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[3D耗材] 困扰全球客户的3D打印材料技术难题是如何被攻克的?

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[LV.4]偶尔看看III

发表于 2018-2-23 11:27:37 | 显示全部楼层 |阅读模式

3D打印,又称增材制造,是以数字模型文件为基础,将材料逐层堆积形成三维实体的技术,它对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生了深刻影响,是制造领域正在迅速发展的一项新兴技术,被称为“具有工业革命意义的制造技术”。目前,3D打印已经被广泛应用于学校教育、产品设计、医疗、航空等领域。
当前,全球范围内新一轮科技革命与产业革命正在萌发,世界各国纷纷将增材制造作为未来产业发展的新增长点,推动增材制造技术与信息网络技术、新材料技术、新设计理念的加速融合。全球制造、消费模式开始重塑,增材制造产业将迎来巨大的发展机遇。与发达国家相比,我国增材制造产业尚存在关键技术滞后、创新能力不足、高端装备及零部件质量可靠性有待提升、应用广度深度有待提高等问题。
目前,我国高度重视增材制造产业,将其作为《中国制造2025》的发展重点。为贯彻落实《中国制造2025》,推进我国增材制造产业快速可持续发展,加快培育制造业发展新动能,2017年11月,国家十二部委联合制定了《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》,计划内容当中的基本原则和重点任务的第一点就是强化创新,提高创新能力。
  
3D打印主要材料
  
成型原理
主要采用的材料类型
优缺点
SLA-立体光固化
液态光敏树脂
优点:成形速度较快,制件精度较高
  
缺点:成本较高;材料种类有限;成型件的性能较差
SLS-选择性激光烧结
粉末类金属(比如钛合金,不锈钢,铝合金等)/高分子材料(比如PA)等
优点:打印时无需支撑;成型件的性能较好
  
缺点:成本价高;成型精度不高,需后处理;材料种类有限
FDM-熔融沉积成型
线状的高分子材料(比如PLA,ABS等)
优点:成本较低,操作简单
  
缺点:成型件的精度和性能一般;材料种类有限
目前,3D打印成形原理主要包括FDM型/SLS型/SLA型三种,3D打印成型主要由打印机和材料组成,打印机是辅助成型的工具,材料才是关键。材料种类和性能的制约,是影响3D打印发展的重要影响因素,也是目前3D打印材料发展的现状。下面主要介绍FDM打印成型所采用的PLA材料,PLA材料是目前很受欢迎的材料,也是FDM打印成型中使用最多的材料,占到70%以上。
PLA(Polylactic acid),中文名称聚乳酸,又名聚丙交酯,以植物(比如玉米、甘蔗)淀粉为主要原料合成的半结晶型的热塑性脂肪族聚酯,ρ约为1.24g/cm3,Tg约为60℃,Tm约为175℃,模具成型收缩率为0.2%~0.4%,具有生物可降解性,其降解产物为CO2和H2O,其废弃物不会对环境造成污染,PLA材料的生命循环如图1所示。PLA材料可通过传统的挤出、吹塑、注塑、3D打印等成型方式进行加工,被广泛应用于餐具、包装、3D打印等领域。
                              
图1-PLA生物降解循环流程.png
图1 PLA生命循环图
PLA材料之所以能被FDM打印成型,其一是因为有较低的收缩率,使得打印成型件的尺寸稳定性较好,比如成型件无翘曲无开裂的现象;其二是因为其环保性,包括合成的单体来源和生物可降解性,使得打印时没有刺鼻的气味,其废弃物也可以被降解成对环境无污染的物体;其三是因为其较弱的结晶能力,使得材料在打印出料时的冷却定型速度与打印机的供料速度相匹配,进而使得打印不会出现堵塞打印机喷嘴的现象。
但是,由于PLA材料韧性较差的缺点,导致PLA材料在打印的过程中,也会出现一系列的问题。比如PLA材料在挤出加工成线条,放置2个月后,会出现脆断或不稳定韧性的现象,导致客户在打印的过程中出现线条卡断或自动断裂的现象,自动断裂如图2所示,严重影响正常打印。
图2-IMG_20170913_093345.jpg
图2 线条自动断裂图
PLA线条材料的韧性差,是市场上最为普遍又严重的问题。针对这个缺点,很多公司都在进行改性优化,但是仍然未有明显的改善。3D打印机技术本身就是一项创新的成型制造技术,但是如果材料没有创新的话,是很难满足客户的不同需求的,最终也会导致3D打印行业发展缓慢或终止。
材料韧性差,一般的思维都是直接增韧改性,提高冲击强度值,这也是传统改性通用的原理,但是经过很多次的试验验证,3D打印PLA材料即使冲击强度值通过改性提高几倍甚至几十倍,在从改性颗粒生产成线条后,放置2个月以上,仍然会出现发脆或不稳定韧性的现象。还有一个更为重要的问题就是增韧剂的大量添加,一方面会导致打印成型件发生翘曲的现象,这是因为增韧剂的加入提高了材料的收缩率,另一方面会影响材料的流动性,使得打印材料的温度不得不提高,超过了PLA材料本来的打印温度。
金旸3D研发团队,首先对PLA材料的分子结构,降解原理进行了大量的资料搜索和研究,再结合3D打印成型所必须要满足的基本条件,制定了特殊的开发方案,我们制定方案的思路如下:
一、增韧剂的选择
1、从分子结构方面考虑:增韧剂结构中要有能与PLA所含基团发生反应的基团,使得增韧效果更为明显。
2、从生物降解原理方面考虑:增韧剂结构中尽量不含有易吸水的基团,因为水分会促进PLA材料的降解,最终会加快材料韧性的衰减速率。
二、降解抑制剂的选择
从分子结构方面考虑:加入带有扩链剂作用的助剂或可以封端PLA官能团的助剂。
三、降低收缩率的助剂选择
1、从增韧剂的选择方面考虑:增韧剂本身的收缩率要跟PLA材料的接近。
2、填充物方面考虑:一方面填充物的微观形状最好是球状的,使得在降低改性材料收缩率的同时,可以实现各向同性收缩的效果;另一方面填充物不能带有明显的促进结晶的作用,否则冷却速度的加快,很可能会导致材料在打印的过程中出现堵塞喷嘴的现象。
四、从3D打印标准线条的生产考虑
所有的助剂不能加入太多,否则会影响线条生产时线径的稳定性,比如线条尺寸的公差偏大,最终无法满足打印机的正常输送进料。
五、从打印成型件的外观考虑
所有的助剂,尤其是填充物的添加必须适量,否则由于填充物的分散问题,导致线条材料打印成型件的表面精度变差,比如表面粗糙,有明显的颗粒。
根据以上思路,我们制定的特殊方案,经过多次的试验和客户验证,终于成功开发出一款高韧性保持率的PLA材料,也是目前市场上极具创新性的材料,攻克了3D打印PLA线条材料发脆这一技术难题,真正解决了3D打印客户长久以来的困扰,此项创新技术属于全球首创。
经过实际的验证得出以下结果:金旸高韧性保持率PLA材料,在空气当中放置8个月以上,也不会出现发脆或不稳定韧性的现象,此款材料具有较高的韧性保持率、良好的打印效果,而且解决了打印支撑难去除的问题;同时,它也可以直接代替部分添加钛白粉而成的白色材料。由于该款材料未添加难分散的钛白粉,进而使得打印成型件的外观及精度非常理想,这也是它深受客户青睐的一个重要原因
金旸PLA材料生产的线条及打印成型如图3所示。 所示  
图3-_IGP6730.JPG
图3-gyj1.jpg
图3 PLA打印线条及打印成型图
由于生产FDM-3D材料的进入门槛比较低,导致很多PLA材料生产商涌入这个行业,同质化问题越来越严重,却始终缺少一款客户真正满意的好产品。金旸3D研发团队正是基于这个行业痛点,从客户需求出发,以技术创新为核心,经过长时间的前期研究、论证才构思出研发创新思路,制定出研发方案,再经过反复多次的试验和客户验证,最终开发出具有技术领先性、充分满足客户需求的好材料。

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