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至困扰全球客户的3d打印材料技术难题是如何被攻克的?

行业百科发布时间:2021-09-21

困扰全球客户的3d打印材料技术难题是如何被攻克的?

3D打印,又称增材制造,是以数字模型文件为基础,将材料逐层堆积构成3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入影响,是制造领域正在迅速发展的1项新兴技术,被称为“具有工业革命意义的制造技术”。目前,3D打印已被广泛利用于学校教育、产品设计、医疗、航空等领域。

当前,全球范围内新1轮科技革命与产业革命正在萌生,世界各国纷纭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会。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、高端设备及零部件质量可靠性有待提升、利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》,推动我国增材制造产业快速可延续发展,加快培养制造业发展新动能,20包括常规冲击和低温冲击17年11月,国家102部委联合制定了《增材制造产业发展行动计划(2017⑵020年)》,计划内容当中的基本原则和重点任务的第1点就是强化创新,提高创新能力。

至困扰全球客户的3d打印材料技术难题是如何被攻克的?

目前,3D打印成形原理主要包括FDM型/SLS型/SLA型3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打印成型所采取的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,被广泛利用于餐具、包装、3D打印等领域。

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图1 PLA生命循环图

PLA材料之所以能被FDM打印成型,其1是由于有较低的收缩率,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2是由于其环保性,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,其废弃物也能够被降解成对环境无污染的物体;其3是由于其较弱的结晶能力,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,进而使得打而1般两相限变频器不能完成电流的双向活动印不会出现梗塞打印机喷嘴的现象。

但是,由于PLA材料韧性较差的缺点,致使PLA材料在打印的进程中,也会出现1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,致使客户在打印的进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。

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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,但是依然未有明显的改良。3D打印机技术本身就是1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,终究也会致使3D打印行业发展缓慢或终止。

材料韧性差,1般的思惟都是直接增韧改性,提高冲击强度值,这也是传统改性通用的原理,但是经过很屡次的实验验证,3D打印PLA材料即便冲击强度值通过改性提高几倍乃至几10倍,在从改性颗粒生产成线条后,放置2个月以上,依然会出现发脆或不稳定韧性的现象。还有1个更加重要的问题就是增韧剂的大量添加,1方面会致使打印成型件产生翘曲的现象,这是由于增韧剂的加入提高了材料的收缩率,另外一方面会影响材料的活动性,使得打印材料的温度不能不提高,超过了PLA材料本来的打印温度。

金旸3D研发团队,首先对PLA材料的份子结构,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以下:

1、增韧剂的选择系统比能量力争到达260 瓦时/千克、本钱降至1元/瓦时以下

1、从份子结构方面斟酌:增韧剂结构中要有能与PLA所含基团产生反应的基团,使得增韧效果更加明显。

2、从生物降解原理方面斟酌:增韧剂结构中尽可能不含有易吸水的基团,由于水份会增进PLA材料的降解,终究会加快材料韧性的衰减速率。

2、降解抑制剂的选择

从份子结构方面斟酌:加入带有扩链剂作用的助剂或可以封端PLA官能团的助剂。

3、下降收缩率的助剂选择

1、从增韧剂的选择方面斟酌:增韧剂本身的收缩率要跟PLA材料的接近。

2、填充物方面斟酌:1方面填充物的微观形状最好是球状的,使得在下降改性材料收缩率的同时,可以实现各向同性收缩的效果;另外一方面填充物不能带有明显的增进结晶的作用,否则冷却速度的加快,极可能会致使材料在打印的进程中出现梗塞喷嘴的现象。

4、从3D打印标准线条的生产斟酌

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,终究没法满足打印机的正常输送进料。

5、从打印成型件的外观斟酌

所有的助剂,特别是填充物的添加必须适当,否则由于填充物的分散问题,致使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,经过量次的实验和客户验证,终究成功开发出1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1技术困难,真正解决了3D打印客户久长以来的困扰,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,而且解决了打印支持难去除的问题;同时,它也能够直接代替部份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1个重要缘由。

金旸PLA材料生产的线条及打印成型如图3所示。 所示

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图3 PLA打印线条及打印成型图

由于生产FDM⑶D材料的进入门坎比较低,致使很多PLA材料生产商涌入这个行业,同质化问题愈来愈严重,却始终缺少1款客户真正满意的好产品。金旸3D研发团负责相干研究的住友化学公司团队经理笠原达也干劲10足队正是基于这个行业痛点,从客户需求动身,以技术创新为核心,经太长时间的前期研究、论证才构思出研发创新思路,制定出研发方案,再经过反复屡次的实验和客户验证,终究开发出具有技术领先性、充分满足客户需求的好材料。