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困扰全球客户的3D打印材料技术难题是如何被攻克的?

更新时间  2022-01-31 01:53 阅读
本文摘要:3D打印机,又称增材生产,是以数字模型文件为基础,将材料逐级冲刷构成三维实体的技术,它对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链人组产生了深刻影响,是生产领域正在很快发展的一项新兴技术,被称作“具备工业革命意义的生产技术”。目前,3D打印机早已被普遍应用于学校教育、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生根,世界各国争相将增材生产作为未来产业发展的新增长点,推展增材生产技术与信息网络技术、新材料技术、新的设计理念的加快融合。

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3D打印机,又称增材生产,是以数字模型文件为基础,将材料逐级冲刷构成三维实体的技术,它对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链人组产生了深刻影响,是生产领域正在很快发展的一项新兴技术,被称作“具备工业革命意义的生产技术”。目前,3D打印机早已被普遍应用于学校教育、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生根,世界各国争相将增材生产作为未来产业发展的新增长点,推展增材生产技术与信息网络技术、新材料技术、新的设计理念的加快融合。全球生产、消费模式开始重塑,增材生产产业将步入极大的发展机遇。与发达国家比起,我国增材生产产业仅存在关键技术迟缓、创新能力严重不足、高端装备及零部件质量可靠性尚待提高、应用于广度深度尚待提升等问题。目前,我国高度重视增材生产产业,将其作为《中国生产2025》的发展重点。

为贯彻落实《中国生产2025》,前进我国增材生产产业较慢可持续发展,减缓培育制造业发展新的动能,2017年11月,国家十二部委牵头制订了《增材生产产业发展行动计划(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增强创意,提升创新能力。PLA(Polylacticacid),中文名称聚乳酸,又名聚丙交酯,以植物(比如玉米、甘蔗)淀粉为主要原料制备的半结晶型的热塑性脂肪族聚酯,ρ大约为1.24g/cm3,Tg大约为60℃,Tm大约为175℃,模具成型收缩率为0.2%~0.4%,具备生物可降解性,其水解产物为CO2和H2O,其废弃物会对环境导致污染,PLA材料的生命循环如图1右图。PLA材料可通过传统的吸管、吹塑、塑料、3D打印机等成型方式展开加工,被普遍应用于餐具、纸盒、3D打印机等领域。

目前,3D打印机成形原理主要还包括FDM型/SLS型/SLA型三种,3D打印机成型主要由打印机和材料构成,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打印机发展的最重要影响因素,也是目前3D打印机材料发展的现状。

下面主要讲解FDM打印机成型所使用的PLA材料,PLA材料是目前很热门的材料,也是FDM打印机成型中用于最少的材料,占70%以上。图1PLA生命循环图PLA材料之所以能被FDM打印机成型,其一是因为有较低的收缩率,使得打印机成型件的尺寸稳定性较好,比如成型件无翘曲无裂开的现象;其二是因为其环保性,还包括制备的单体来源和生物可降解性,使得打印机时没难闻的气味,其废弃物也可以被水解成对环境无污染的物体;其三是因为其较强的结晶能力,使得材料在打印机出料时的加热定型速度与打印机的供料速度相匹配,进而使得打印机会经常出现阻塞打印机燃烧室的现象。但是,由于PLA材料韧性较好的缺点,造成PLA材料在打印机的过程中,也不会经常出现一系列的问题。

比如PLA材料在吸管加工成线条,摆放2个月后,不会经常出现脆断或不平稳韧性的现象,造成客户在打印机的过程中经常出现线条卡断或自动脱落的现象,自动脱落如图2右图,严重影响长时间打印机。图2线条自动脱落图PLA线条材料的韧性劣,是市场上尤为广泛又相当严重的问题。针对这个缺点,很多公司都在展开改性优化,但是依然仍未显著的提高。

3D打印机技术本身就是一项创意的成型生产技术,但是如果材料没创意的话,是很难符合客户的有所不同市场需求的,最后也不会造成3D打印机行业发展缓慢或中止。材料韧性劣,一般的思维都是必要增韧改性,提升冲击强度值,这也是传统改性标准化的原理,但是经过很多次的试验检验,3D打印机PLA材料即使冲击强度值通过改性提升几倍甚至几十倍,在从改性颗粒生产成线条后,摆放2个月以上,依然不会经常出现发脆或不平稳韧性的现象。还有一个更为重要的问题就是增韧剂的大量加到,一方面不会造成打印机成型件再次发生翘曲的现象,这是因为增韧剂的重新加入提升了材料的收缩率,另一方面不会影响材料的流动性,使得打印机材料的温度被迫提升,多达了PLA材料本来的打印机温度。金旸3D研发团队,首先对PLA材料的分子结构,水解原理展开了大量的资料搜寻和研究,再行融合3D打印机成型所必需要符合的基本条件,制订了类似的研发方案,我们制定方案的思路如下:一、增韧剂的自由选择1、从分子结构方面考虑到:增韧剂结构中要有能与PLA含有基团再次发生反应的基团,使得增韧效果更加显著。

2、从生物降解原理方面考虑到:增韧剂结构中尽可能不所含不易柔软的基团,因为水分不会增进PLA材料的水解,最后不会减缓材料韧性的波动速率。二、水解抑制剂的自由选择从分子结构方面考虑到:重新加入具有扩链剂起到的助剂或可以封端PLA官能团的助剂。三、减少收缩率的助剂自由选择1、从增韧剂的自由选择方面考虑到:增韧剂本身的收缩率要跟PLA材料的相似。2、填充物方面考虑到:一方面填充物的微观形状最差是球状的,使得在减少改性材料收缩率的同时,可以构建各向同性膨胀的效果;另一方面填充物无法具有显著的增进结晶的起到,否则加热速度的减缓,很可能会造成材料在打印机的过程中经常出现阻塞燃烧室的现象。

四、从3D打印机标准线条的生产考虑到所有的助剂无法重新加入过于多,否则不会影响线条生产时线径的稳定性,比如线条尺寸的公差稍大,最后无法符合打印机的长时间运送进料。五、从打印机成型件的外观考虑到所有的助剂,特别是在是填充物的加到必需适度,否则由于填充物的集中问题,造成线条材料打印机成型件的表面精度变差,比如表面坚硬,有显著的颗粒。根据以上思路,我们制订的类似方案,经过多次的试验和客户检验,再一顺利研发出有一款高韧性维持亲率的PLA材料,也是目前市场上极具创新性的材料,攻下了3D打印机PLA线条材料发脆这一技术难题,确实解决问题了3D打印机客户长久以来的后遗症,此项创意技术归属于全球首创。

经过实际的检验得出结论以下结果:金旸高韧性维持亲率PLA材料,在空气当中摆放8个月以上,也会经常出现发脆或不平稳韧性的现象,此款材料具备较高的韧性维持亲率、较好的打印机效果,而且解决问题了打印机承托无以除去的问题;同时,它也可以必要替换部分加到钛白粉而出的白色材料。由于该款材料并未加到无以集中的钛白粉,进而使得打印机成型件的外观及精度十分理想,这也是它颇受客户注目的一个最重要原因。金旸PLA材料生产的线条及打印机成型如图3右图。

右图图3PLA打印机线条及打印机成型图由于生产FDM-3D材料的转入门槛较为较低,造成很多PLA材料生产商涌进这个行业,同质化问题更加相当严重,却一直缺乏一款客户确实失望的好产品。金旸3D研发团队正是基于这个行业痛点,从客户市场需求抵达,以技术创新为核心,经过长时间的前期研究、论证才构想出有研发创意思路,制订出有研发方案,再行经过重复多次的试验和客户检验,最后研发出有具备技术领先性、充份符合客户市场需求的好材料。


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