新思路：从化学上大幅提升3D打印物理性能，双组分聚氨酯材料Chromatic 3D

整理《2020年全球3D打印企业融资事件汇总》的时候，南极熊发现一些新兴公司，他们很小，但潜力巨大。这不仅是拥有一个好主意就了事，不仅仅是找到制造的痛点，更重要的是，是拥有解决这些难题的专业知识。Chromatic 3D材料与热固性塑料（尤其是聚氨酯）的FDM挤出加工是一个很好的例子。成为3D打印常用的材料，并且容易操作、经济高效，那么它就会诞生巨大的市场机会。C3DM公司，就是可以适配全球众多FDM 3D打印机制造商的设备。据南极熊统计数据，2020年全球FDM 3D打印机将出货数百万台，玩家用户遍布全球。

C3DM的解决方案是基于材料和软件的，并且与硬件无关。Chromatic 3D的FlexTune™3D打印聚氨酯，属于橡胶弹性体，可提供高性能和高柔韧性，从汽车到消费品，几乎都可以适用。其CEO Cora Leibig在材料行业工作了20年,于2016年创立了公司。其中在陶氏化学公司，她从事企业研发和特殊聚氨酯的研发工作，有十年之久。

“要在材料领域推出一项新技术，您必须证明它具有巨大的应用潜力，” Leibig博士解释道，“其原因在于供应链很深。在获得最终产品之前，你必须完成许多步骤，解决大量问题。”

这就是为什么最初她被3D打印所吸引的原因。“让我感兴趣的是，”她解释道，“你正在将材料带到与最终用户更近的地方，改变了交付的创新动力，缩短了应用链条。我认为将会有从未见过的、功能更高的创新材料，会出现在3D打印领域。”

热固性塑料3D打印之路

仔细研究了可用于3D打印的材料之后，Cora Leibig注意到，目前有些热固性塑料很难打印，包括聚氨酯、有机硅、环氧树脂。

这是由于热固性材料的固有特性，这些特性非常有用，但3D打印起来也非常困难。虽有困难却不意味着不可能，需要加以研究。对于任何热固性应用或工艺而言，3D打印聚氨酯的最大挑战在于，需要从化学角度来解决问题，而不只是去解决3D打印机的设备力学设计。


在热塑性长丝FDM 3D打印机中，您必须调整打印头和床的温度。在热固性塑料中，您必须调整化学性质，有点复杂。在Chromatic 3D Materials中，他们修改了各个方面，例如挤出材料的反应密度，或混合机制。”

FlexTune™系列聚氨酯橡胶弹性体的邵氏硬度是A40-90。这些材料已经在要求耐用性的非3D打印应用中使用了数十年。它们可以一遍又一遍地弯曲、拉伸、扭曲、挤压。包括鞋的鞋跟和外底，轮滑刀片轮和液压密封垫中的垫片。Chromatic 3D 的团队找到了一种使用这些高性能聚氨酯弹性体进行3D打印的方法，而又不会牺牲其强度和耐用性。

化学与机械的配合

Chromatic改进的3D打印，可描述为喷墨技术和挤出技术的交叉结合。在打印过程中，两种液体成分在打印头中混合。混合动作触发化学反应。当液体离开打印头并沉积在打印零件上时，材料变成部分聚合的凝胶。它在几分钟内固化成稳定的粘性材料。整个过程在室温下进行。

△视频：聚氨酯材料3D打印材料

换句话说，在热塑性挤出中，材料会熔化并重整，而实际上在挤出过程中会“产生”热固性材料。这样会在整个零件中产生牢固的化学键，并具有更各向同性的特性。“从本质上讲，这就像由分子一个一个结合起来的，” Leibig解释道，“另一个优势是我们设计的方式：从喷嘴出来的材料的粘度比普通丝材低约一万倍，这意味着打印速度可以大大提高。”

化学比机械更具挑战，但这并不意味着不可克服。优点是，可以使用人们50多年来一直用于热固性化学的所有工具，并将其应用于3D打印。Leibig认为，没有取得太大进展的主要原因是，目前只有少数人在研究热固性3D打印。

这其中最有名的美国Carbon，基于立体光刻技术的数字光合成技术，使用热固性材料和光敏聚合物的混合物来触发光固化过程。Chromatics的基于FDM挤压的工艺可提供更多的多功能性。使用混合来触发反应，使我们可以采用非常灵活的方式，加入添加剂，例如着色剂。

彩色挤出系统可以安装在任何FDM 3D打印机上，并用热固性换热头更换热敏打印头。Chromatic 3D团队使用标准的大幅面Juggerbot 3D打印机，并提供资料以及必要的软件。对于许多硬件制造商而言，Chromatic 3D材料系统可以帮助扩大市场机会。  


应用的落脚点

利用这种多功能性，Chromatic专注于工业设备的密封件和垫片等应用，其零件的供应链成本极高。由于物流相关的成本，仅需要几美分材料的零件最终可能要花费数十美元。

“当我们查看密封件和垫圈的供应链时，有很多专门的设备，全年可能只需要不到五百个零件。都是定制的，从经济成本角度上无法去注塑生产，” Leibig博士解释说，“因此，与这类备件相关的物流成本高达零件成本的90％，消耗在仓储和分销上面。几百个的量级，注塑厂商不愿接单。”

如果材料足够好，那么这些零件将非常适合3D打印来制造。无论是公共汽车、火车、拖拉机、老爷车还是工厂的机械、小型车队，3D打印的这类零件取得很好的应用。


由于FlexTune™材料在3D打印过程中会固化，并且不需要加热即可避免变形，因此零件高度可以达到20厘米以上。主要限制是一旦有缺陷，就会积累和放大，因此Chromatic开发了一种AI技术来补偿出现的任何缺陷，他们大约50％的研发时间都花在专用软件开发上。

在速度方面，FlexTune™材料的打印速度比热塑性FDM工艺快约五倍。打印零件是100％致密的，满足密封零件的压力要求。

厉害的是，这个技术可在其他零件上进行打印。例如五轴机器人在金属零件上进行3D打印。对于需要集成缓冲或密封的金属零件，有着大量的市场机会。