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就困擾全球客戶的3d打印材料技術難題是如何被攻克的?

技術動態

瀏覽:次 2022-12-22 12:10:10

困擾全球客戶的3d打印材料技術難題是如何被攻克的?

3D打印,又稱增材制造,是以數字模型文件為基礎,將材料逐層堆積構成3維實體的技術,它對傳統的工藝流程、生產線、工廠模式、產業鏈組合產生了深入影響,是制造領域正在迅速發展的1項新興技術,被稱為“具有工業革命意義的制造技術”。目前,3D打印已被廣泛利用于學校教育、產品設計、醫療、航空等領域。

當前,全球范圍內新1輪科技革命與產業革命正在萌生,世界各國紛紜將增材制造作為未來產業發展的新增長點,推動增材制造技術與信息網絡技術、新材料技術、新設計理念的加速融會。全球制造、消費模式開始重塑,增材制造產業將迎來巨大的發展機遇。與發達國家相比,我國增材制造產業尚存在關鍵技術滯后、創新能力不足、高端設備及零部件質量可靠性有待提升、利用廣度深度有待提高等問題。

目前,我國高度重視增材制造產業,將其作為《中國制造2025》的發展重點。為貫徹落實《中國制造2025》,推動我國增材制造產業快速可延續發展,加快培養制造業發展新動能,20包括常規沖擊和低溫沖擊17年11月,國家102部委聯合制定了《增材制造產業發展行動計劃(2017⑵020年)》,計劃內容當中的基本原則和重點任務的第1點就是強化創新,提高創新能力。

目前,3D打印成形原理主要包括FDM型/SLS型/SLA型3種,3D打印成型主要由打印機和材料組成,打印機是輔助成型的工具,材料才是關鍵。材料種類和性能的制約,是影響3D打印發展的重要影響因素,也是目前3D打印材料發展的現狀。下面主要介紹FDM打印成型所采取的PLA材料,PLA材料是目前很受歡迎的材料,也是FDM打印成型中使用最多的材料,占到在自動控制實驗時70%以上。

PLA(Polylactic acid),中文名稱聚乳酸,又名聚丙交酯,以植物(比如玉米、甘蔗)淀粉為主要原料合成的半結晶型的熱塑性脂肪族聚酯,ρ約為1.24g/cm3,Tg約為60℃,Tm約為175℃,模具成型收縮率為0.2%~0.4%,具有生物可降解性,其降解產物為CO2和H2O,其廢棄物不會對環境造成污染,PLA材料的生命循環如圖1所示。PLA材料可通過傳統的擠出、吹塑、注塑、3D打印等成型方式進行加工,被廣泛利用于餐具、包裝、3D打印等領域。

圖1 PLA生命循環圖

PLA材料之所以能被FDM打印成型,其1是由于有較低的收縮率,使得打印成型件的尺寸穩定性較好,比如成型件無翹曲無開裂的現象;其2是由于其環保性,包括合成的單體來源和生物可降解性,使得打印時沒有刺鼻的氣味,其廢棄物也能夠被降解成對環境無污染的物體;其3是由于其較弱的結晶能力,使得材料在打印出料時的冷卻定型速度與打印機的供料速度相匹配,進而使得打而1般兩相限變頻器不能完成電流的雙向活動印不會出現梗塞打印機噴嘴的現象。

但是,由于PLA材料韌性較差的缺點,致使PLA材料在打印的進程中,也會出現1系列的問題。比如PLA材料在擠出加工成線條,放置2個月后,會出現脆斷或不穩定韌性的現象,致使客戶在打印的進程中出現線條卡斷或自動斷裂的現象,自動斷裂如圖2所示,嚴重影響正常打印。

圖2 線條自動斷裂圖

PLA線條材料的韌性差,是市場上最為普遍又嚴重的問題。針對這個缺點,很多公司都在進行改性優化,但是依然未有明顯的改良。3D打印機技術本身就是1項創新的成型制造技術,但是如果材料沒有創新的話,是很難滿足客戶的不同需求的,終究也會致使3D打印行業發展緩慢或終止。

材料韌性差,1般的思惟都是直接增韌改性,提高沖擊強度值,這也是傳統改性通用的原理,但是經過很屢次的實驗驗證,3D打印PLA材料即便沖擊強度值通過改性提高幾倍乃至幾10倍,在從改性顆粒生產成線條后,放置2個月以上,依然會出現發脆或不穩定韌性的現象。還有1個更加重要的問題就是增韌劑的大量添加,1方面會致使打印成型件產生翹曲的現象,這是由于增韌劑的加入提高了材料的收縮率,另外一方面會影響材料的活動性,使得打印材料的溫度不能不提高,超過了PLA材料本來的打印溫度。

金旸3D研發團隊,首先對PLA材料的份子結構,降解原理進行了大量的資料搜索和研究,再結合3D打印成型所必須要滿足的基本條件,制定了特殊的開發方案,我們制定方案的思路以下:

1、增韌劑的選擇

1、從份子結構方面斟酌:增韌劑結構中要有能與PLA所含基團產生反應的基團,使得增韌效果更加明顯。

2、從生物降解原理方面斟酌:增韌劑結構中盡可能不含有易吸水的基團,由于水份會增進PLA材料的降解,終究會加快材料韌性的衰減速率。

2、降解抑制劑的選擇

從份子結構方面斟酌:加入帶有擴鏈劑作用的助劑或可以封端PLA官能團的助劑。

3、下降收縮率的助劑選擇

1、從增韌劑的選擇方面斟酌:增韌劑本身的收縮率要跟PLA材料的接近。

2、填充物方面斟酌:1方面填充物的微觀形狀最好是球狀的,使得在下降改性材料收縮率的同時,可以實現各向同性收縮的效果;另外一方面填充物不能帶有明顯的增進結晶的作用,否則冷卻速度的加快,極可能會致使材料在打印的進程中出現梗塞噴嘴的現象。

4、從3D打印標準線條的生產斟酌

所有的助劑不能加入太多,否則會影響線條生產時線徑的穩定性,比如線條尺寸的公差偏大,終究沒法滿足打印機的正常輸送進料。

5、從打印成型件的外觀斟酌

所有的助劑,特別是填充物的添加必須適當,否則由于填充物的分散問題,致使線條材料打印成型件的表面精度變差,比如表面粗糙,有明顯的顆粒。

根據以上思路,我們制定的特殊方案,經過量次的實驗和客戶驗證,終究成功開發出1款高韌性保持率的PLA材料,也是目前市場上極具創新性的材料,攻克了3D打印PLA線條材料發脆這1技術困難,真正解決了3D打印客戶久長以來的困擾,此項創新技術屬于全球首創。

經過實際的驗證得出以下結果:金旸高韌性保持率PLA材料,在空氣當中放置8個月以上,也不會出現發脆或不穩定韌性的現象,此款材料具有較高的韌性保持率、良好的打印效果,而且解決了打印支持難去除的問題;同時,它也能夠直接代替部份添加鈦白粉而成的白色材料。由于該款材料未添加難分散的鈦白粉,進而使得打印成型件的外觀及精度非常理想,這也是它深受客戶青睞的1個重要緣由。

金旸PLA材料生產的線條及打印成型如圖3所示。 所示

圖3 PLA打印線條及打印成型圖

由于生產FDM⑶D材料的進入門坎比較低,致使很多PLA材料生產商涌入這個行業,同質化問題愈來愈嚴重,卻始終缺少1款客戶真正滿意的好產品。金旸3D研發團負責相干研究的住友化學公司團隊經理笠原達也干勁10足隊正是基于這個行業痛點,從客戶需求動身,以技術創新為核心,經太長時間的前期研究、論證才構思出研發創新思路,制定出研發方案,再經過反復屢次的實驗和客戶驗證,終究開發出具有技術領先性、充分滿足客戶需求的好材料。


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