干貨滿滿 | 3D打印中的先進(jìn)材料及在汽車產(chǎn)品生命周期中的應(yīng)用

來(lái)源： 威控睿博

近日，Polymaker攜手科思創(chuàng)，以《3D打印中的先進(jìn)材料及在汽車產(chǎn)品生命周期中的應(yīng)用》為主題，舉辦了一期在線研討會(huì)，以期為汽車行業(yè)提供完整的3D打印材料解決方案，解決車企痛點(diǎn)。

觀看視頻，查看研討會(huì)整場(chǎng)回顧

以下為本次 研討會(huì)的內(nèi)容整理提煉
第一部分：3D打印技術(shù)及行業(yè)發(fā)展概述
第二部分：3D打印在汽車產(chǎn)品生命周期中的應(yīng)用和價(jià)值分析
第三部分：適用于3D打印的設(shè)計(jì)方式

第一部分：3D打印技術(shù)及行業(yè)發(fā)展概述
1. 3D打印技術(shù)概述
美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)將3D打印技術(shù)分為7個(gè)大類：

小結(jié)：3D打印技術(shù)基本已經(jīng)解決了多種材料在不同尺度下加工的可行性問(wèn)題！這個(gè)也就是為什么之前幾年3D打印技術(shù)逐漸開(kāi)始普及的原因，它解決了基本的可行性問(wèn)題。

2. 3D打印行業(yè)發(fā)展概述
從規(guī)模來(lái)看：3D打印是一個(gè)快速發(fā)展中的細(xì)分市場(chǎng)。

從應(yīng)用來(lái)看：在原型制造應(yīng)用的滲透率已經(jīng)很高，在模具和工裝夾具應(yīng)用的滲透率大幅降低，在直接應(yīng)用于最終產(chǎn)品的滲透率更低。從短期來(lái)說(shuō)，希望更多地滲透進(jìn)模具和工裝夾具的應(yīng)用之中；從長(zhǎng)期來(lái)看，希望可以成為制造最終產(chǎn)品的主流工具。

3. 使用3D打印技術(shù)時(shí)面對(duì)的主要痛點(diǎn)

（1）有限的材料選擇：從大類來(lái)看，可選材料已經(jīng)覆蓋相當(dāng)全面；從細(xì)分角度來(lái)看，選擇依然有限，比如需要耐候性材料，阻燃材料，耐磨材料或是耐低溫材料等等。這也是Polymaker重點(diǎn)的發(fā)展方向。

（2）3D打印件在性能上的不確定性：批次的穩(wěn)定性和表面質(zhì)量.

（3）高成本：如果綜合考慮小批量定制化，時(shí)間成本的節(jié)省以及供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性，更換視角來(lái)看待，可以抵消掉高成本的擔(dān)憂顧慮。

（4）缺乏相關(guān)的技術(shù)和管理人員：新技術(shù)普及過(guò)程中難以避免的問(wèn)題，可以采用提供整體解決方案的辦法。

4. 科思創(chuàng)在汽車行業(yè)中已有深厚的積累，為解決汽車行業(yè)“有限的材料選擇”的痛點(diǎn)，Polymaker與科思創(chuàng)合作，將其先進(jìn)的技術(shù)與材料引入到3D打印之中，到目前為止已經(jīng)推出：

（1）市場(chǎng)上第一款適用于桌面式3D打印機(jī)的聚碳酸酯(PC) 材料：PolyMax™ PC
（2）高強(qiáng)度高硬度熱塑性聚氨酯（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

未來(lái)會(huì)繼續(xù)開(kāi)發(fā)特種材料，以及共同進(jìn)行3D打印在各行各業(yè)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)

第二部分：3D打印在汽車產(chǎn)品生命周期中的應(yīng)用和價(jià)值分析


1. 3D打印在汽車生命周期中的應(yīng)用

2. 3D打印中的 “價(jià)值金字塔”

3. 案例研究

第三部分：適用于3D打印的設(shè)計(jì)方式
如果把針對(duì)傳統(tǒng)工藝的設(shè)計(jì)直接拿來(lái)進(jìn)行3D打印，很有可能“吃力不討好”。只有充分利用3D打印設(shè)計(jì)上的特點(diǎn)，才能最大程度地發(fā)揮出3D打印的價(jià)值。

小結(jié)：如果未來(lái)3D打印想直接應(yīng)用于產(chǎn)品的生產(chǎn)，設(shè)計(jì)方面的變革和突破非常重要。如果設(shè)計(jì)沒(méi)有變革和突破的話，3D打印恐怕永遠(yuǎn)都無(wú)法很好地應(yīng)用到產(chǎn)品的生產(chǎn)中去的。

第四部分：【在線研討會(huì)】現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)答環(huán)節(jié)

Q1：請(qǐng)介紹下柔性和橡膠類3D打印材料

我們可以將其統(tǒng)稱為彈性體。這類彈性體目前可以分類兩類：一類是熱塑性的，一類是熱固性的。例如輪胎，是熱固性的。熱固性的材料因?yàn)橛泻蠊袒�的處理工藝，所以�?shí)現(xiàn)熱固性材料的3D打印是比較難的。但熱塑性材料的3D打印一般都沒(méi)有太大的問(wèn)題，例如TPU，尼龍基的彈性體，TPE等都可以進(jìn)行3D打印。

可以舉一個(gè)應(yīng)用案例。例如Nike，Adidas，Under Armour和國(guó)內(nèi)品牌匹克等都將3D打印應(yīng)用在鞋類，有些做鞋底，有些做鞋面，用的都是柔性材料和彈性體的3D打印。

Q2：Polymaker的材料適用于哪種技術(shù)？

我們目前專注于熔融擠出式的3D打印。

我們認(rèn)為這個(gè)類型的3D打印在未來(lái)是有希望應(yīng)用于大規(guī)模量產(chǎn)的，因?yàn)椴牧系倪m用性比較廣泛。如果一個(gè)技術(shù)要應(yīng)用于最終的量產(chǎn)，最大的制約之一一定是材料的性能，如果材料不行的話，一定無(wú)法應(yīng)用到實(shí)際的場(chǎng)景之中。以此邏輯倒推，我們看哪種3D打印技術(shù)可用材料的適用性更廣，我們就從這個(gè)技術(shù)入手，開(kāi)拓其應(yīng)用到最終量產(chǎn)的可能性。


Q3：可應(yīng)用于金屬鑄造的PolyCast材料，其拋光過(guò)程是不是化學(xué)反應(yīng)？

不是化學(xué)反應(yīng)，是物理過(guò)程。

我們使用Polysher拋光機(jī)對(duì)其進(jìn)行拋光。Polysher使酒精霧化成小液滴，使其均勻覆蓋在打印件表面，并對(duì)打印件表面進(jìn)行輕微的溶解，從而得到一個(gè)光滑的表面。

Q4：請(qǐng)介紹下金屬3D打印和3D打印模具的應(yīng)用情況。

我不是專業(yè)做金屬3D打印的。我可以分享一些我了解的東西，但可能會(huì)有些不專業(yè)的地方。以目前的了解，在汽車行業(yè)，金屬3D打印的應(yīng)用比較靠近終端。比如，布加迪使用金屬3D打印直接制造卡鉗，寶馬i8敞篷的支架是用金屬3D打印制造的。這兩個(gè)都是使用了粉末燒結(jié)（熔融）的技術(shù)。金屬3D打印在力學(xué)性能上滿足要求問(wèn)題不大，但成本相對(duì)較高。

金屬3D打印還有一個(gè)很大的應(yīng)用是針對(duì)模具的。使用金屬3D打印去制造帶有隨形水路冷卻模具的案例已經(jīng)比較多了。為了平衡成本，往往不會(huì)打印整個(gè)模具，而是對(duì)于模具上一些特別的部分使用鑲嵌件的方式完成。

Q5：請(qǐng)介紹下纖維增強(qiáng)材料在3D打印中的應(yīng)用情況。

纖維增強(qiáng)材料主要分為如下幾類。連續(xù)纖維增強(qiáng)，像生活中常見(jiàn)的使用碳纖維布和玻璃纖維布增強(qiáng)的產(chǎn)品，如羽毛球桿，高爾夫球桿和魚(yú)竿。還有長(zhǎng)纖維增強(qiáng)和短纖維增強(qiáng)。

目前3D打印不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維布的形式。這種是用熱固性的樹(shù)脂加連續(xù)纖維布去成型的。這種方式可以結(jié)合之前分享與酷鷹機(jī)器人開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料模具的案例共同使用，但無(wú)法直接3D打印。

現(xiàn)在3D打印能做到的有兩類。一類是連續(xù)單根纖維增強(qiáng)的，比較有代表性的品牌是Markforged。這個(gè)打印機(jī)有2個(gè)噴頭，一個(gè)噴頭負(fù)責(zé)擠出連續(xù)的碳纖維絲，另一個(gè)噴頭擠出樹(shù)脂材料。打印一層碳纖維絲，再打印一層樹(shù)脂，將碳絲夾在兩層樹(shù)脂之間。這個(gè)辦法能使某一個(gè)方向上的剛性大幅度增強(qiáng)。

另一類是將纖維作為3D打印材料增強(qiáng)的填料。像我們已有的PolyMide PA6-CF和PolyMide PA6-GF，碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)的尼龍6材料。為了避免堵頭，纖維不能太長(zhǎng)，一般控制在0.1mm。

Q6：3D打印件的強(qiáng)度和注塑件相比如何？

我先從正面回答這個(gè)問(wèn)題，再分享些在實(shí)際情況中，我們使用3D打印替代注塑件時(shí)候的辦法。

3D打印件的強(qiáng)度和注塑件相比，總的來(lái)說(shuō)是弱的，主要有2個(gè)原因。第一是因?yàn)樽⑺軙r(shí)，模具的保壓功能使注塑件不太會(huì)出現(xiàn)微小的瑕疵。這對(duì)力學(xué)性能，尤其是抗沖擊強(qiáng)度很有幫助。第二個(gè)是因?yàn)?D打印件的最終性能其實(shí)是個(gè)各向異性的。因?yàn)?D打印層層疊加，層與層之間的結(jié)合力就成為力學(xué)性能的薄弱點(diǎn)。

在實(shí)際情況中，我們會(huì)和客戶溝通，從性能的角度出發(fā)。比如車上有個(gè)注塑件是使用ABS或是ASA材料的。我們有3D打印ABS和ASA材料的TDS（Technical Data Sheet技術(shù)參數(shù)表），在參照之后發(fā)現(xiàn)力學(xué)性能較弱。那我們就用另一種材料去做，比如用PC（聚碳酸酯），用高一級(jí)別的材料去做這個(gè)應(yīng)用。

我們會(huì)去匹配客戶的性能需求，然后選擇能夠滿足其需求的材料，而不是直接選擇注塑件相同的材料。這是我們實(shí)際操作中常用的解決辦法。


Q7：請(qǐng)介紹下3D打印材料的環(huán)保性。

目前熔融沉積式3D打印應(yīng)用最多的材料叫PLA，即聚乳酸。人體運(yùn)動(dòng)后，肌肉的酸痛感來(lái)自于乳酸，乳酸聚集后形成的高分子就是聚乳酸。這個(gè)材料的原材料主要是玉米。這個(gè)材料使用完，可以在土壤里降解。這個(gè)主流材料確實(shí)是比較環(huán)保的。

其他一些功能性塑料如PC和尼龍，這和傳統(tǒng)行業(yè)中使用的基材是類似的。這類材料的環(huán)保性主要是如何進(jìn)行回收。一是如何回收廢舊塑料，一是如何提高產(chǎn)品中回收料的比例，而又不降低其使用性能。從技術(shù)方面去解決環(huán)保性的問(wèn)題。


Q8：3D打印是更加依賴設(shè)備，還是材料？

雖然我們是做材料的公司，但3D打印是一個(gè)技術(shù)。技術(shù)就包含了材料，設(shè)備和設(shè)計(jì)。這三點(diǎn)整體形成一個(gè)工藝，三點(diǎn)是無(wú)法獨(dú)立的。如之前介紹，每種技術(shù)都有其自身的材料適配性以及在設(shè)計(jì)上的一些限制。所以與其去講到底是材料重要還是設(shè)備重要，更多要考慮的是如何綜合的發(fā)揮3D打印技術(shù)的能力，去解決實(shí)際的問(wèn)題。我在開(kāi)發(fā)應(yīng)用和客戶推薦材料的時(shí)候，我們都會(huì)以提供包括材料，設(shè)備和設(shè)計(jì)的整體解決方案的方式來(lái)解決問(wèn)題。

Q9：請(qǐng)介紹下3D打印復(fù)合材料模具

這個(gè)技術(shù)最早來(lái)自于美國(guó)的橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室。他們認(rèn)為傳統(tǒng)的工藝制造塑料件相對(duì)而言都是小尺寸的�，F(xiàn)在想找一個(gè)工藝去做大尺寸的塑料件。傳統(tǒng)注塑件需要模具，假如我們需要一個(gè)5米的注塑件，模具要比5米還大，注塑機(jī)就更大了。隨著尺寸變大，成本也會(huì)變成天文數(shù)字了。我們這個(gè)技術(shù)做大尺寸件是一個(gè)很合適的方式。

我們目前能做中尺寸的件可以達(dá)到3-5米，大尺寸的件可以達(dá)到十幾米。傳統(tǒng)的方式做復(fù)合材料模具，尤其是大的復(fù)合材料模具如風(fēng)電葉片，其實(shí)是一個(gè)很強(qiáng)的手工活，一般都是玻璃鋼模具。制造過(guò)程中會(huì)牽扯到許多的人力和手工，制造周期一般以幾周為單位。使用我們這個(gè)工藝，可以數(shù)字化制造，制造周期可以縮短到以天為單位。

這個(gè)應(yīng)用還有一個(gè)特點(diǎn)。以往3D打印為人詬病的一點(diǎn)是速度慢，打印一個(gè)件需要幾十個(gè)小時(shí)甚至是幾天。但在大尺寸的3D打印中，可以做得非�？�。之前介紹的賽車鼻頭的模具，我們只用了幾個(gè)小時(shí)就完成打印了。

從工藝和設(shè)備的角度來(lái)看，這個(gè)應(yīng)用技術(shù)的第一個(gè)難點(diǎn)是把擠出頭尺寸縮小的同時(shí)，提升其擠出流量。第二個(gè)難點(diǎn)是打印時(shí)擠出頭運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃，這是和小尺寸3D打印完全不同的。

從材料的角度看，第一個(gè)難點(diǎn)是材料都會(huì)有熱脹冷縮，因而在打印大尺寸件時(shí)，對(duì)于尺寸穩(wěn)定性的要求很高。第二個(gè)難點(diǎn)是一般較為高端的復(fù)合材料成型都是在熱壓罐中完成，如何在高溫和高壓的情況下，保證材料的熱變形與我們復(fù)合材料模具的熱變形是同步的是另一個(gè)難點(diǎn)。

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