有望PK注塑,？5種高速尼龍3D打印技術

南極熊導讀：高速的高性能尼龍3D打印技術陸續(xù)出現(xiàn)，在某些應用場景下有望PK注塑,。

背景：據(jù)了解,，中國一年注塑的零件產(chǎn)品就超過4000萬噸，產(chǎn)值萬億元,。其中尼龍（PA）種類繁多，在注塑行業(yè)是一種非常重要的材料,。而在3D打印領域,，尼龍憑借著耐磨、韌性高,、強度大和耐熱性好等優(yōu)點,，已經(jīng)成為重要的功能性生產(chǎn)材料，為工業(yè)設計師和工程師增加了許多創(chuàng)意的可行性,，創(chuàng)造了具有良好機械性能的零件,，適用于功能原型和最終用途。但是由于技術的限制,，以前的SLS激光燒結尼龍3D打印技術的速度還非常慢,，成本也非常高，難以大規(guī)模應用,。

雖然SLS是目前用于打印尼龍零件的最常用技術,，但技術和材料的進步迅速趕上,，而且像惠普MJF技術類似的高速尼龍成型技術也不斷被開發(fā)出來，大幅度降低了尼龍3D打印零件成本,，以使3D打印技術,，在某些應用場景下可以媲美注塑等大規(guī)模制造技術，具有獨特的競爭力,。

下面,，南極熊整理目前全球范圍內(nèi)的高速尼龍粉末3D打印技術，希望可以給產(chǎn)業(yè)界帶來思考和啟發(fā),。

3D打印尼龍材料有哪些優(yōu)勢,？

• 適用于原型和功能驗證部件，如齒輪和工具,，尼龍可以用碳纖維或玻璃纖維增強,，從而使輕質(zhì)部件具有出色的機械性能。
• 尼龍具有很高的剛性和柔韌性,。當打印的產(chǎn)品比較薄時,，部件將是柔性的，而當打印較厚的墻壁時,，部件剛性好,。這非常適合生產(chǎn)具有剛性部件和柔性接頭的活動鉸鏈等部件。
• 尼龍打印的部件帶有顆粒感,，不需要支撐,。
• 尼龍3D打印可用于制作活動和互鎖部件。免除組裝,，能夠更快地生產(chǎn)高度復雜的物體,。
  

1. HSS：高速燒結工藝
研發(fā)者：霍普金森教授
擁有技術廠商：Xaar 3D
使用該技術的廠商：voxeljet
機型：VX200

霍普金森的快速燒結技術受專利知識產(chǎn)權保護，擁有者是霍普金森以前的機構－拉夫堡大學,，該專利已授權給幾個單位使用,，包括德國的3D打印公司voxeljet。

HSS高速燒結技術是由霍普金森教授研發(fā)出來的,，voxeljet通過Evonik（贏創(chuàng)）和Loughborough大學獲得專利授權,，HSS工藝有著比激光燒結3D打印技術快100倍的速度,，甚至能媲美傳統(tǒng)注塑工藝,，十分適合批量制造，所以,，該技術幫助Voxeljet在競爭日趨激烈的3D打印市場中獲得新的優(yōu)勢,。值得注意的是，霍普金森已經(jīng)脫離謝菲爾德大學并將這項技術轉(zhuǎn)化到XAAR公司,。

HSS聽起來有點像惠普的MJF,，的確這兩個過程非常相似,，HSS工藝與惠普的多射流熔融工藝MJF一樣用到了紅外線燒結，只不過不需要使用細化劑,，這是因為Hopkinson教授發(fā)現(xiàn)就算不用細化劑,，打印的效果也相當不錯。HSS工藝可以實現(xiàn)極佳的表面質(zhì)量和較高的精細度,，所以,，它適用于制造全功能的部件，比如支架和外殼,。而這些部件能夠直接應用于汽車,、工業(yè)設備，以及日常消費品,。

下面就來簡單了解一下HSS工藝,，整個流程大致如下圖所示：

①沉積一層高分子材料粉末，如尼龍12或TPU
②用噴墨打印頭在需要燒結的部分沉積能有效吸收紅外線的特殊油墨
③用紅外線照射需要燒結的部分,，從而令油墨吸收足夠的能量,，融化材料粉末，實現(xiàn)固化
④重復以上步驟,，直至整個物體打印完成  

與傳統(tǒng)的激光燒結3D打印技術相比,，HSS技術的主要優(yōu)點在于：
①速度提高100倍，所以在批量制造方面有明顯的優(yōu)勢,，甚至可與傳統(tǒng)的注塑工藝媲美,。事實上，此前的一項調(diào)查已經(jīng)證實了這一點,。調(diào)查發(fā)現(xiàn),，使用HSS技術制造微型滑雪板的成本比使用激光燒結技術要低75%。
②融化粉末的速度比激光加熱慢10000倍,，但這可以減少對材料的損壞,，提高燒結質(zhì)量。
③材料的選擇范圍更廣 — FACTUM工程師發(fā)現(xiàn),，有些材料很難或是無法通過激光加熱燒結,，但是使用HSS技術就可以。
④可以使用100％的回收粉末,，卻不會造成打印件表面粗糙,，同時加工過程中也不需要富含氮氣的環(huán)境。

HSS高速燒結速度100倍于SLS激光燒結,，當前的SLS激光燒結機通過一個單點激光熔化粉末狀塑料聚合物,，這使得生產(chǎn)效率受到一定的制約，霍普金森采用紅外線燈和噴墨打印頭來代替激光的解決方案,。打印頭快速準確地將材料傳送到粉末床上,。在HSS加工過程中,，噴墨打印頭將黑色的紅外輻射吸收油墨沉積在熱塑性粉末床上，然后紅外燈加熱粉末,，導致塑料粉末顆粒熔化,，從而固化每一層的形狀，這比激光燒結速度快很多,。

HSS被認為是降低SLS零件成本的手段,，以使3D打印與諸如注塑等大規(guī)模制造技術具有競爭力。通過更換SLS中使用的昂貴的激光器并增加機器的生產(chǎn)能力,，可以達到與注塑成型競爭的成本和速度來制造塑料零件,。該工藝的溫和加熱打開了廣泛的材料，如彈性體和其他塑料,。此外,，HSS可以使用100％的回收粉末，而不會導致粗糙的表面,，加工過程中也不需要富含氮氣的環(huán)境,。

▲HSS技術的打印成品

關于voxeljet
voxeljet是全球領先的工業(yè)3D打印制造商，在歐洲設有超大規(guī)模的服務中心用以提供即時的金屬鑄造模型服務,。成立于1999年,，專屬于3DP技術的模型打印和快速成型，2013年10月在NYSE上市,。公司主要產(chǎn)品：VX200,、VX500、VXC800以及VX1000,、VX2000,、VX4000系列蠟模以及沙模3D打印機，其產(chǎn)品特點是打印精度高,，成型體積大,，VX4000打印空間為1060x600x500mm，而VXC800在一個維度可以連續(xù)擴展其成型空間,。打印材料：專用的塑料粉末和砂巖（石膏）,，塑料粉末用于石蠟鑄造模型的打印。

關于Xaar
Xaar 是全球領先的數(shù)字壓電按需噴印技術獨立制造商,。賽爾的技術推動著傳統(tǒng)模擬印刷及制造工藝轉(zhuǎn)向數(shù)字化,，比多年來所應用的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法能帶來更多的經(jīng)濟效益及更高的產(chǎn)能。賽爾設計及生產(chǎn)的噴頭及系統(tǒng)設備,，廣泛應用于眾多不同的領域,，包括產(chǎn)品裝飾加工以及應用賽爾噴墨技術的3D打印,。

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2. MJF: 惠普多射流熔融技術(HP Multi Jet Fusion)
廠商：惠普
機型：惠普Jet Fusion 4200 ,、HP Jet Fusion 5200等速度：比普通SLS快10倍以上

2015年年底,，惠普正式宣布推出多射流熔融(Multi-Jet Fusion)3D打印技術，并推出基于此技術的3D打印設備,，速度上,，多射流熔融(Multi-Jet Fusion)3D打印技術相比市場上同類產(chǎn)品的打印速度提高至少10倍以上。多射流熔融技術(Multi-Jet Fusion)的工作原理是,，首選鋪層粉末,，再噴射熔劑，同時噴射精細劑,，最后施加熱源,。當一層打印完畢后，自動進行下層的打印工作,，直到成品完成,。

噴射系統(tǒng)每秒可噴出驚人的3.5億滴液滴，打印的對象精度高達20微米,，一臺典型的激光燒結機的打印精度大約在200-400微米之間,。

惠普多射流熔融(Multijet Fusion)3D打印技術其成型步驟如下：

1)鋪設成型粉末;

2)噴射熔融輔助劑(Fusing agent);

3)噴射細化劑(Detailing agent);

4)在成型區(qū)域施加能量使粉末熔融。

重復1)——4)過程直到所有切片加工結束,，注意噴射細化劑的區(qū)域并沒有被熔融,。

惠普MJF技術過程示意圖

下面是惠普3D打印機的全套設備，從左至右依次是MJF 3D打印機,、構建單元,、處理站。

　　惠普3D打印系統(tǒng)組成

HP打印機的核心是位于工作臺上的兩個模塊：分別叫做“鋪粉模塊”和“熱噴頭模塊”,�,！颁伔勰�塊”是用來在打印臺上鋪設粉末材料的。

鋪粉模塊

“熱噴頭模塊”則是用來噴射“熔融劑”和“細化劑”這兩種化學試劑的,，而該模塊正是惠普這款打印機的最大亮點 — 它能以每秒每英寸3000萬滴的量噴射這兩種試劑,。

熱噴頭模塊

實際的打印過程如下圖所示：“鋪粉模塊”會首先上下移動鋪設一層均勻的粉末。然后,，“熱噴頭模塊”會左右移動噴射兩種試劑,，同時通過兩側(cè)的熱源加熱融化打印區(qū)域的材料。這個過程會往復進行,，直至最后打印完成,。

熱噴頭模塊噴射兩種試劑并加熱

需要指出的是，“助熔劑”會噴射到打印的部分(即打印對象的橫截面),，作用是讓粉末材料充分融化;“精細劑”則會噴射在打印區(qū)外邊緣,，起到隔熱作用。這樣一來,，不僅能保證沒有打印的粉末保持松散的狀態(tài),，提高粉末的再利用率(80%,，而普通SLS在利用率大約是50%)，還能保證打印層表面光滑,，提高打印件的精細度(想想A4紙的光潔度),。下面放大看看HP打印機的過程模擬：

　　惠普3D打印機成型過程模擬

惠普3D打印機的優(yōu)勢

1)加工速度快�,；萜�3D打印機的第一大亮點是速度快,，據(jù)說可超過普通技術的10倍。下圖就是以打印齒輪為例的速度對比,，可以看到同樣耗費3小時,，左側(cè)的擠出技術(其實就是FDM熔融沉積)只打印出了36個;中間的激光燒結(SLS)技術則略好，打印出了79個;但右側(cè)的惠普多噴射熔融(MJF)技術卻足足打印出了1000個!

2)打印件質(zhì)量高,。下面就是一個小小驗證,，用打印的橢圓形結構吊起了一輛汽車。這個結構打印只用了30分鐘,，重1/4磅(約113克),，卻可提起最高5噸的重量。

3)高精度,。打印機噴頭可以達到1200dpi的精度,，考慮到粉末的擴散，在XY方向的精度可以達到約40微米,。

HP Multi Jet Fusion技術能夠在“體素”級徹底改變色彩,、質(zhì)感和機械特性，為3D打印的未來平臺奠定基礎,。3D體素相當于傳統(tǒng)打印中的2D像素,，是一種直徑僅為50微米的3D度量單位，相當于人一根頭發(fā)的寬度,。通過靈活使用打印材料,，可以創(chuàng)造具備傳導型、韌性,、內(nèi)嵌數(shù)據(jù)和半透明特性的3D打印物體,。

△由惠普3D打印樣品

關于惠普
惠普是全球生產(chǎn)工業(yè)級塑料和金屬3D打印的領先解決方案供應商，為包括寶馬集團（BMW）,、耐克（Nike）,、捷普（Jabil）、強生（Johnson & Johnson）以及其他全球領先企業(yè)的高效業(yè)務運營提供了技術支持, 他們都在使用惠普3D打印技術為汽車,、航空航天,、醫(yī)療保健、消費品和其他行業(yè)應用生產(chǎn)模型和零部件。此外,，惠普也在北美,、歐洲和亞太地區(qū)不斷拓展其數(shù)字化制造合作伙伴。  

惠普3D打印重要里程碑
2017年6月13日,，惠普在中國推出商用3D打印解決方案，加速制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級,。
2017年8月24日,，惠普和德勤宣布共同推動全球12萬億美元制造業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
2017年11月,，惠普推出全新Jet Fusion 3D 4210打印解決方案,，以更廣材料組合加速3D制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
2018年3月21日,，惠普3D打印解決方案攜手春立醫(yī)療,，首次進入中國手術導板制造領域。
2018年6月,，惠普聯(lián)合廣東（大瀝）3D打印協(xié)同創(chuàng)新平臺宣布亞太及日本地區(qū)最大規(guī)模工業(yè)級3D打印部署,。
2018年9月11日，惠普推出批量化生產(chǎn)金屬3D打印技術,，加速第四次工業(yè)革命到來,。

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3.  Flight™：高分子光纖激光燒結技術
廠商：華曙高科
使用機型：FLIGHT HT403P
速度：比HSS高速燒結工藝提高了3倍

華曙高科的Flight技術于2019年2月首次引入，這種增材制造工藝可以提高塑料激光燒結的生產(chǎn)效率,。 Flight™技術采用強大的光纖激光器取代普通激光燒結系統(tǒng)的CO₂激光器,。與普通CO₂激光器相比，光纖激光系統(tǒng)為粉末床提供了更高的激光功率,。光纖激光系統(tǒng)更強大更穩(wěn)定,，其使用壽命更長，能夠提升產(chǎn)業(yè)化應用客戶的投資回報率,。此外,，F(xiàn)light™技術提供了一個基于光纖光源新材料開發(fā)的全新3D打印材料開發(fā)平臺，更具操作靈活性,，為開發(fā)材料提供了更多可能性,。


Flight™技術采用強大的激光功率，更均勻的能量分布以及更小的激光光斑直徑,。激光到達粉末床表面時實現(xiàn)更高的能量密度,，從而能夠在極短時間內(nèi)完全燒結粉末。憑借超過20米/秒（66英尺/秒）的掃描速度,，F(xiàn)light™技術實現(xiàn)了超高的燒結速度,，將增材制造產(chǎn)能提升到一個新高度。

Flight ™技術采用了一套獨特的掃描算法、強大的全數(shù)字動態(tài)聚焦系統(tǒng)并具有完全開放參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)勢,。與普通激光燒結系統(tǒng)相比,，F(xiàn)light™技術能夠在加工表面實現(xiàn)更均勻的能量分布，具有更精細的光斑直徑,，同時確保整個燒結過程中良好的能量滲透,。與其它高分子粉末床技術相比，F(xiàn)light™技術生產(chǎn)的部件具有更佳的細節(jié),，最小可達0.3毫米（0.012英寸）薄壁極限,，同時具備與普通激光燒結部件相同的性能。

光纖激光器具有更高的功率密度,，因此粉末也可以在更短的時間內(nèi)被完全燒結,。華曙高科董事長許小曙博士表示：“借助Flight技術，我們極大地提高了高速激光燒結的能力,，以滿足大批量生產(chǎn)的需求,。” 其核心在于使用了500W的光纖激光器,，與CO₂激光器相比,，掃描速度更快可達20m/s；層厚在0.06~0.3mm可調(diào),；光斑更小達到普通SLS無法達到的細節(jié),；整體工件燒結能量更均勻，保證了整個工件機械性能的均一性,。

△Flight™技術與傳統(tǒng)SLS技術以及HSS技術生產(chǎn)效率對比

從圖中可以更直觀的感受到華曙Flight™技術的生產(chǎn)效率,，在相同的時間內(nèi)（一天），華曙Flight™的產(chǎn)能比傳統(tǒng)的SLS工藝提高了數(shù)倍,，比HSS高速燒結工藝提高了3倍,。

華曙現(xiàn)有的HT403P 3D打印機啟用了Flight功能，成型缸尺寸為400 x 400 x 540mm3 （高缸體配置）,。但是,，它使用500W的光纖激光器代替了100W的 CO2激光器，該激光器能夠迅速將黑色聚酰胺粉末轉(zhuǎn)變?yōu)樗芰狭慵�,，F(xiàn)light-HT403P能夠生產(chǎn)具有良好機械性能和高功能分辨率的塑料組件,，壁厚小且表面粗糙度低。

△使用Flight技術制作的3D打印零件

2019年10月初,，華曙歐洲分公司 (位于德國斯圖加特）在瑞士著名服務商Rapid Manufacturing AG公司順利完成Flight-HT403P設備的安裝調(diào)試和燒結測試,，Rapid Manufacturing已啟用該設備為意向客戶生產(chǎn)高質(zhì)量尼龍部件，并得到用戶的高度認可,；11月下旬開始的全球最大3D打印展會德國Formnext上,，繼今年2月華曙高科首次在TCT 亞洲推出Flight 技術后,，將首次在歐洲展示FLIGHT HT403P 設備。華曙Formnext 展位號：11.1-C68,。

關于華曙高科
湖南華曙高科技有限責任公司成立于2009年,，是一家工業(yè)級高分子激光燒結（PLS）和金屬激光熔融技術（MLS）的全產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)解決方案供應商。作為一家全球多元化公司,，華曙高科具有清晰的企業(yè)愿景和核心承諾——致力于“開源”平臺系統(tǒng)的創(chuàng)建,，這將使增材制造行業(yè)享有充分的創(chuàng)新維度，并擴大增材制造在全球市場的產(chǎn)業(yè)化應用,�,；�于多年深入的市場洞察和功能需求調(diào)研，華曙高科專注于滿足客戶更高的生產(chǎn)力水平,、更佳的細節(jié)功能,、更高的運行效率以及更靈活的操作需求,。

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4. LaserProFusion技術
廠商：EOS
速度：顛覆性的打印速度,，具體數(shù)值未知

2018年，EOS宣布引入“革命性的聚合物增材制造技術——LaserProFusion”,，EOS表示,，LaserProFusion技術是唯一能夠取代注塑成型的增材制造技術，LaserProFusion技術采用近百萬個二極管激光器來熔化材料并逐層制造零件,，而不是使用單個CO2激光來回覆蓋整個構建平臺傳統(tǒng)的SLS技術,，如標準激光燒結工藝，這種構建過程非常高效,，可以作為許多應用的注塑替代品,。

其實，SLS和LaserProFusion技術的區(qū)別,，就是光固化技術中的SLA和DLP技術的區(qū)別,，近百萬個二極管激光器，排成陣列激光,，瞬間一次性燒結粉末材料,，從而實現(xiàn)類似光固化中的DLP 3D打印技術。
SLA的打印過程是,，使用單束激光來回掃描照射固化樹脂材料,；而DLP是一次性照射整個截面。
SLS技術是使用單個CO2激光來回燒結材料,；而LaserProFusion技術是一次性燒結整個截面,。

△多個激光器同時照射

△打印作業(yè)的整個截面被同時燒結

LaserProFusion技術原理，可以讓燒結粉末3D打印速度大大提高,。如果再參考CLIP的技術思路,，來一個“連續(xù)粉層打印技術”,，讓高分子聚合物、金屬等粉末材料的3D打印速度提高10倍或者100倍,，將對全球工業(yè)產(chǎn)生更加顛覆性的影響,，所涉及的應用市場可能達上百萬億美元。

LaserProFusion技術可以節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)的時間并且進行無模具的生產(chǎn),，最多可將成本降低20%,。無需開模的增材制造技術使得用較少的零件承載豐富的技術功能成為可能。其優(yōu)勢是顯而易見的：由于包括功能部件在內(nèi)的所有所需部件都可一步制成,，省去了大部分的裝配工作,，可節(jié)省時間與資金。與此同時,，這項技術還能最大限度地降低供應鏈和生產(chǎn)的復雜程度,，從而提高產(chǎn)量。例如,，從已實現(xiàn)成本優(yōu)化的汽車產(chǎn)業(yè)工藝鏈來看,，使用增材制造技術可獲得最高50%的效率提升。

△LaserProFusion技術打印樣件

關于EOS：
EOS是金屬和高分子材料工業(yè)3D打印的全球技術領導者,。成立于1989年,，EOS為一家獨立運營的公司，以先驅(qū)和創(chuàng)新者的身份,，提供全面的增材制造解決方案,。EOS包含系統(tǒng)、材料和工藝參數(shù)在內(nèi)的解決方案組合幫助客戶在產(chǎn)品質(zhì)量上建立決定性的競爭優(yōu)勢,，實現(xiàn)可持續(xù)性生產(chǎn),，獲取長期經(jīng)濟效益。此外,，EOS客戶還能從EOS在全球服務,、應用工程和咨詢方面的深厚專業(yè)技術中獲益。

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5.  STEP：選擇性熱塑性電子照相工藝技術
廠商：Evolve
機型：原型機
速度：比普通SLS技術快50倍
Evolve Additive Solutions探究專有的選擇性熱塑性電子照相工藝（STEP）技術,，旨在通過比現(xiàn)有增材制造解決方案快50倍的可擴展解決方案,，從根本上改善制造，基于Stratasys的3D打印和增材制造專業(yè)知識,，Evolve的STEP技術有望與傳統(tǒng)工藝競爭,，例如注塑成型。 該解決方案適用于每年數(shù)十萬的大批量生產(chǎn),。

STEP基于大多數(shù)復印機和激光打印機背后的專有技術,，開發(fā)用于快速加工熱塑性材料，在X,，Y和Z中提供各向同性,，并與傳統(tǒng)方法的表面光潔度相媲美,。最近幾年，Evolve專注于STEP的商業(yè)化和工業(yè)應用,。

電子照相技術又稱靜電復印,，是大多數(shù)復印機和激光打印機采用的技術，本質(zhì)是利用靜電荷將圖像附著到基底（即紙張）上,。這種基底只是單一的2D薄層,，但如果將它們逐層堆疊，就能形成一個3D實體,。整個過程大致如下：

①將基底設置為能夠接受3D對象潛在電荷圖像的狀態(tài),，從而將帶點的材料顆粒吸引到圖像的充電或放電區(qū)域，“打印”出對象的各個層,。這些顆粒會在熱和壓力作用下融化,，進而結合到一起。

②通過轉(zhuǎn)印帶將這些層逐個添加到基底上,，直至創(chuàng)建出整個3D實體,。值得一提的是，轉(zhuǎn)印帶是這項技術便利性的關鍵,，因為它它可以一次保存多個物體,。另外,，它的上面會發(fā)生一種半固化反應,，降低材料的含水量并產(chǎn)生殘余應力。

高度可擴展的STEP解決方案專為自動化制造和工廠級集成而制成,，將經(jīng)過時間考驗的2D成像技術與Evolve的專利相結合,，精確創(chuàng)建具有各向同性特性的完全致密的部件。

關于Evolve
Evolve是一家在Stratasys研發(fā)實驗室起步的原始設備制造商,，于2017年正式從該公司分離出來,，開發(fā)了STEP技術。這是一款全新的高速塑料3D打印工藝,，據(jù)說比最快的AM塑料技術快50倍,。

2018年9月，該公司獲得1900萬美元投資,，幫助該公司實現(xiàn)STEP 3D打印機的試用階段,。繼此之后，11月,，與柯達（Kodak）合作開發(fā)Evolve的3D打印技術,，用于2020年的商業(yè)發(fā)行。目前,，STEP仍處于開發(fā)階段,，預計到2020年底將推向市場,。

技術競爭