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有望PK注塑?5种高速尼龙3D打印技术

高速的高性能尼龙3D打印技术陆续出现,在某些应用场景下有望PK注塑。

背景:据了解,中国一年注塑的零件产品就超过4000万吨,产值万亿元。其中尼龙(PA)种类繁多,在注塑行业是一种非常重要的材料。而在3D打印领域,尼龙凭借着耐磨、韧性高、强度大和耐热性好等优点,已经成为重要的功能性生产材料,为工业设计师和工程师增加了许多创意的可行性,创造了具有良好机械性能的零件,适用于功能原型和最终用途。但是由于技术的限制,以前的SLS激光烧结尼龙3D打印技术的速度还非常慢,成本也非常高,难以大规模应用。

虽然SLS是目前用于打印尼龙零件的最常用技术,但技术和材料的进步迅速赶上,而且像惠普MJF技术类似的高速尼龙成型技术也不断被开发出来,大幅度降低了尼龙3D打印零件成本,以使3D打印技术,在某些应用场景下可以媲美注塑等大规模制造技术,具有独特的竞争力。

下面,南极熊整理目前全球范围内的高速尼龙粉末3D打印技术,希望可以给产业界带来思考和启发。

3D打印尼龙材料有哪些优势?

适用于原型和功能验证部件,如齿轮和工具,尼龙可以用碳纤维或玻璃纤维增强,从而使轻质部件具有出色的机械性能。

尼龙具有很高的刚性和柔韧性。当打印的产品比较薄时,部件将是柔性的,而当打印较厚的墙壁时,部件刚性好。这非常适合生产具有刚性部件和柔性接头的活动铰链等部件。

尼龙打印的部件带有颗粒感,不需要支撑。

尼龙3D打印可用于制作活动和互锁部件。免除组装,能够更快地生产高度复杂的物体。

1.HSS:高速烧结工艺

研发者:霍普金森教授

拥有技术厂商:Xaar 3D

使用该技术的厂商:voxeljet

机型:VX200

霍普金森的快速烧结技术受专利知识产权保护,拥有者是霍普金森以前的机构-拉夫堡大学,该专利已授权给几个单位使用,包括德国的3D打印公司voxeljet。

HSS高速烧结技术是由霍普金森教授研发出来的,voxeljet通过Evonik(赢创)和Loughborough大学获得专利授权,HSS工艺有着比激光烧结3D打印技术快100倍的速度,甚至能媲美传统注塑工艺,十分适合批量制造,所以,该技术帮助Voxeljet在竞争日趋激烈的3D打印市场中获得新的优势。值得注意的是,霍普金森已经脱离谢菲尔德大学并将这项技术转化到XAAR公司。

HSS听起来有点像惠普的MJF,的确这两个过程非常相似,HSS工艺与惠普的多射流熔融工艺MJF一样用到了红外线烧结,只不过不需要使用细化剂,这是因为Hopkinson教授发现就算不用细化剂,打印的效果也相当不错。HSS工艺可以实现极佳的表面质量和较高的精细度,所以,它适用于制造全功能的部件,比如支架和外壳。而这些部件能够直接应用于汽车、工业设备,以及日常消费品。

下面就来简单了解一下HSS工艺,整个流程大致如下图所示:

①沉积一层高分子材料粉末,如尼龙12或TPU

②用喷墨打印头在需要烧结的部分沉积能有效吸收红外线的特殊油墨

③用红外线照射需要烧结的部分,从而令油墨吸收足够的能量,融化材料粉末,实现固化

④重复以上步骤,直至整个物体打印完成

与传统的激光烧结3D打印技术相比,HSS技术的主要优点在于:

①速度提高100倍,所以在批量制造方面有明显的优势,甚至可与传统的注塑工艺媲美。事实上,此前的一项调查已经证实了这一点。调查发现,使用HSS技术制造微型滑雪板的成本比使用激光烧结技术要低75%。

②融化粉末的速度比激光加热慢10000倍,但这可以减少对材料的损坏,提高烧结质量。

③材料的选择范围更广 — FACTUM工程师发现,有些材料很难或是无法通过激光加热烧结,但是使用HSS技术就可以。

④可以使用100%的回收粉末,却不会造成打印件表面粗糙,同时加工过程中也不需要富含氮气的环境。

HSS高速烧结速度100倍于SLS激光烧结,当前的SLS激光烧结机通过一个单点激光熔化粉末状塑料聚合物,这使得生产效率受到一定的制约,霍普金森采用红外线灯和喷墨打印头来代替激光的解决方案。打印头快速准确地将材料传送到粉末床上。在HSS加工过程中,喷墨打印头将黑色的红外辐射吸收油墨沉积在热塑性粉末床上,然后红外灯加热粉末,导致塑料粉末颗粒熔化,从而固化每一层的形状,这比激光烧结速度快很多。

HSS被认为是降低SLS零件成本的手段,以使3D打印与诸如注塑等大规模制造技术具有竞争力。通过更换SLS中使用的昂贵的激光器并增加机器的生产能力,可以达到与注塑成型竞争的成本和速度来制造塑料零件。该工艺的温和加热打开了广泛的材料,如弹性体和其他塑料。此外,HSS可以使用100%的回收粉末,而不会导致粗糙的表面,加工过程中也不需要富含氮气的环境。

▲HSS技术的打印成品

关于voxeljet

voxeljet是全球领先的工业3D打印制造商,在欧洲设有超大规模的服务中心用以提供即时的金属铸造模型服务。成立于1999年,专属于3DP技术的模型打印和快速成型,2013年10月在NYSE上市。公司主要产品:VX200、VX500、VXC800以及VX1000、VX2000、VX4000系列蜡模以及沙模3D打印机,其产品特点是打印精度高,成型体积大,VX4000打印空间为1060x600x500mm,而VXC800在一个维度可以连续扩展其成型空间。打印材料:专用的塑料粉末和砂岩(石膏),塑料粉末用于石蜡铸造模型的打印。

关于Xaar 

Xaar 是全球领先的数字压电按需喷印技术独立制造商。赛尔的技术推动着传统模拟印刷及制造工艺转向数字化,比多年来所应用的传统生产方法能带来更多的经济效益及更高的产能。赛尔设计及生产的喷头及系统设备,广泛应用于众多不同的领域,包括产品装饰加工以及应用赛尔喷墨技术的3D打印。

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