新思路：從化學(xué)上大幅提升3D打印物理性能,，雙組分聚氨酯材料Chromatic 3D

整理《2020年全球3D打印企業(yè)融資事件匯總》的時候,，南極熊發(fā)現(xiàn)一些新興公司,，他們很小,，但潛力巨大,。這不僅是擁有一個好主意就了事,，不僅僅是找到制造的痛點(diǎn),，更重要的是，是擁有解決這些難題的專業(yè)知識,。Chromatic 3D材料與熱固性塑料（尤其是聚氨酯）的FDM擠出加工是一個很好的例子,。成為3D打印常用的材料，并且容易操作,、經(jīng)濟(jì)高效,，那么它就會誕生巨大的市場機(jī)會。C3DM公司,，就是可以適配全球眾多FDM 3D打印機(jī)制造商的設(shè)備,。據(jù)南極熊統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年全球FDM 3D打印機(jī)將出貨數(shù)百萬臺,，玩家用戶遍布全球,。

C3DM的解決方案是基于材料和軟件的，并且與硬件無關(guān),。Chromatic 3D的FlexTune™3D打印聚氨酯,，屬于橡膠彈性體，可提供高性能和高柔韌性,，從汽車到消費(fèi)品,，幾乎都可以適用。其CEO Cora Leibig在材料行業(yè)工作了20年,于2016年創(chuàng)立了公司,。其中在陶氏化學(xué)公司,，她從事企業(yè)研發(fā)和特殊聚氨酯的研發(fā)工作，有十年之久,。

“要在材料領(lǐng)域推出一項(xiàng)新技術(shù),，您必須證明它具有巨大的應(yīng)用潛力，” Leibig博士解釋道,，“其原因在于供應(yīng)鏈很深,。在獲得最終產(chǎn)品之前，你必須完成許多步驟,，解決大量問題,。”

這就是為什么最初她被3D打印所吸引的原因,�,！白屛腋信d趣的是，”她解釋道，“你正在將材料帶到與最終用戶更近的地方,，改變了交付的創(chuàng)新動力,，縮短了應(yīng)用鏈條。我認(rèn)為將會有從未見過的,、功能更高的創(chuàng)新材料,，會出現(xiàn)在3D打印領(lǐng)域�,！�

熱固性塑料3D打印之路

仔細(xì)研究了可用于3D打印的材料之后,，Cora Leibig注意到，目前有些熱固性塑料很難打印,，包括聚氨酯,、有機(jī)硅、環(huán)氧樹脂,。

這是由于熱固性材料的固有特性,，這些特性非常有用，但3D打印起來也非常困難,。雖有困難卻不意味著不可能,，需要加以研究。對于任何熱固性應(yīng)用或工藝而言,，3D打印聚氨酯的最大挑戰(zhàn)在于,，需要從化學(xué)角度來解決問題，而不只是去解決3D打印機(jī)的設(shè)備力學(xué)設(shè)計(jì),。


在熱塑性長絲FDM 3D打印機(jī)中,，您必須調(diào)整打印頭和床的溫度。在熱固性塑料中,，您必須調(diào)整化學(xué)性質(zhì),，有點(diǎn)復(fù)雜。在Chromatic 3D Materials中,，他們修改了各個方面,，例如擠出材料的反應(yīng)密度，或混合機(jī)制,�,！�

FlexTune™系列聚氨酯橡膠彈性體的邵氏硬度是A40-90。這些材料已經(jīng)在要求耐用性的非3D打印應(yīng)用中使用了數(shù)十年,。它們可以一遍又一遍地彎曲,、拉伸、扭曲,、擠壓,。包括鞋的鞋跟和外底,，輪滑刀片輪和液壓密封墊中的墊片。Chromatic 3D 的團(tuán)隊(duì)找到了一種使用這些高性能聚氨酯彈性體進(jìn)行3D打印的方法,，而又不會犧牲其強(qiáng)度和耐用性,。

化學(xué)與機(jī)械的配合

Chromatic改進(jìn)的3D打印，可描述為噴墨技術(shù)和擠出技術(shù)的交叉結(jié)合,。在打印過程中,，兩種液體成分在打印頭中混合,�,；旌蟿幼饔|發(fā)化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)液體離開打印頭并沉積在打印零件上時,，材料變成部分聚合的凝膠,。它在幾分鐘內(nèi)固化成穩(wěn)定的粘性材料。整個過程在室溫下進(jìn)行,。

△視頻：聚氨酯材料3D打印材料

換句話說,，在熱塑性擠出中，材料會熔化并重整,，而實(shí)際上在擠出過程中會“產(chǎn)生”熱固性材料,。這樣會在整個零件中產(chǎn)生牢固的化學(xué)鍵，并具有更各向同性的特性,�,！皬谋举|(zhì)上講，這就像由分子一個一個結(jié)合起來的,，” Leibig解釋道,，“另一個優(yōu)勢是我們設(shè)計(jì)的方式：從噴嘴出來的材料的粘度比普通絲材低約一萬倍，這意味著打印速度可以大大提高,�,！�

化學(xué)比機(jī)械更具挑戰(zhàn)，但這并不意味著不可克服,。優(yōu)點(diǎn)是,，可以使用人們50多年來一直用于熱固性化學(xué)的所有工具，并將其應(yīng)用于3D打印,。Leibig認(rèn)為,，沒有取得太大進(jìn)展的主要原因是，目前只有少數(shù)人在研究熱固性3D打印,。

這其中最有名的美國Carbon,，基于立體光刻技術(shù)的數(shù)字光合成技術(shù)，使用熱固性材料和光敏聚合物的混合物來觸發(fā)光固化過程,。Chromatics的基于FDM擠壓的工藝可提供更多的多功能性,。使用混合來觸發(fā)反應(yīng),，使我們可以采用非常靈活的方式，加入添加劑,，例如著色劑,。

彩色擠出系統(tǒng)可以安裝在任何FDM 3D打印機(jī)上，并用熱固性換熱頭更換熱敏打印頭,。Chromatic 3D團(tuán)隊(duì)使用標(biāo)準(zhǔn)的大幅面Juggerbot 3D打印機(jī),，并提供資料以及必要的軟件。對于許多硬件制造商而言,，Chromatic 3D材料系統(tǒng)可以幫助擴(kuò)大市場機(jī)會,。  


應(yīng)用的落腳點(diǎn)

利用這種多功能性，Chromatic專注于工業(yè)設(shè)備的密封件和墊片等應(yīng)用,，其零件的供應(yīng)鏈成本極高,。由于物流相關(guān)的成本，僅需要幾美分材料的零件最終可能要花費(fèi)數(shù)十美元,。

“當(dāng)我們查看密封件和墊圈的供應(yīng)鏈時,，有很多專門的設(shè)備，全年可能只需要不到五百個零件,。都是定制的,，從經(jīng)濟(jì)成本角度上無法去注塑生產(chǎn)，” Leibig博士解釋說,，“因此,，與這類備件相關(guān)的物流成本高達(dá)零件成本的90％，消耗在倉儲和分銷上面,。幾百個的量級,，注塑廠商不愿接單�,！�

如果材料足夠好,，那么這些零件將非常適合3D打印來制造。無論是公共汽車,、火車,、拖拉機(jī)、老爺車還是工廠的機(jī)械,、小型車隊(duì),，3D打印的這類零件取得很好的應(yīng)用。


由于FlexTune™材料在3D打印過程中會固化,，并且不需要加熱即可避免變形,，因此零件高度可以達(dá)到20厘米以上。主要限制是一旦有缺陷,，就會積累和放大,，因此Chromatic開發(fā)了一種AI技術(shù)來補(bǔ)償出現(xiàn)的任何缺陷,，他們大約50％的研發(fā)時間都花在專用軟件開發(fā)上。

在速度方面,，F(xiàn)lexTune™材料的打印速度比熱塑性FDM工藝快約五倍,。打印零件是100％致密的，滿足密封零件的壓力要求,。

厲害的是,，這個技術(shù)可在其他零件上進(jìn)行打印。例如五軸機(jī)器人在金屬零件上進(jìn)行3D打印,。對于需要集成緩沖或密封的金屬零件,，有著大量的市場機(jī)會。