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3D新聞

工藝創新:將FDM 3D打印技術的潛力開發到極致

星之球科技 來源:3D打印技術參考 企鵝號2021-03-11 我要評論(0 )   

近10年來,3D打印技術經歷了突飛猛進的發展,一系列新工藝不斷涌現,不僅突破了對材料、速度和成本的限制,更實現著人們對這一技術的美好期待。FDM熔融沉積技術,這一市...

近10年來,3D打印技術經歷了突飛猛進的發展,一系列新工藝不斷涌現,不僅突破了對材料、速度和成本的限制,更實現著人們對這一技術的美好期待。FDM熔融沉積技術,這一市場占有量最大且發展最快的工藝更是分化出了多種門類,不僅可以打印普通塑料,更可以實現復合材料甚至金屬材料成型。

3D打印技術參考發現,基于桌面FDM技術的工藝種類越來越細化,區分度也越來越大,并逐漸分化出了消費級、專業級和工業級等三種類型。市場研究公司CONTEXT將價格低于0.25萬美元的3D打印機定義為消費級(入門級)、0.25-2萬美元之間的為專業級,2-10萬美元之間為設計級別,10萬美元以上為工業級。

然而,這不只是價格的問題,就FDM類型的3D打印機來說,它們在打印尺寸、打印速率、打印質量、打印精度、適用材料范圍,可靠性和易用性等方面都有很大差別。


消費級、專業級、工業級3D打印機

消費級FDM打印機

消費級3D打印機因為制造成本和客戶適用范圍的限制,多采用開源架構,成型尺寸一般不會太大,多為200-300mm左右;打印速率適中,質量也可以接受;在精度方面,有的品牌可以達到0.1mm;能夠成型的材料對外部環境多沒有特殊要求,主流的PLA、ABS、TPU都可以打印。


普通臺式3D打印機多用于家庭和教育領域

此類FDM打印機主要迎合初級和業余愛好者的需求,價格多為千余元,國內外中小學3D打印教育所采用的機型就是這種類型。然而由于對課外實踐接受程度的差異,國內消費級3D打印機鮮有走入家庭的案例。

除了教育領域的應用外,消費級3D打印機還被醫療領域用來制造手術預演模型、導板,工業設計師可以進行概念模型打印,在汽車領域也可用于制造定制工具等。除了主流常規的打印尺寸之外,目前也有一些較大尺寸的的此類型打印機可用于工業領域,如打印發光字、雕塑、模特道具等,價格在數萬元不等。

專業級FDM打印機

專業級FDM打印機主要定位于中小型企業和專業生產領域。其具有消費級設備的尺寸,但可打印PC、PA等工程塑料甚至纖維增強材料,適合制造具有高強度、耐用性和剛度的功能性原型以及最終用途零件。

中國代表廠商:上海復志(Raise3D),正在啟動上市的又一家3D打印企業。


由專業級FDM打印的碳纖維復合材料電動超級摩托車的整流罩

專業級設備比消費級設備采用了更為精密的控制元件,從而使設備能夠打印更多材料,同時在打印精度、質量方面提升了一個等級,并具有更高的穩定性和可靠性;與工業級設備相比,它能夠讓用戶體驗到高性能3D打印的優勢,價格也基本在數萬元,能夠讓用戶負擔的起。

在行業應用方面,專業級的FDM設備獲得了汽車、醫療以及研究機構等行業的青睞。基于更高的材料性能,專業級FDM打印機可以制造零配件解決設備故障,并在一定程度上替代金屬零件;除了可以進行快速原型制造之外,有企業還采用它進行小批量零件生產,并用作最終零部件使用。

工業級FDM打印機

工業級別的FDM設備與消費級和專業級相比增加了恒溫腔室和高溫噴頭,打印艙的溫度甚至可以達到300℃,專門用來打印PEEK、PEKK、ULTEM、PEI等高性能材料,并滿足應用端對耐高溫、防腐蝕和抗高沖擊力材料以及對大尺寸和高效率等工業級別的需求。

中國代表企業:上海遠鑄智能(INTAMSYS),備受國際頂級科研機構青睞。


遠鑄智能工業級高溫FDM設備打印的PEEK工裝夾具


遠鑄智能工業級3D打印機

作為FDM技術類型的頂端工藝,工業級FDM在研發方面存在一定難度,其生產的零件具有最高的性能、精度和質量,適用于航空、國防、研發和制造等需要使用特殊工程塑料的行業。

在汽車制造領域,此類設備能夠生產滿足機械性能的功能原型,并滿足小批量的生產需求;在醫療領域,通過其打印的PEEK可以植入人體;而在航空航天領域,由工業級FDM技術打印的ULTEM材料已經獲得了航空認證,并被允許用于制造飛機內飾。

工藝創新——打印復合材料和金屬材料

雖然我們已經知道采用FDM技術可以打印碳纖維以及玻璃纖維復合材料,甚至還可以打印金屬材料,但對于該技術本身而言,從誕生之初到今天,從未被開發出如此強大的功能并發掘出如此潛力。

基于FDM技術的連續纖維3D打印工藝,借助雙噴嘴將纖維填充進熱塑性絲材,從而起到材料增強的效果。由此工藝打印的碳纖維增強PEEK、PA部件,甚至可用于航空航天、國防以及汽車領域,并能夠在一定程度上替代金屬部件。


Markforged推出的金屬和復合材料3D打印機

采用FDM技術來打印纖維復合材料的典型代表廠商是Markforged,同時該公司還開發出了基于FDM技術的金屬3D打印機,其材料形式與普通的PLA、PA一樣,均為細絲。該公司也基本可以認定為第一家采用FDM來打印金屬的公司,目前可成型材料涉及不銹鋼、高溫合金、銅等多種類型。這兩種類型的3D打印機應當歸類于專業級FDM,Markforged在該領域取得了巨大成功,目前已經宣布上市。

市場分析

隨著前些年3D打印炒作而涌入的很多公司最終不得不面對倒閉的結局,而最終沉淀下來的企業逐漸具備了一定規模,Ultimaker、MakerBot、創想三維等企業得以發展壯大,而只有少數企業通過從消費市場過渡到專業和工業級市場而幸存下來。

這種轉變還表明,用戶對小型工業系統的需求日益增長。將重點轉移到專業和工業用戶上,就要求供應商改進其解決方案。這導致了需要在傳統桌面機的設計中引入僅在大型高端3D打印機中才具備的工業功能,例如針對高端需求必備的高溫加熱床、保溫裝置和雙擠出噴嘴等已成為專業和工業級別臺式3D打印機的必要配置。制造商則需要在保持緊湊設計的同時提高生產率和可靠性。

在今年2月底,Stratasys工業級FDM 3D打印機的高溫腔室設計專利已全部到期。包括INTAMSYS創始人在內的諸多專業人士普遍認為,未來會有更多廠商參與進來并推出更好的解決方案,這將為客戶帶來更多的創新、更低的成本、更多的應用以及更好的投資回報率。工業級FDM打印機將會越來越普及、更具競爭力,且將取代更多的傳統制造方法。

當前,無論是消費級、專業級還是工業級,對于國內的設備商來說,其營收仍舊主要來自于海外,外媒甚至稱主要的消費級打印機是由中國制造的;而對于一些高端應用案例,也多來自于國外用戶。這也意味著,國內制造商的技術實力已經足以與國外品牌競爭,并占據了不錯的市場地位;而對于國內市場,隨著各行業對3D打印技術認知水平的提高,其增長空間巨大,這也是設備商們正在加大國內市場投資的原因。


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3D打印激光激光技術

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