing marketplaces
3D Printing with Composite Materials

来源:3d科学谷

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