干货满满 | 3D打印中的先进材料及在汽车产品生命周期中的应用

3D打印快讯
2020
03/25
09:51
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来源: 威控睿博

近日,Polymaker携手科思创,以《3D打印中的先进材料及在汽车产品生命周期中的应用》为主题,举办了一期在线研讨会,以期为汽车行业提供完整的3D打印材料解决方案,解决车企痛点。
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观看视频,查看研讨会整场回顾


以下为本次 研讨会的内容整理提炼
第一部分:3D打印技术及行业发展概述
第二部分:3D打印在汽车产品生命周期中的应用和价值分析
第三部分:适用于3D打印的设计方式

第一部分:3D打印技术及行业发展概述
1. 3D打印技术概述
美国材料与试验协会(ASTM)将3D打印技术分为7个大类:
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小结:3D打印技术基本已经解决了多种材料在不同尺度下加工的可行性问题!这个也就是为什么之前几年3D打印技术逐渐开始普及的原因,它解决了基本的可行性问题。
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2. 3D打印行业发展概述
从规模来看:3D打印是一个快速发展中的细分市场。
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从应用来看:在原型制造应用的渗透率已经很高,在模具和工装夹具应用的渗透率大幅降低,在直接应用于最终产品的渗透率更低。从短期来说,希望更多地渗透进模具和工装夹具的应用之中;从长期来看,希望可以成为制造最终产品的主流工具。

3. 使用3D打印技术时面对的主要痛点

(1)有限的材料选择:从大类来看,可选材料已经覆盖相当全面;从细分角度来看,选择依然有限,比如需要耐候性材料,阻燃材料,耐磨材料或是耐低温材料等等。这也是Polymaker重点的发展方向。

(2)3D打印件在性能上的不确定性:批次的稳定性和表面质量.

(3)高成本:如果综合考虑小批量定制化,时间成本的节省以及供应链的稳定性,更换视角来看待,可以抵消掉高成本的担忧顾虑。

(4)缺乏相关的技术和管理人员:新技术普及过程中难以避免的问题,可以采用提供整体解决方案的办法。

4. 科思创在汽车行业中已有深厚的积累,为解决汽车行业“有限的材料选择”的痛点,Polymaker与科思创合作,将其先进的技术与材料引入到3D打印之中,到目前为止已经推出:

(1)市场上第一款适用于桌面式3D打印机的聚碳酸酯(PC) 材料:PolyMax™ PC
(2)高强度高硬度热塑性聚氨酯(TPU)材料:PolyFlex™ TPU95
(3) 阻燃性聚碳酸酯(PC) 材料:PolyMax™ PC-FR
(4)PC-ABS合金:Polymaker™ PC-ABS
(5)PC-PBT合金:Polymaker™ PC-PBT

未来会继续开发特种材料,以及共同进行3D打印在各行各业的应用开发

第二部分:3D打印在汽车产品生命周期中的应用和价值分析


1. 3D打印在汽车生命周期中的应用
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2. 3D打印中的 “价值金字塔”
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3. 案例研究
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第三部分:适用于3D打印的设计方式
如果把针对传统工艺的设计直接拿来进行3D打印,很有可能“吃力不讨好”。只有充分利用3D打印设计上的特点,才能最大程度地发挥出3D打印的价值。

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小结:如果未来3D打印想直接应用于产品的生产,设计方面的变革和突破非常重要。如果设计没有变革和突破的话,3D打印恐怕永远都无法很好地应用到产品的生产中去的。

第四部分:【在线研讨会】现场问答环节

Q1:请介绍下柔性和橡胶类3D打印材料

我们可以将其统称为弹性体。这类弹性体目前可以分类两类:一类是热塑性的,一类是热固性的。例如轮胎,是热固性的。热固性的材料因为有后固化的处理工艺,所以实现热固性材料的3D打印是比较难的。但热塑性材料的3D打印一般都没有太大的问题,例如TPU,尼龙基的弹性体,TPE等都可以进行3D打印。

可以举一个应用案例。例如Nike,Adidas,Under Armour和国内品牌匹克等都将3D打印应用在鞋类,有些做鞋底,有些做鞋面,用的都是柔性材料和弹性体的3D打印。

Q2:Polymaker的材料适用于哪种技术?

我们目前专注于熔融挤出式的3D打印。

我们认为这个类型的3D打印在未来是有希望应用于大规模量产的,因为材料的适用性比较广泛。如果一个技术要应用于最终的量产,最大的制约之一一定是材料的性能,如果材料不行的话,一定无法应用到实际的场景之中。以此逻辑倒推,我们看哪种3D打印技术可用材料的适用性更广,我们就从这个技术入手,开拓其应用到最终量产的可能性。


Q3:可应用于金属铸造的PolyCast材料,其抛光过程是不是化学反应?

不是化学反应,是物理过程。

我们使用Polysher抛光机对其进行抛光。Polysher使酒精雾化成小液滴,使其均匀覆盖在打印件表面,并对打印件表面进行轻微的溶解,从而得到一个光滑的表面。

Q4:请介绍下金属3D打印和3D打印模具的应用情况。

我不是专业做金属3D打印的。我可以分享一些我了解的东西,但可能会有些不专业的地方。以目前的了解,在汽车行业,金属3D打印的应用比较靠近终端。比如,布加迪使用金属3D打印直接制造卡钳,宝马i8敞篷的支架是用金属3D打印制造的。这两个都是使用了粉末烧结(熔融)的技术。金属3D打印在力学性能上满足要求问题不大,但成本相对较高。

金属3D打印还有一个很大的应用是针对模具的。使用金属3D打印去制造带有随形水路冷却模具的案例已经比较多了。为了平衡成本,往往不会打印整个模具,而是对于模具上一些特别的部分使用镶嵌件的方式完成。

Q5:请介绍下纤维增强材料在3D打印中的应用情况

纤维增强材料主要分为如下几类。连续纤维增强,像生活中常见的使用碳纤维布和玻璃纤维布增强的产品,如羽毛球杆,高尔夫球杆和鱼竿。还有长纤维增强和短纤维增强。

目前3D打印不能实现连续纤维布的形式。这种是用热固性的树脂加连续纤维布去成型的。这种方式可以结合之前分享与酷鹰机器人开发的复合材料模具的案例共同使用,但无法直接3D打印。

现在3D打印能做到的有两类。一类是连续单根纤维增强的,比较有代表性的品牌是Markforged。这个打印机有2个喷头,一个喷头负责挤出连续的碳纤维丝,另一个喷头挤出树脂材料。打印一层碳纤维丝,再打印一层树脂,将碳丝夹在两层树脂之间。这个办法能使某一个方向上的刚性大幅度增强。

另一类是将纤维作为3D打印材料增强的填料。像我们已有的PolyMide PA6-CF和PolyMide PA6-GF,碳纤维和玻璃纤维增强的尼龙6材料。为了避免堵头,纤维不能太长,一般控制在0.1mm。

Q6:3D打印件的强度和注塑件相比如何?

我先从正面回答这个问题,再分享些在实际情况中,我们使用3D打印替代注塑件时候的办法。

3D打印件的强度和注塑件相比,总的来说是弱的,主要有2个原因。第一是因为注塑时,模具的保压功能使注塑件不太会出现微小的瑕疵。这对力学性能,尤其是抗冲击强度很有帮助。第二个是因为3D打印件的最终性能其实是个各向异性的。因为3D打印层层叠加,层与层之间的结合力就成为力学性能的薄弱点。

在实际情况中,我们会和客户沟通,从性能的角度出发。比如车上有个注塑件是使用ABS或是ASA材料的。我们有3D打印ABS和ASA材料的TDS(Technical Data Sheet技术参数表),在参照之后发现力学性能较弱。那我们就用另一种材料去做,比如用PC(聚碳酸酯),用高一级别的材料去做这个应用。

我们会去匹配客户的性能需求,然后选择能够满足其需求的材料,而不是直接选择注塑件相同的材料。这是我们实际操作中常用的解决办法。


Q7:请介绍下3D打印材料的环保性。

目前熔融沉积式3D打印应用最多的材料叫PLA,即聚乳酸。人体运动后,肌肉的酸痛感来自于乳酸,乳酸聚集后形成的高分子就是聚乳酸。这个材料的原材料主要是玉米。这个材料使用完,可以在土壤里降解。这个主流材料确实是比较环保的。

其他一些功能性塑料如PC和尼龙,这和传统行业中使用的基材是类似的。这类材料的环保性主要是如何进行回收。一是如何回收废旧塑料,一是如何提高产品中回收料的比例,而又不降低其使用性能。从技术方面去解决环保性的问题。


Q8:3D打印是更加依赖设备,还是材料?

虽然我们是做材料的公司,但3D打印是一个技术。技术就包含了材料,设备和设计。这三点整体形成一个工艺,三点是无法独立的。如之前介绍,每种技术都有其自身的材料适配性以及在设计上的一些限制。所以与其去讲到底是材料重要还是设备重要,更多要考虑的是如何综合的发挥3D打印技术的能力,去解决实际的问题。我在开发应用和客户推荐材料的时候,我们都会以提供包括材料,设备和设计的整体解决方案的方式来解决问题。

Q9:请介绍下3D打印复合材料模具

这个技术最早来自于美国的橡树岭实验室。他们认为传统的工艺制造塑料件相对而言都是小尺寸的。现在想找一个工艺去做大尺寸的塑料件。传统注塑件需要模具,假如我们需要一个5米的注塑件,模具要比5米还大,注塑机就更大了。随着尺寸变大,成本也会变成天文数字了。我们这个技术做大尺寸件是一个很合适的方式。

我们目前能做中尺寸的件可以达到3-5米,大尺寸的件可以达到十几米。传统的方式做复合材料模具,尤其是大的复合材料模具如风电叶片,其实是一个很强的手工活,一般都是玻璃钢模具。制造过程中会牵扯到许多的人力和手工,制造周期一般以几周为单位。使用我们这个工艺,可以数字化制造,制造周期可以缩短到以天为单位。

这个应用还有一个特点。以往3D打印为人诟病的一点是速度慢,打印一个件需要几十个小时甚至是几天。但在大尺寸的3D打印中,可以做得非常快。之前介绍的赛车鼻头的模具,我们只用了几个小时就完成打印了。

从工艺和设备的角度来看,这个应用技术的第一个难点是把挤出头尺寸缩小的同时,提升其挤出流量。第二个难点是打印时挤出头运动轨迹的规划,这是和小尺寸3D打印完全不同的。

从材料的角度看,第一个难点是材料都会有热胀冷缩,因而在打印大尺寸件时,对于尺寸稳定性的要求很高。第二个难点是一般较为高端的复合材料成型都是在热压罐中完成,如何在高温和高压的情况下,保证材料的热变形与我们复合材料模具的热变形是同步的是另一个难点。

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(3月23-25日)
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