设计方案生产制造一次及时三维打印的日常生活运用与未来发展趋势
2020-12-27
三维打印不只是以往的迅速定样,已为全世界促进“工业生产4.0”及“智能化机械设备”的关键技术性之一,包含机械设备、光学、材了解信息内容,至后端开发自主创新运用及商业等

三维打印不只是以往的迅速定样,已为全世界促进“工业生产4.0”及“智能化机械设备”的关键技术性之一,包含机械设备、光学、材

了解信息内容,至后端开发自主创新运用及商业等,为一种自主创新制造方式,使传统式制造方法迈进订制化批量生产数据制造技术性的时期。三维打印的优点,包含原材料加减法制造,有着高些的原材料利用率,不用模貝,能够制造构造繁琐的目标、內部特点及构造订制化、提升设计产品延展性,更非常容易开发设计以往传统式制造没法达到的运用发展趋势,近年来不论是日常生活日用品、轿车、诊疗、航空航天、工业生产、国防安全、食品类等各行业都是有十分大的发展趋势及运用。现阶段全世界与三维打印运用有关机器设备、原材料市场容量达20多亿美元,若通过这类新三维打印数据制造技术性进行的零部件与商品,使用价值很有可能更达到数百亿美元。除此之外,伴随着愈来愈多公司、本人应用三维打印零部件与商品,将自主创新运用的逻辑思维导进,市场容量将大幅度提高。图1hp惠普多水射流熔化(MultiJetFusion,MJF)数据积层制造技术性近些年伴随着积层制造技术性发展趋势完善,愈来愈多的产业链刚开始将积层制造关键技术于多功能性商品的立即生产制造制造运用上,殊不知现行标准积层制造工艺流程与机器设备仍遭遇很多挑戰,如高生产效率、大规模、精度、粗糙度、支撑点设计方案、商品汽车轻量化等,而在三维打印技术性中,若将原材料图案设计成形及动能出示操纵分离,将可而做到髙速与高精度的数据制造技术性,在其中以黏着剂印刷成型法及光固化机树脂成型法可通过髙速多喷头或数据灯源界定成形部位精度,高能源或紫外线能迅速使原材料于所界定部位成形的优点,乃至极大功率激光器立即迅速堆积,并于单一数控车床进行,兼顾自动化技术及多功能性原材料挑选的效率与优点,做到高速运行与高精度之数据制造方式。

髙速三维打印迅速精确起动数据制造

三维打印技术性有两个关键点,一为图案化,一为原材料的相变化,过去三维打印技术性是应用单能量源在特殊的部位上成形目标,若在单一数控车床上可非常容易自动化技术,为极好之定样技术性,但在合乎制造业生产制造的标准下,现阶段的挑戰是生产制造速度比较慢及其商品精度与靠谱度的提高,如今制造技术性之特点,均是复合型制造,兼顾精度与速率;以塑胶注塑工艺工艺流程为例子,应用多种生产加工方式制做模貝以具备精度,再以加温方法熔融塑胶材料与机械设备挤压成型高效率能量方法挤进模穴,而得到能具备髙速生产制造高精度塑件;半导体材料工艺流程也是应用光罩界定精度再以显影液及蚀刻加工而能迅速制做细微特点。

在三维打印技术性中,若将原材料图案设计成形及动能出示分离,将可而做到髙速高精度的技术性,在其中以黏着剂印刷成型法及光固化机树脂成型法可通过髙速多喷头界定成形部位精度,高能源或紫外线能迅速使原材料于所界定部位成形的优点,乃至极大功率激光器立即迅速堆积,

并于单一数控车床进行,兼顾自动化技术及多功能性原材料挑选的效率与优点,做到高速运行与高精度之数据制造方式。

黏着剂印刷成型法

hp惠普于2018年5月宣布发布三维送纸器数控车床,为黏着剂印刷成形技术性的一种,主要是通过与众不同产品研发的多水射流熔化技术性,依不一样的喷墨打印机构件喷漆构件制做精彩三维零部件,其喷墨打印机构件每秒钟可喷漆三千万的喷墨打印机点,每一喷墨打印机点约20μm,喷墨打印机部件喷漆包含了原材料、原材料熔化热触媒、精度优化剂、多色黑墨水等,打印流程最先通过助溶液喷漆将打印原材料的顆粒黏合在一起,产生一层实体线目标,此外于页面喷漆优化剂,使打印构件得到 所必须的抗压强度及精度界定,以后再以大功率之红外线能源烧融成形地区,为此方法3h内就可以打印出1000个传动齿轮(可打印容积380Mm×284mm×380Mm),相比于原材料挤制打印成形技术性及可选择性激光器煅烧成形技术性(SelectiveLaserSintering),速率超出10到30倍的打印速率。

hp惠普于2019年3月持续多水射流熔化技术性并发布“髙速精彩三维打印数控车床”,配搭青绿色(Cyan)、洋红色(Magenta)、淡黄色(Yellow)、灰黑色(Black)等四分色的五颜六色打印套印方式,运用三原色混合色及灰黑色黑墨水基本原理,在打印物品除开喷漆助溶液及优化剂外,另外也依打印目标需要之颜色于页面喷漆及着色,促使三维打印目标已不仅有单一色调,将来可再通过自主创新产品研发新型材料的运用,大大的加快自主创新零部件之开发设计,可减少新产品研发時间,提高制造延展性与工作能力,使公司能考虑顾客很多订制化与加快创新产品的要求。图3hp惠普(HP)“髙速精彩三维打印数控车床”

光固化机树脂成型法

另一达到髙速三维打印的技术性为光固化机树脂成型法,以往其打印所应用之光固化机树脂具备黏滞性,初期是之上照式灯源出示电力能源打印,各层光固化机树脂经激光光源直射后干固,这时打印服务平台再降低一定高度,因为液體界面张力会使树脂造成不整平表层,没法补平欲生产加工的下一层生产加工层。为了更好地处理此难题,应用深降法(DeepDip),将服务平台降低多一点,使树脂铺满后再升高至欲生产加工的高度,以后再毁坏界面张力,打印下一程序流程,但此方式所应用之树脂价格昂贵,打印时需很多出示,再加所述打印程序流程需要的時间而没法做到髙速打印的要求。而改下列照式灯源出示动能方法打印,可改进过去工艺流程上往复式挪动的時间、组织设计方案繁杂、光固化机树脂储存难题及其原材料消耗等难题,因此 现如今桌面式光固化机制造法关键都应用下照式光固化机树脂成形,但此方法在阳光照射过树脂后,树脂由液體变为固态的时候会粘附在成形服务平台底端的全透明平板电脑或夹层玻璃上,因而会造成粘着的难题;除此之外,以往所应用的灯源关键以激光器光出示动能,出示加快干固的激光器光或成形灯源,并不是彻底照射树脂彻底硬底化,只是先直射出特定轮廊及途径干固;激光光源扫描仪途径必须XY两轴,单面所必须扫描仪途径的時间也没法减少。因而为了更好地更进一步提升 打印的速率,改以多位灯源(如DigitalLightProcessing,DLP)出示动能,此灯源为平面图式灯源,其打印服务平台仅需操纵单一Z轴,且发亮成本费也较激光光源来的低,故应用DLP或手机上灯源之三维打印技术性将大幅度减少设备成本费,减少打印的时程,产生将来桌面式性能卓越低价钱之关键技术性,也合乎智能生活机械设备——数据制造的要求。图4下照式光固化机树脂成型法下照式光固化机树脂成型法在打印全过程中也有必须摆脱的难题,例如打印时沉醉于液体树脂中之目标往上拉涨的时候会产生吸附性,此吸附性会导致目标与树脂槽间因遭受液体树脂之隔绝,使气体没法进到,而且液体树脂因粘度较高,目标与树脂槽间空隙过小,没法迅速注入弥补,从而造成部分真空泵之状况。现阶段大部分企业选用含氟量链纤维材料或聚二甲基硅氧烷(PDMS)等高线疏水性材料做为树脂槽底端之镀层或披覆层以处理树脂粘着之难题,所造成之真空泵吸附性难题依然没法处理。2015年于硅谷的Carbon三维企业产品研发出CLIP技术性(ContinuousLiquidInterfaceProduction,持续液位生产工艺),应用高分辨率4k高清UHDDLP3840×2160近830万只画素数据投射于成形地区,其基本原理为co2抑止自由基反应,使树脂槽底端维持一层因触碰co2而维持液体的光固化材料,这般就能防止树脂与槽底的树脂然后力,取得成功地解决了下照式光固化机成形之粘着难题,清除部分真空泵之状况,省掉一般打印步骤中的分离出来、树脂回填土及重新定位的流程,只需要于原始地图定位后刚开始开展持续曝出打印,直到打印进行,大幅度提高打印速率及品质,殊不知CLIP技术性亦有非常多的应用程序开发及缺陷存有,不容易制做匀称孔隙度遍布之透气膜,造成 抑止反映之速度不一致,从而危害成形品质;化学反应速率不一致——光起止剂仅有消化吸收光源时才会造成氧自由基,若沒有消化吸收到光源则无,但没法依图型不一样可选择性键入co2,因而不一样图型的时候会促使不干固区薄厚遍布不一样;及其于打印全过程中务必不断键入co2,所选用co2键入的帮浦会出现振动的难题,务必分离出来置放及其co2自动控制系统繁杂且巨大,促使CLIP技术性并未能很多被应用于产业链运用。图5髙速光固化机三维打印数控车床

为了更好地提高打印速率,打印全过程中树脂槽底端的分离出来力针对打印是非常关键的,打印全过程中每印完一层都必须将Z轴上升一定高度,这一高度一般为20层之上(以一层100μm为标准),且遭受树脂粘度与打印总面积的危害,打印总面积越大或树脂粘度越高,必须上升越高使树脂回填土,一般Z轴升高与降低的全过程会花销5秒上下的時间,以打印1厘米(100层)的物品,升高与降低将占有到8分钟的打印時间。

除开上升高度外,上升与降低的速率也是危害打印時间的重要,上升速率越快,其分离出来力会越大,但上升过快很有可能会造成 树脂赶不及回填土,因此 为了更好地提高下照式三维打印的打印速率,仍需充分考虑上升高度、速率、树脂回填土工作能力和分离出来力的危害。该校髙速三维打印研究所现阶段已开发设计出打印单面20厘米,各层打印0.一秒,每钟头可打印20公分的光固化机三维打印数控车床。图6晶格常数总体设计三维打印于休闲鞋之运用汽车轻量化晶格常数总体设计三维打印

在工业生产运用上,最确立的三维打印优点是打印降低净重后仍维持一定冲击韧性的主要表现,此重要优点能够降低成本,减少商品制造时程,并提升设计方案的多元性。晶格常数构造在三维打印设计产品上具备独特结构力学特点,很多的优势如能缓解商品净重的工作能力保证 原材料的高比强度和弯曲刚度,已被用以很多工业工程专业中运用如轿车、航天工程,生物医学工程等运用及原材料机械设备特性的改进。以休闲鞋运用为例子,为考虑休闲鞋在开展髙速健身运动时,鞋可出示选手反跳及缓存的作用,休闲鞋鞋底子需有适度之延展性与动能消化吸收特性。传统式休闲鞋鞋底子运用聚氨酯发泡成形之工艺流程,促使如PU、EVA、TPU等纤维材料內部具备很多微细泡及微细孔,以做到鞋底子对反跳及缓存的作用要求。殊不知三维打印没法在纤维材料內部造成很多微细泡孔,因而务必运用鞋底子內部独特晶格常数构造的设计方案,经三维打印后造成所必须的延展性与动能消化吸收特性,才可以合乎休闲鞋鞋底子作用规定。图7晶格常数总体设计三维打印于人力人体骨骼假体之运用

各产业发展组织对积层制造销售市场之年产值预计

以生物医疗脑外科医药学运用为例子,在人力人体骨骼开发设计上,除开必须提高体细胞的生长发育外,合理降低人体骨骼净重并考虑总体的运动生理学的要求也是开发设计的关键,独特晶格常数构造具备较小的地应力及应变力的优点,通过高度微生物兼容之原材料配搭独特晶格常数总体设计,使该人力假体之微生物及结构力学特点,与活物人体骨骼机构搭配,以做到嵌入骨结合之目地,并降低传统式高陈氏指数实芯假体所导致地应力遮掩效用的骨裂或坍塌之难题。除此之外,三维打印不但仅限于生物医学工程运用的细胞膜的结构设计方案,并且还开展了较为匀称相对密度和可变性相对密度孔构造的物理性能。现阶段科研成果发觉以Vintiles晶格常数构造较纯蜂蜜多孔结构抗压强度相仿,原材料应用较少,其单一相对密度与基因变异相对密度晶格常数优化结构。

三维打印高新产业运用发展趋势已到完善的环节,从最初期简易塑料型材打印,到现在已可工业生产级金属材料打印,以工业生产级金属材料打印为例子,传统式刹车盘是以生铁制造,一般净重每一件3~6KG,中后期尽管可以用铝合金材料来换置,但高溫下抗压强度不足且生产加工不容易,荷兰著名汽车厂布加迪(Bugatti)以铝合金金属材料三维打印技术性生产制造制造集团旗下Chiron车辆类型上的新式煞车刹车盘,运用独特汽车轻量化总体设计并且以4具400W激光器,打印2213层,共打印45钟头,不仅减少新式刹车盘开发设计时程,更可降低较铝合金型材近40%的净重,做到汽车轻量化节油的作用,布加迪原装亦以具体每钟头近400千米的车速下检测三维打印新式刹车盘的制动系统速率和煞车特性,从检测結果能够看得出在髙速煞车下煞车碟盘超出摄氏度1000度的高溫下泛红,而铝合金制动系统刹车盘享有高溫下的煞车特性,将来将可运用三维打印迅速订制化的优点,协助公司在短期内内从设计方案、衔接原形到商品的开发设计,促使将来制做零件应用工业生产级金属材料三维打印就能得到实际。图8荷兰著名汽车厂布加迪(Bugatti)以铝合金金属材料三维打印新式煞车卡

三维打印不断持续增长造就百亿元创业商机

三维打印发展趋势迄今,已发展趋势出很多不一样工艺,也被应用到很多不一样行业,包括航空航天、轿车、生物医疗及商品与电力能源等运用,国际性单独科学研究组织Canalys强调全世界积层制造产业链年产值将迅速提升并预测分析2020年达224亿美金年产值;WohlersReport强调三维打印过去三年都是有33.8%的年增长率,并预测分析2020年的整体盈利各自做到212亿美金;InternationalDataCorporation(IDC)预估欧州三维打印有关市场将在2022年增长至74亿美元;在积层制造材料亦具有发展空间,MarketResearchReports预测积层制造最常使用的材料(如光聚合物、热塑料塑料、金属粉末),在2025年达80亿美元的产值,其他新兴材料,如陶瓷材料、生物材料及石墨烯等,也将带来更大的市场收入;美国知名科尔尼咨询公司(A.T.Kearney)指出全球3D打印市场的经济价值规模也将达约900亿美金,主要应用于工业、汽车产业、民生产业、生技医疗、航空航天等产业,透过3D打印关键技术应用,开发在地产业3D打印专用机,提升3D打印速度与精度,加速在地产业数字制造转型,中国3D打印产业大有可为。