化工企业竞相角逐3D打印市场


作者:钱伯章,本文作者系本刊特约撰稿人。 日期:2017/05/08 来源:PROCESS《流程工业》

未来,个性化设计需求将呈爆发式增长,3D打印技术应运而生,包括中国在内的几大工业化国家都将其作为重点发展的新兴产业。作为先进材料的供应商,化工公司也在角逐3D打印市场的领先地位。

制造“不可能的产品”

3D打印是一种通过逐层打印的方式制造工件的制造工艺。该技术无需使用将所需部件塑造成型的工具或模具。此外,与传统的制造方法相比,3D打印使产品设计更为灵活。产品的设计工作通过计算机辅助设计(CAD)或医学成像技术完成,并可立即进行打印,从而获得实体部件。在不久的将来,3D打印还将制造出通过现有技术无法制造的产品,也就是所谓的“不可能的产品”。

3D打印的细分市场通常包括:企业用打印机、个人用户打印机、材料和服务。所提供的主要服务是生产定制部件,这也是最具经济效益的主导细分市场。在地区分布方面,北美市场目前占有50%以上的市场份额。汽车和航空航天是3D打印的主要应用领域,而消费品和医疗保健则被视为发展最快的应用领域。据领先市场研究公司预测,到2020年,3D打印的市场规模将超过200亿美元。

目前,3D打印虽然已开始应用于小批量的直接制造,但受打印时间、精度和材料等限制,3D打印还不可能替代传统制造业,只是利用研发、设计开发优势,为大批量制造业做辅助。当前最迫切的需求是以更快的速度进行原型制造或实现产品小批量生产,这通常被称为快速成型或快速生产。不过,人们普遍认为,定制产品设计和高几何复杂性的部件在将来更为重要。

开创有机硅打印技术先河

总部位于德国慕尼黑的瓦克化学集团正用一种全新的商业模式,以ACEO为品牌,为有机硅3D打印提供全方位服务,加速进军3D打印市场。

有机硅的独特性能使其成为众多应用不可或缺的材料。例如:耐热性、低温柔韧性、透明性、生物相容性、颜料相容性和阻尼性能。在市场评估中,瓦克发现许多需求急需得到满足,尤其是在有机硅3D打印方面。自25年前发明以来,3D打印使用的材料多为感光树脂和热塑性塑料。迄今为止,还没有适合弹性体,尤其是有机硅的终极技术解决方案。

因此,瓦克面临的首要任务之一,就是要探索和开发一种适合这种特殊材料性能的工艺。瓦克选择了喷射工艺,该工艺与使用喷墨打印机在纸张上打印非常相似。喷射工艺基于有机硅体素的抛射式给料。经过一层一层的粘合,工件被制造出来。通过对有机硅进行调节,有机硅液滴可融合在一起,然后暴露在紫外光下,开始固化。体素和有机硅层共同形成与注射成型有机硅相差无几的均质材料。

在打印过程中,喷射工艺使用支撑材料来制造形状复杂的飞檐和空心结构,这样,就可以顺利完成所设计的产品造型。打印完成后,将该材料溶解于水中便可去除。几乎任何颜色都可以添加到有机硅材料中。

基于广泛深入的市场调查结果,瓦克于2014年第二季度开始启动有机硅3D打印开发项目。项目进展非常顺利。瓦克与敏捷的工程合作伙伴展开全面合作,共同开发材料、硬件和软件,从而进入了发展的快车道。由于数项工作同步展开,而不是先后进行,瓦克3D打印项目的进展速度超乎想象。

ACEO包含四个不可分割的部分:材料、硬件、软件以及设计和制造3D打印有机硅部件的专业知识。毗邻瓦克博格豪森生产基地的一座面积为600 m2的园区内,配备有一个3D有机硅打印工厂、12个设备齐全的工作场所和一个供产品设计师和客户通过采用瓦克有机硅3D打印技术开展项目的开放式实验室。打印工厂将使用5台3D打印机用于客户项目和进一步工艺开发。从2016年8月起,瓦克化学的客户便可通过网上商店,上传设计产品,订购有机硅3D打印部件,在ACEO印刷厂建成后,产品可发送至世界各地。此外,瓦克跨学科的ACEO团队还为产品设计,以及有机硅部件或组件生产提供咨询和开发服务。

目前,瓦克的任务是为有机硅材料探索和开拓3D打印的应用和市场。瓦克发现,人们对原型制造和众多领域的消费品都有极大兴趣。

首款3D打印球形轮胎

2016年3月7日在日内瓦国际车展,固特异发布首款3D打印的球形概念轮胎——Eagle-360。

固特异表示,这款轮胎将是自动驾驶汽车的一大轮胎解决方案,能大大提高汽车驾驶安全。

据悉,球形轮胎能朝多个方向灵活移动,有效减少侧滑,使横向移动更流畅。在不急速改变行驶方向时,它还可以有效避开障碍物。

而对于停车困难户来说,这款3D打印轮胎能使汽车的入库更简单。

3D打印弹性体可延伸高达1100%

新加坡技术和设计大学的研究人员于2017年2月13日宣布,已开发出高度可伸缩和UV固化的弹性体家族,可以延伸高达1 100%,并适用基于UV固化的三维打印技术。利用高分辨率3-D打印与SUV弹性体成分可以直接创建复杂的3-D晶格或空心结构,表现出非常大的变形。这种SUV弹性体的制造时间也大大缩短。该弹性体项目是新加坡技术和设计大学数字制造和设计中心、校园研究优秀科技企业和耶路撒冷希伯来大学的研究人员共同协作的结果。

项目的共同引领人之一新加坡技术和设计大学数字制造和设计中心教授Qi Ge表示,这种新的弹性体可以延伸1 100%,为任何商用弹性体断裂时伸长率的5倍以上,适用于基于UV固化的3D打印技术。研究人员解释称,他们能够使用SUV弹性体组成和高分辨率的3D打印过程成功地实现3D打印复杂的3D晶格和结构。不再受传统制造过程的设计局限性,3D打印SUV弹性体或将意味着使需要弹性材料的许多领域出现巨大的进步。这种3D打印弹性体的高度卓越性,除了使复杂的结构和几何图形简化外,还明显减少制造时间。与传统成型和铸造方法相比,使用基于UV固化的3D打印制取SUV弹性体可显著降低制造时间,从数小时,甚至几天,减少到几分钟或几小时。

此外,SUV弹性体也显示出好的机械重复性,适用于柔性电子元件。这个特性已被研究人员证明,3D打印使用弹性体的巴基球灯的开关,并按动1 000次。测试后, 灯的开关仍可正常工作。

高性能碳纤维的3D打印

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员于2017年3月1日宣布,已首次为航天级碳纤维复合材料实施3D打印,打开了轻量级,但却比钢材更坚硬的材料更好控制和优化的大门。

这项研究成果已发表在《自然科学(Nature Scientific)》杂志上,它代表着微挤出3D打印技术应用于碳纤维的“重大进步”。

碳纤维复合材料通常通过两种方法之一制造,即通过将丝围绕心轴缠绕,或将纤维编织在一起,就像一个柳条篮子,导致成品限于要么呈扁平形状或要么呈圆柱形状。制造商也倾向于使用材料过度补偿,由于性能问题, 而使部件过重、昂贵和造成不必要的浪费。

据LLNL研究人员报道,可通过改进的直接油墨写读3D打印过程打印出几种复杂的3D结构。Lewicki和他的团队也开发并为新的化学申请了专利,可在几秒内使材料硫化,而不是几个小时, 并使用实验室的高性能计算能力开发出碳纤维长丝的精确模型。

计算机化的建模,由该工程师团队在LLNL的超级计算机上执行,它需要模拟成千上万的碳纤维, 他们从油墨喷嘴产生,在过程中可找出如何最好地对齐。