用于3D打印的木塑復(fù)合材料

3D打印公司Aerosint的工程師最近發(fā)表了一篇文章，概述了公司關(guān)于多種材料3D打印的暢想。正如我們在一月份報告的那樣，比利時SLS專家已經(jīng)嘗試開發(fā)多種材料3D打印機，而這種技術(shù)的進一步發(fā)展可能對制造業(yè)產(chǎn)生重大變革。

多種材料3D打印對于未來的添加劑制造技術(shù)和開發(fā)它的公司來說是非常重要的，因為大多數(shù)產(chǎn)品往往是由一種以上的材料制成的。大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)將限于諸如逆向工程替代過時部件，除非3D打印可以實現(xiàn)不同的材料使用同一個系統(tǒng)。

多種材料3D打印目前難以實現(xiàn)可擴展性和經(jīng)濟性。多種材料3D打印最常見的方法之一是用復(fù)合材料。復(fù)合材料實際上是兩種不同的材料，以某種方式結(jié)合在一起。使得它們具有兩種材料的性能，例如高熱阻和機械強度。金屬合金或纖維增強聚合物就是很好的例子。

最好的復(fù)合材料是在Aerosint的文章中被稱為復(fù)合材料界的“圣杯”的功能梯度材料（FGM）。FGM不是由通常分布在基材中的增強材料組成，而是由兩個或多個材料組成，每個材料之間有分級界面，以平滑的方式從一個過渡到另一個。這種組合方式提供了更好的機械分布，如果是在有明確的邊界的兩種材料之間，熱應(yīng)力和化學應(yīng)力集中作用下，材料就會出現(xiàn)缺陷。

FGM在極端高溫、機械和（或）化學應(yīng)力的極端環(huán)境中最有用，這種情況下單一材料部分不可避免地會失效。在FGM中，每種材料的機械、熱學或化學優(yōu)點有效地抵消了另一種材料的缺點。

大多數(shù)3D打印技術(shù)能夠以某種方式創(chuàng)建FGM。FDM 3D打印技術(shù)可以在多擠壓系統(tǒng)中融合不同的聚合物。米其林最近展示了這種方法的可能性，將不同的聚合物結(jié)合在一起生產(chǎn)出一種先進的輪胎，這種輪胎在其整個結(jié)構(gòu)中具有多種不同的彈性。然而，在規(guī)模和速度方面，這種方法仍然是受限的。

更先進的3D打印技術(shù)——直接金屬沉積（DMD），可以以接近連續(xù)的梯度生產(chǎn)金屬-金屬和金屬-陶瓷FGM復(fù)合材料。這種方法的缺點是它既昂貴又費時。技術(shù)本身要花很多錢來購買和維護，而且每一個零件必須一次制造。材料浪費是限制DMD實施的另一個嚴重問題，浪費率約為70%。

在未來，綜合考慮效果、可擴展性、經(jīng)濟性等因素，F(xiàn)GM部件最有可能實現(xiàn)生產(chǎn)的是SLS或SLM 3D打印技術(shù)。這些技術(shù)的粉末床技術(shù)快速，成本相對較低，并能夠批量生產(chǎn)不同大小的部件。但是大規(guī)模制造FGM復(fù)合材料還不行。使用粉末床熔融技術(shù)制造FGM復(fù)合材料的關(guān)鍵是將多粉末沉積系統(tǒng)與雙材料共燒結(jié)相結(jié)合，打印過程提供體素水平控制。Aerosint是沿著這條線研究的，迄今為止已經(jīng)實現(xiàn)了兩種粉末沉積。理論上，材料的數(shù)量是無限的，并且粉末可以是聚合物、金屬或陶瓷，只要流動性和粒度分布與SLS工藝兼容。

如果在3D打印中能實現(xiàn)多種材料相結(jié)合，可能意味著添加劑制造業(yè)的顛覆性發(fā)展。新一代的部件，不僅價格低廉而且具有精細的幾何形狀和先進的材料特性，能夠快速生產(chǎn)，按需生產(chǎn)，那么每一個制造業(yè)都將受益。

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近年來，通過粘結(jié)劑噴射 （ binder jetting）工藝進行金屬3D打印的設(shè)備受到了投資人的青睞。從投資市場方面，大量的投資資金因看好高速度、大批量和低成本的因素，而進入到了粘結(jié)劑噴射 3D打印領(lǐng)域，后起之秀Desktop Metal, Markforged，Digital Metal等均是該領(lǐng)域的代表性企業(yè)。

現(xiàn)在，GE也進入到了粘結(jié)劑噴射 3D打印技術(shù)領(lǐng)域。GE 增材制造透露，其粘結(jié)劑噴射3D打印設(shè)備的原型已研發(fā)成功，這些設(shè)備將在2018年中期正式推出市場。

替代鋁、鐵等金屬鑄件

GE對外公布了一臺基于粘結(jié)劑噴射工藝的原型3D打印設(shè)備，其構(gòu)建體積為：300 x 300 x 350 mm 。仍有一款構(gòu)建體積為原型設(shè)備2-3倍的設(shè)備目前正在研發(fā)中。原型設(shè)備的打印速度為40立方英寸（655立方厘米）/小時，GE的研發(fā)成員表示設(shè)備的速度還將可以提高至600-700英寸（9832-11470立方厘米）/ 小時。

GE 增材制造的技術(shù)創(chuàng)新主管Sands 表示，GE粘結(jié)劑噴射新設(shè)備打印零件所需的時間約為市場上某同類設(shè)備打印所需時間的一半。

顯然，高速度是GE看重這個技術(shù)的重要原因。那么，GE希望將這一3D打印技術(shù)應(yīng)用在哪些領(lǐng)域呢？

對此，GE 增材制造的總經(jīng)理Ehteshami 表示，每年僅是GE內(nèi)部就會消耗大量的金屬鑄件。然而傳統(tǒng)的金屬鑄造工藝周期長，模具制造成本高，很多情況下不能滿足制造業(yè)產(chǎn)品快速迭代的需求以及控制成本的需求。這個情況在航空航天行業(yè)和汽車制造行業(yè)尤為突出。同時，這兩個行業(yè)對于引進可以提高生產(chǎn)效率的新技術(shù)也最為積極。

而粘合劑噴射3D打印技術(shù)可以在短時間內(nèi)快速制造出金屬零件，使制造周期明顯縮短，特別是在鋁、鐵零件快速制造方面，可以與鑄造工藝進行競爭。該技術(shù)在需要快速制造鑄件的制造行業(yè)中具有應(yīng)用潛力。

GE 研發(fā)的粘合劑噴射3D打印設(shè)備的特點是，比粉末床熔融設(shè)備（包括選區(qū)激光熔融和電子束熔融）速度更快，更便宜。GE 粘合劑噴射3D打印設(shè)備中的核心技術(shù)之一是一種特殊的粘合劑。通過粘合劑噴射系統(tǒng)制造的金屬零件，在打印完成后，將通過熱處理工藝進行加工。GE 的研發(fā)團隊正努力優(yōu)化熱處理過程，加強熱處理強度，優(yōu)化失真，并希望能夠?qū)⒃摷夹g(shù)與其他制造技術(shù)進行整合。

GE 計劃在2018年中期推出粘合劑噴射3D打印設(shè)備，該設(shè)備的客戶群體包括GE內(nèi)部的需求部門和公司外部的制造業(yè)客戶，GE內(nèi)部需求部門希望能夠在2018年6月得到第一批交付的產(chǎn)品。

GE粘合劑噴射3D打印設(shè)備的研發(fā)工作是在GE 位于美國辛辛那提的增材制造的培訓(xùn)中心（ATC）進行的。目前該中心擁有超過100臺的3D打印設(shè)備，用于制造不銹鋼、鈷基、鎳基、鋁、鉻鎳鐵合金、鈦和其他金屬零件。

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