【行业动态】聚氨酯3D打印新时代的到来

在全球3D打印行业中,我们偶尔会遇到一些初创公司,他们的技术看似微不足道,但潜力巨大。这不仅仅需要有一个好的想法,更重要的是要找到真正的制造痛点。这并不像听起来那么容易。更重要的是,公司要有解决这些问题的技术。Chromatic 3D Materials公司在热固性材料,尤其是聚氨酯挤出方面的工作就是一个很好的例子。能够熟练地、低成本地将世界上最常用的材料之一用于3D打印,将带来巨大的市场机会。而C3DM的方法中最值得称道的是,全世界众多的挤出式3D打印机制造商,每一个人都可以使用这种方法。

该公司的方法是以材料和软件为基础的,与硬件无关。该公司的3D打印聚氨酯是一系列橡胶弹性体,具有高性能和高回弹性,从汽车到消费产品,几乎有无限的潜在应用。

相关人员将解释说:要想在材料界推出一项新技术,你必须证明它有价值数亿英镑的潜力。材料行业供应链非常长。获得最终产品之前需要经历许多步骤。

这也是她最初被3D打印所吸引的原因,她解释说:我感兴趣的是使材料的选择更接近最终用户,这真正改变了向市场提供创新材料所需的动力。我认为3D打印将给世界带来我们以前没有见到过的创新材料,而且这些材料具有更高的功能性。

在更仔细地观察适合3D打印的材料时,相关人员注意到,材料范围确实受到了限制。而且过去(现在)最大的缺失部分是热固性材料,包括聚氨酯以及硅酮和环氧树脂。

由于热固性材料的固有特性,它既非常有用,同时也很难进行3D打印。但困难并不意味着不可能。与其他任何制造领域一样,这需要研究。与任何热固性应用或工艺一样,3D打印聚氨酯最大的挑战是:化学反应决定了它的加工方式,而不是加工系统的力学原理。

相关人员解释道:“在热塑性长丝打印机中,你必须调整打印头的温度和床的温度。在热固性材料中,你必须调整化学成分,这就更复杂了。我们改进了生产方法,比如挤压材料的反应密度,或者改变了它们的混合方式。

聚氨酯橡胶弹性体可以打印出邵氏A范围在40-90之间硬度的材料。这些耐久性材料在非3D打印应用中使用了几十年。它们可以被反复弯曲、拉伸、扭曲、挤压。它们被用在鞋的后跟和外底、滚轮和液压密封件的垫圈。该公司的团队找到了一种不牺牲高性能聚氨酯弹性体强度和耐久性的3D打印方法。

该公司实现的具体3D打印工艺可以说是结合了喷墨和挤出技术。在打印过程中,两种液体成分在打印头中混合,引发化学反应。当液体离开喷头并沉积在印刷表面时,材料是一种部分聚合的凝胶,在几分钟内凝固成稳定的粘性材料。整个过程是在室温下进行的。

换句话说,在热塑性塑料挤出过程中,材料被熔化和重组,而热固性材料实际上是在挤出过程中被 生产出来的。这样一来,整个零件的化学键就很牢固,更加各向同性。相关人员解释道:这意味着在本质上,你所做的那个部件是一个单分子。另一个优势是我们的设计方式:打印出来的材料粘度比普通长丝低一万倍左右,这意味着你可以更快地打印。

这是一个化学挑战,不是机械挑战,但这并不意味着它是不可逾越的。而且3D打印这种材料的优势在于,人们可以使用50多年来在热固性化学方面所有的知识。相关人员认为,业界之所以没有取得更多的进展,主要原因是现今只有很少人在研究热固性3D打印。

其中一家基于立体光刻技术的公司名为Carbon,其数字光合成技术使用热固性材料和光聚合物的混合物来触发光固化过程。相关人员解释说,Chromatics基于挤出的工艺提供了更多的通用性。我们只是利用混合来触发反应。这使我们可以变得非常灵活,可以加入像着色剂之类的添加剂。

Chromatic的挤出系统可以安装在任何挤出式3D打印机上,只需用热固性打印头更换热打印头。Chromatic的团队使用的是标准的大型Juggerbot 3D打印机。Chromatic提供材料以及必要的软件(后面会有更多的介绍)。对于许多硬件制造商来说,Chromatic 3D材料系统可以代表一个独特的机会,大大扩展他们的市场范围。

利用这种通用性,Chromatic将重点放在工业设备的密封件和垫片等应用上,这些都是供应链成本极高的零部件。一个只需要几分钱材料的零件,最终可能因为物流相关成本而花费几十美元。

相关人员解释:密封件和垫片的供应链上有很多专业设备,可能一整年只需要不到五百个零件。而且这些零件都是特殊形状。对于注塑成型来说,这简直是荒谬。所以,与这类零件相关的物流成本占零件成本的90%之多,主要是仓储和配送。年加工数百万个零件的注塑商不希望为了设置五百个零件的运行而中断生产。

团队做出的合理推断是:如果材料足够好,这些零件将是3D打印的理想选择。“这确实是我们企业的重点所在,”相关人员透露,“我们在小型车队中发现了很多成功的案例,包括公共汽车、火车、拖拉机,还有老爷车,甚至只是工厂里的机械。

由于聚氨酯材料在构建过程中固化,不需要加热避免变形,因此可以获得20厘米以上的零件高度。但是这种方法的主要问题是缺陷会在材料中传播,所以Chromatic开发了一种AI技术来补偿任何缺陷,这意味着软件开发占用了大约50%的研发时间。

在速度方面,聚氨酯材料的打印速度是热塑性塑料挤出工艺的五倍左右。相关人员解释说:设备升级有机会让我们的打印速度甚至再快五倍。,我们零件的另一个主要特点是,他们是百分之百的固体,这使我们在必须密封以保持压力的零件上几项优势。

客户似乎很欣赏该技术的另一个主要特点—可以在其他材料上打印。这意味着我们最终可以在金属零件上使用五轴机器人打印。相关人员说:我们在需要集成缓冲或密封的金属零件方面看到了商机。

Chromatic 3D materials是一个专业的服务提供商和咨询公司。相关人员解释说:我们的许多客户不想参与打印过程。我们的业务模式针对那些需要维护庞大备件库的制造商。他们正在努力维护五百个或以上不同弹性部件的物理库。

例如德国铁路服务公司,火车的运行年限多达50年,很多备件已经无法使用。我们与他们合作,查看他们的资料库,并确定可以使用我们的技术进行3D打印的零件。然后,我们通过一个程序对零件进行鉴定。我们快速修改材料化学成分的能力使我们能够轻松满足任何特定的零件要求。

到目前为止,Chromatic已经建立了一个包含500种基于不同化学变化的材料库。相关人员解释道:在短短四周左右时间里,我们就可以开发出一种新的可打印材料,可以满足热、机械强度或耐燃的要求。从这个意义上说,我们做咨询服务。

现在,该公司正在寻求扩大内部材料组合的数量,以便为更多的客户提供大批量的零件服务。业务发展的一个关键领域是零部件供应商,并成为专业的热固性3D打印提供商,生产中小批量难寻的零部件。很多时候客户甚至连零件的CAD图纸都没有了,这就是为什么我们认为对整个生产形成控制很重要。所以,一旦我们在数据库中为他们的零件建立了数字模具,我们就可以保证很短的周转时间。

随着需求的增长,快速鉴定零件使用的能力将是一个新的挑战。与公司合作鉴定一种新材料的应用可能需要长达6个月的时间,但聚氨酯已经在许多传统的制造应用中使用,在许多情况下,它们已经被国家和国际组织鉴定。这就是为什么3D打印它的潜在机会如此重要。

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