3D打印材料知多少—–全面盘点3D打印材料

发布时间:2020-03-14  栏目:澳门新葡萄京棋牌手机版  评论:0 Comments

摘要:   3D打印技术亦被称为“增量制造”(Additive
Manufacturing),是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料等技术的基础上集成发展起来的一项数
字化制造技术,其采用“分层制造,逐层叠加”的原理直接将设计模型转化为三维实体,由传统制造的“去除法”转变为“增长法”,使产品设计、制造的周期大大
缩短,产品开发的成本大大降低,由于具有广泛的应用市场而受到市场关注。  工程塑料是当前应用最广泛的一类3D打印材料,石化行业由于兼具3D打印供需方的角色,是推动3D打印业发展的主要支柱。    3D打印现在有市场么?   
 美国关于3D打印的Wohler报告显示:2013年全球3D打印产品和服务市场产值达30.7亿美元,比上年增长34.9%。在3D打印应用方面,消
费商品和电子领域仍占主导地位,航空器制造和医学应用是过去几年增长最快的应用领域。在设备拥有量上,美国占全球的38%,中国继日本和德国之后,以约
9%的份额占第4位。    3D打印为什么和石油有关?    3D打印技术的核
心技术包括打印材料和打印设备。与设备研发相比,材料的研发难度更大。3D打印不仅是一场制造革命,也是一场原材料革命(基于此,我修正了石油行业未来成
长空间有限的认知)。石油化工行业既能生产合成树脂、塑料等3D打印所需要的原材料,同时石油机械、化工装备的制造与修复也是3D打印的应用行业之一。   
 石化产业是3D打印材料的支柱。目前大部分已知的可用于3D打印的塑料耗材都是通过石油提炼的。3D打印所用的原材料都是专门针对3D打印设备和工艺而
研发的,其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等。3D打印所使用的石油化工类原材料主要包括工程塑料、光敏树脂等。    从应用来看,3D打印技术目前虽然在制造石油机械零部件方面还处于尝试阶段,但该技术在石油及石化领域的应用前景非常广阔。    随着钻井环境变得越来越差,如钻井的超深水区,3D打印对于石油工业将变得更加重要,3D打印技术可让工程师实现复杂的设计以应对极端环境所带来的种种挑战。    都有哪些材料可以用于3D打印?   
 工程塑料是当前应用最广泛的一类3D打印材料,常见的有ABS、PC、尼龙类材料等。近年来欧美及国内公司已研发应用了各种类型的材料:如以色列
Objet公司开发的类ABS树脂材料及名为VeroClear的清晰透明材料;3DSystems公司生产的注塑材料
VisiJetM3Black,Taulman3D的尼龙聚合物打印材料taulman645;Orbi-Tech公司的打印丝材BendLay;比利时
公司Materialise
NV的新型聚氨酯材料TPU92A-1等。    国内研究3D打印材料的单位比较少,比较突出的有:北京
航空航天大学对短切玻璃纤维增强ABS复合材料进行了一系列的改性研究;北京太尔时代公司通过和国内外知名的化工产品供应商合作,推出高性能FDM成型材
料ABS04;华中科技大学研究了改性聚苯乙烯支撑材料;兰州化物所通过在3D打印树脂中加入引发剂实现引发剂集成型3D打印。    都有哪些石化公司进入了3D打印领域?   
 在石油化工设备及零部件制造领域:ExOne的3D打印产品2012年应用在能源石油天然气领域的收入占其总收入的13%。通用电气公司(GE)开始尝
试用3D打印技术生产燃气涡轮机的零部件金属燃油喷嘴,计划到2015年,其燃油喷嘴将全面实现3D打印生产。GE还计划利用3D打印技术来生产可将石油
抽到地面的电子潜水泵。    美国石油服务企业哈利伯顿公司也已开始利用3D打印技术生产石油钻探所需的零部件。美国BlueFire
设备公司尝试将3D打印技术用于PDC钻头的制造,该PDC钻头采用了特殊设计的喷嘴排列方式,采用3D打印技术完美地实现了这些高复杂度的设计,并大幅
提升钻头应对极端环境的能力。    中海油服油田技术研究院的科研人员使用3D打印随钻地层测试器的集成阀座,目前3D打印技术已经成功应用于该研究院的多个科研项目中。3D打印技术已成功打印出球靴等橡胶制品,但距离规模生产尚有很大距离。    在零部件维修领域:GE正使用3D打印技术为石油和天然气领域的大型企业提供零部件维修服务,如齿轮、结构件、外壳,甚至一些空气动力学叶片等,都可以用3D打印技术进行维修;   
 国际石化公司看到了3D打印材料市场带来的巨大商机,纷纷介入3D打印行业:杜邦公司推出商业化树脂Somos系列用于3D打印;巴斯夫开始全面介入
3D打印行业,成立了全球3D打印研发部门,目前与湖南华曙高科签订了技术合作协议,联合开发世界上最新型SLS打印设备及材料,并计划在中国建立3D打
印材料制造基地;韩国LG公司与世界第二大3D打印公司Stratasys协商供应高附加合成树脂ABS。    因此,3D打印以其制造原理的优势成为具有巨大发展潜力的制造技术,石化企业由于兼具3D打印供需方的角色,对需求理解更深刻,同时又拥有资金和多种技术储备的综合优势,应密切关注3D打印发展动向,适时进入该领域,抓住机遇,在新一轮技术革命中赢得主动。
(来自:中国石油石化研究院)

2016年9月GE官方发布了对Arcam和SLM Solutions
这两大著名金属3D打印设备制造商的收购计划,这一重磅消息瞬时令3D打印行业风起云涌。就在一切尚未尘埃落定之前,GE再次宣布放弃SLM
Solutions 并转而收购另一家著名金属3D打印设备制造商Concept
Laser,这一举措再次引起了人们对GE增材制造战略布局的思考与热议。

3D打印,又称作增材制造,是快速成型技术的一种,被誉为第三次工业革命的核心技术。材料是3D打印的物质基础,也是当前制约3D打印发展的瓶颈。
3D打印,是根据所设计的3D模型,通过3D打印设备逐层增加材料来制造
…3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多领域的前沿技术,是快速成型技术的一种,被誉为第三次工业革命的核心技术。

GE作为一家制造业巨头,早在宣布这些收购计划之前就已在增材制造领域经营多年。我们知道,GE最著名的金属3D打印应用案例几乎都是在航空航天行业,例如LEAP发动机中的3D打印燃油喷嘴。然而GE的所做的工作仅仅是购买3D打印设备生产某个复杂的航空零部件吗?是否还有意义更深远的布局?本期,小编就将多年来GE在增材制造领域所做的工作分享给大家。
应用、建立增材制造中心和收购铺开GE的增材制造版图
在航空零部件生产中的应用
增材制造技术应用在GE航空航天业务中的主要优势体现在生产轻量化零部件,以及通过产品设计优化和免组装的整体式制造来提升航空零部件的性能。
3D打印的T25传感器壳体
2015年2月GE的T25传感器壳体得到了美国联邦航空局的认证,这是GE航空首个3D打印的金属零部件。2015年4月T25传感器壳体首次用在飞机发动机中,目前已被安装在超过400个GE90-94B发动机中。该零部件处于飞机发动机高压压缩机的入口处,T25
传感器负责为发动机控制系统提供压力和温度的测量数据。
3D打印技术使得GE的工程师对传感器外壳的几何形状进行优化设计和生产,使外壳能够更好地保护传感器上的电子不受具有潜在破坏性的气流和结冰的影响。GE
航空GE90/GE9X项目的负责人曾表示,通常使用铸造等传统制造方式研发这样一个零部件需要几年的时间,而3D打印技术的使用让产品开发周期缩短了一年的时间。
澳门新葡萄京棋牌手机版,LEAP 发动机喷油嘴
2010年空客将GE生产的LEAP-1A发动机作为A320neo飞机的选配,LEAP发动机中带有3D打印的燃油喷嘴。2015年5月19日,A320neo飞机首飞成功。装有LEAP
发动机的A320neo 获得欧洲航空安全局的认证和美国联航空管理局(FAA)的认证。
带有3D打印燃油喷嘴的LEAP发动机目前已经获得了超过11,000个订单,每个需要19个3D打印的喷嘴,GE为了满足加工需求在Auburn,
Alabama开设专门的增材制造工厂,预计到2020年将生产10万个喷油嘴。增材制造已成为GE航空的长期战略。
GE增材制造的负责人Greg Morris
曾对3D打印的燃油喷嘴评价到,GE为开发这款3D打印喷嘴花费了数年精力,它们是应用在发动机燃烧室中的关键零部件,该零部件的成功为GE通过增材制造技术开发更多先进的零部件提供了丰富经验。
超越航空航天的应用
虽然航空航天行业是增材制造技术应用的主战场,但是增材制造技术在其他工业领域也同样能够发挥出其商业价值,这其中包括GE所经营的业务领域,例如石油和天然气业务。
2013年GE石油天然气部门在意大利佛罗伦萨工厂开设了增材制造实验室,在实验室中安装了粉末床金属3D打印和设备,用于制造叶轮机零部件和先进合金零部件。
2016年5月,GE在其位于意大利Talamona
的石油天然气工厂开设了一条增材制造零部件生产线。
该生产线的主要任务是通过以激光为基础的增材制造技术制造燃气轮机燃烧室。
GE 石油天然气部门表示,最初增材制造技术是只是为NovaLT16
燃气轮机的产品进行快速原型制造,在快速原型取得成功之后,GE
决定将该技术应用在正式的生产中,通过3D打印技术来实现优化设计的产品,并缩短零部件生产周期,提升零部件性能。
打造增材技术先进中心
2016年4月GE在美国匹兹堡附近建立了增材制造先进中心,主要作用是在GE公司内部全面推进增材制造技术的应用,CATA的前期投资金额达3千9百万美元。
CATA的理念与GE在之前投资2亿美元建立的精彩工厂的理念类似,工厂的设备和电脑相互沟通交流,共享信息,为保证质量和预防设备故障采取措施。工厂的生产线通过数字化的方式与供应商、服务商、物流系统相连接,从而优化生产。
CATA将同时服务于GE的航空、交通、电力、石油和天然气业务。
对增材制造企业的收购 2012年11月GE收购MORRIS Technologies
以及其兄弟公司Rapid Quality Manufacturing,通过这次收购GE
给市场上传达了进军增材制造市场的雄心。 Morris Technologies和RQM是GE
航空、GE能源系统和GE全球研发中心的供应商,早期商业化的应用包括生产美军军用无人机中的轻量化零部件以及一些医疗3D打印产品,除此之外,Morris是GE著名的LEAP飞机引擎3D打印燃油喷嘴的合同制造商。
2013年8月GE完成了对航空航天业务服务商Avio S.p.A的收购,
该公司是意大利领先的民用与军用航空零部件和系统的供应商。收购价格为43亿美元,不包括Avio公司的太空业务单元。Avio的航空业务之后更名为Avio
Aero,成为GE航空业务体系中的一员。 本次收购增强了GE
在机械传动系统、低压涡轮机、燃烧技术和自动化系统方面的实力。Avio Aero
是通过EMB
和粉末床金属3D打印技术制造航空零部件的领导者,尤其在3D的打印涡轮叶片方面积累大量经验,2015年12月Avio
Aero一次性购买了10台Arcam 的EBM
3D打印设备,用于涡轮叶片的生产。此外,Avio
Aero公司还研发适合增材制造的粉末材料。
小编认为,我们不难看到对这些公司的收购是GE
增强增材制造能力的一条捷径。而近期GE对Arcam 和Concept Laser
的收购计划,不仅是对GE增材制造能力的补充,还将为GE成为全球制造业的增材制造设备与材料的供应商奠定基础。
关键词:GE

与传统制造技术相比,3D打印不必事先制造模具,不必在制造过程中去除大量的材料,也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品,因此,在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源。3D打印技术适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等,也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。因此,3D打印产业受到了国内外越来越广泛的关注,将成为下一个具有广阔发展前景的朝阳产业。

目前,3D打印已应用于产品原型、模具制造、艺术创意产品、珠宝制作等领域,可替代这些领域所依赖的传统精细加工工艺[。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外,在生物工程与医学、建筑、服装等领域,3D打印技术的引入也为其开拓了更广阔的发展空间。
3D打印技术的快速发展使其成为近几年国内外快速成形技术研究的重点。目前,美国、欧洲和日本都站在21世纪制造业竞争的战略高度,对快速成形技术投入了大量的研究,使3D打印技术得到了迅速发展。在国防领域,欧美发达国家非常重视3D打印技术的应用,并投入巨资研制增材制造金属零部件,特别是大力推动增材制造技术在钛合金等高价值材料零部件制造上的应用]。
材料是3D打印的物质基础,也是当前制约3D打印发展的瓶颈,这里简要介绍当前3D打印材料的发展现状及存在的问题。

一、3D打印材料

3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础,在某种程度上,材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前,3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等,除此之外,彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用。3D打印所用的这些原材料都是专门针对3D打印设备和工艺而研发的,与普通的塑料、石膏、树脂等有所区别,其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等。通常,根据打印设备的类型及操作条件的不同,所使用的粉末状3D打印材料的粒径为1~100m不等,而为了使粉末保持良好的流动性,一般要求粉末要具有高球形度。

1.工程塑料

工程塑料指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料,是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。工程塑料是当前应用最广泛的一类3D打印材料,常见的有acrylonitrile
butadiene styrene类材料、 polycarbonate类材料、尼龙类材料等。

ABS材料是fused deposition
modeling快速成型工艺常用的热塑性工程塑料,具有强度高、韧性好、耐冲击等优点,正常变形温度超过90℃,可进行机械加工、喷漆及电镀。
ABS材料的颜色种类很多,如象牙白、白色、黑色、深灰、红色、蓝色、玫瑰红色等,在汽车、家电、电子消费品领域有广泛的应用。
PC材料是真正的热塑性材料,具备工程塑料的所有特性:高强度、耐高温、抗冲击、抗弯曲,可以作为最终零部件使用。使用PC材料制作的样件,可以直接装配使用,应用于交通工具及家电行业。PC材料的颜色比较单一,只有白色,但其强度比ABS材料高出60%左右,具备超强的工程材料属性,广泛应用于电子消费品、家电、汽车制造、航空航天、医疗器械等领域。

尼龙玻纤是一种白色的粉末,与普通塑料相比,其拉伸强度、弯曲强度有所增强,热变形温度以及材料的模量有所提高,材料的收缩率减小,但表面变粗糙,冲击强度降低。材料热变形温度为110℃,主要应用于汽车、家电、电子消费品领域。

PC-ABS材料是一种应用最广泛的热塑性工程塑料。PC-ABS具备了ABS的韧性和PC材料的高强度及耐热性,大多应用于汽车、家电及通信行业。使用该材料配合FORTUS设备制作的样件强度比传统的FDM
系统制作的部件强度高出60%左右,所以使用PC-ABS能打印出包括概念模型、功能原型、制造工具及最终零部件等热塑性部件。

polycarbonate-iso材料是一种通过医学卫生认证的白色热塑性材料,具有很高的强度,广泛应用于药品及医疗器械行业,用于手术模拟、颅骨修复、牙科等专业领域。同时,因为具备PC的所有性能,也可以用于食品及药品包装行业,做出的样件可以作为概念模型、功能原型、制造工具及最终零部件使用。

POLYSULFONE类材料是一种琥珀色的材料,热变形温度为189℃,是所有热塑性材料里面强度最高,耐热性最好,抗腐蚀性最优的材料,通常作为最终零部件使用,广泛用于航空航天、交通工具及医疗行业。PSU类材料能带来直接数字化制造体验,性能非常稳定,通过与RORTUS设备的配合使用,可以达到令人惊叹的效果。

2.光敏树脂

光敏树脂即ultraviolet
rays树脂,由聚合物单体与预聚体组成,其中加有光引发剂。在一定波长的紫外光照射下能立刻引起聚合反应完成固化。光敏树脂一般为液态,可用于制作高强度、耐高温、防水材料。目前,研究光敏材料3D打印技术的主要有美国3Dsystem公司和以色列object公司。常见的光敏树脂有somos
NEXT材料、树脂somos11122材料、somos19120材料和环氧树脂。

somos NEXT材料为白色材质,类PC新材料,韧性非常好,基本可达到selective
laser sintering制作的尼龙材料性能,而精度和表面质量更佳。somos
NEXT材料制作的部件拥有迄今最优的刚性和韧性,同时保持了光固化立体造型材料做工精致、尺寸精确和外观漂亮的优点,主要应用于汽车、家电、电子消费品等领域。

somos11122材料看上去更像是真实透明的塑料,具有优秀的防水和尺寸稳定性,能提供包括ABS和PBT在内的多种类似工程塑料的特性,这些特性使它很适合用在汽车、医疗以及电子类产品领域。

somos19120材料为粉红色材质,是一种铸造专用材料。成型后可直接代替精密铸造的蜡膜原型,避免开发模具的风险,大大缩短周期,拥有低留灰烬和高精度等特点。
氧树脂是一种便于铸造的激光快速成型树脂,它含灰量极低,可用于熔融石英和氧化铝高温型壳体系,而且不含重金属锑,可用于制造极其精密的快速铸造型模。

3.橡胶类材料

橡胶类材料具备多种级别弹性材料的特征,这些材料所具备的硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度,使其非常适合于要求防滑或柔软表面的应用领域。

3D打印的橡胶类产品主要有消费类电子产品、医疗设备以及汽车内饰、轮胎、垫片等。

4.金属材料

近年来,3D打印技术逐渐应用于实际产品的制造,其中,金属材料的3D打印技术发展尤其迅速。在国防领域,欧美发达国家非常重视3D打印技术的发展,不惜投入巨资加以研究,而3D打印金属零部件一直是研究和应用的重点。3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。

目前,应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等,此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。
钛是一种重要的结构金属,钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于制作飞机发动机压气机部件,以及火箭、导弹和飞机的各种结构件。钴铬合金是一种以钴和铬为主要成分的高温合金,它的抗腐蚀性能和机械性能都非常优异,用其制作的零部件强度高、耐高温。采用3D打印技术制造的钛合金和钴铬合金零部件,强度非常高,尺寸精确,能制作的最小尺寸可达1mm,而且其零部件机械性能优于锻造工艺。
不锈钢以其耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀而得到广泛应用。不锈钢粉末是金属3D打印经常使用的一类性价比较高的金属粉末材料。3D打印的不锈钢模型具有较高的强度,而且适合打印尺寸较大的物品。

5.陶瓷材料

陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性,在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。但由于陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成形尤其困难,特别是复杂陶瓷件需通过模具来成形。模具加工成本高、开发周期长,难以满足产品不断更新的需求。
3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一种粘结剂粉末所组成的混合物。由于粘结剂粉末的熔点较低,激光烧结时只是将粘结剂粉末熔化而使陶瓷粉末粘结在一起。在激光烧结之后,需要将陶瓷制品放入到温控炉中,在较高的温度下进行后处理。陶瓷粉末和粘结剂粉末的配比会影响到陶瓷零部件的性能。粘结剂份量越多,烧结比较容易,但在后置处理过程中零件收缩比较大,会影响零件的尺寸精度。粘结剂份量少,则不易烧结成形。颗粒的表面形貌及原始尺寸对陶瓷材料的烧结性能非常重要,陶瓷颗粒越小,表面越接近球形,陶瓷层的烧结质量越好。
瓷粉末在激光直接快速烧结时液相表面张力大,在快速凝固过程中会产生较大的热应力,从而形成较多微裂纹。目前,陶瓷直接快速成形工艺尚未成熟,国内外正处于研究阶段,还没有实现商品化。

6.其他3D打印材料

除了上面介绍的3D打印材料外,目前用到的还有彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等材料。
彩色石膏材料是一种全彩色的3D打印材料,是基于石膏的、易碎、坚固且色彩清晰的材料。基于在粉末介质上逐层打印的成型原理,3D打印成品在处理完毕后,表面可能出现细微的颗粒效果,外观很像岩石,在曲面表面可能出现细微的年轮状纹理,因此,多应用于动漫玩偶等领域。

3D打印技术与医学、组织工程相结合,可制造出药物、人工器官等用于治疗疾病。加拿大目前正在研发骨骼打印机,利用类似喷墨打印机的技术,将人造骨粉转变成精密的骨骼组织。打印机会在骨粉制作的薄膜上喷洒一种酸性药剂,使薄膜变得更坚硬。

美国宾夕法尼亚大学打印出来的鲜肉,是先用实验室培养出的细胞介质,生成类似鲜肉的代替物质,以水基溶胶为粘合剂,再配合特殊的糖分子制成。还有尚处于概念阶段的用人体细胞制作的生物墨水,以及同样特别的生物纸。打印的时候,生物墨水在计算机的控制下喷到生物纸上,最终形成各种器官。食品材料方面,目前,砂糖3D打印机candyfab4000可通过喷射加热过的砂糖,直接做出具有各种形状,美观又美味的甜品。

二、问题与展望

近年来,3D打印技术得到了快速的发展,其实际应用领域逐渐增多。但3D打印材料的供给形势却并不乐观,成为制约3D打印产业发展的瓶颈。目前,我国3D打印原材料缺乏相关标准,国内有能力生产3D打印材料的企业很少,特别是金属材料主要依赖进口,价格高。这就造成了3D打印产品成本较高,影响了其产业化的进程。

因此,当前的迫切任务之一是建立3D打印材料的相关标准,加大对3D打印材料研发和产业化的技术和资金支持,提高国内3D打印用材料的质量,从而促进我国3D打印产业的发展。可以预计,3D打印技术的进步一定会促进我国制造业的跨越发展,使我国从制造业大国成为制造业强国。

关键词:3D打印材料

留下评论

网站地图xml地图