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探秘国内工业级3D打印领航者——光韵达

   

4月15号,承蒙深圳光韵达光电科技有限公司的朋友邀请,得以到目前国内工业级3D打印领航者光韵达参观学习。

3D打印技术近两年来发展很快,不管是在汽车、家电、模具制造、文艺、医疗、手机、无人机、航空航天等越来越备受关注,工艺成熟度越来越高。

   下面我们先来看一张图,光韵达的朋友介绍,这是用3D打印技术一体化成型的麒麟。


图 1 3D打印技术一体化成型的麒麟   

在《西游记》中,有这么一段关于麒麟的介绍:“如来说,当初,混沌初开,万物始生,世间开始有飞禽和走兽,走兽以麒麟为首,飞禽以凤凰为首”,可见麒麟在历史神话中的地位之高。但这并不是神话中的麒麟,而是用SLS技术,采用工程塑料PA粉,利用激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。

其技术采用铺粉棍将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面,并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度,控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉末上扫描,使粉末的温度升至熔化点,进行烧结,并与下面已成型的部分实现粘结。当一层截面烧结完成后,工作台下降一个层的厚度,铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末,进行新一层截面的烧结,周而复始,直至完成整个制作过程。通俗来讲,就把这个麒麟,划分成无数个二维平面,只有长宽,通过叠加一点一点成型三维立体。


图 2 3D打印技术一体化成型的麒麟

为什么选择尼龙粉末呢?尼龙材料特性强度高、柔韧性强,可以使得麒麟整体部件并不脆弱,并且在细节上,尼龙纯白的色泽、极高的柔韧性更是能完美模拟出麒麟柔软的鬃毛,远远看去,麒麟的一根根鬃毛似乎在随着麒麟的嘶吼颤动飘扬,整个形象瞬间就鲜活起来了。

此外,在打印精度上,该制件的打印精度在±0.1mm,整套麒麟模型全身上下820个大部件、4000多个细小的部件均实现一体化打印,最后无偏差组装完成此次麒麟模型。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。


什么是3D打印技术呢?


据光韵达的朋友介绍:所谓的3D打印技术,是指由数字模型(CAD)直接驱动,运用金属、塑料、陶瓷、树脂、蜡、纸、砂等可粘合材料,在快速成型设备里通过逐层叠加的方式来构造物理实体的技术。目前,主要有SLS、SLM、SLA和Polyjet技术。

1.SLS技术

即选择性激光烧结,采用激光有选择地分层烧结非金属固体粉末,使烧结成型的固化层层层叠加生产所需形状的零件。

2.SLM技术

同样采用激光烧结技术,适用于金属材料,利用激光对金属粉末进行高温熔融,层层叠加,最终形成三维零件。

3.SLA技术

即立体光固化成型,基于液态光敏树脂的光聚合原理工作。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光的照射下迅速发生光聚合反应,材料也就从液态转变成固态。

4.Polyjet技术

以超薄层的状态将感光聚合材料一层一层地喷射到构建托盘上,每层感光聚合材料被喷射后用紫外光进行凝固,直至完成模型,最后采用非接触树脂处理与喷水清除支持材料。


3D打印的原材料


3D打印的耗材可选择金属、非金属材料、SLA-光敏树脂、Polyyet-光敏树脂等。

1.金属材料

CL 20ES(不锈钢1.4404

CL50WS(热作钢1.2709)

CL91RW(不锈钢热作钢)

CL100NB(镍基高温合金)

CL100CoCr(钴铬合金)

CL40Ti(钛合金)

CoCr(钴铬合金)

AIsi12(铝合金)

AlSi10Mg

CL42TI(纯钛)



2.非金属材料

PA2200(纯尼龙粉末)

PA3200GF(尼龙玻纤粉末材料)

Alumide(尼龙混合铝粉)

PA2210FR(防火精细尼龙粉末)

Carbonmide(碳纤维尼龙材料)

Pa22029(黑色纯尼龙粉末)

3.SLA-光敏树脂

SOMOS  NEXT /白色光敏树脂

Somos  nano tool /填充陶瓷颗粒光敏树脂

Somos  GP plus /类ABS/PBT光敏树脂

Watershed  XC 11122 /透明光敏树脂

4.Polyyet-光敏树脂

透明材料

刚性不透明材料

类聚丙烯材料

类橡胶材料

耐高温材料


3D打印的技术特点


随着技术的发展,3D打印的技术特点愈发明显。特别是在精密制造,一体成型、快速制样以及小批量生产上,优势特别明显。

1.精密制造,一体成型

模具作为现代制造技术的一种重要手段,广泛应用于汽车、电子、家电等批量生产化生产领域。但高端精密模具(尤其是注塑模具和压铸模具)其复杂的工艺要求,给传统工艺技术带来了难题。采用3D打印技术则可以比较轻松解决这个问题。如笔者手中采用铝合金3D打印成型制件,传统工艺对于制件内部的结构,比较难以处理,但通过3D打印,一体成型,可以非常简单的解决这个结构问题。


图3 3打印铝合金制造,一体成型

2.快速制样

据了解到,在新产品研发阶段,3D打印技术可以在一两天甚至几个小时即可完成一套或者几套快速原型样件。此外,塑料制件的精度可达到±0.1um;产品原型无需机加工,翻模或开模具,可根据产品设计图直接打印原型样件,并可随时对数据进行修改,极大地避免了浪费,从而降低成本。

图4 一体成型,之间的连接结构都是一体成型

3.小批量生产

小批量生产是指生产单件产品基本上是小批量需求的专用产品的生产。针对千件,白件甚至更少的制造需求,传统的制造手段,如CNC、注塑、铸造等难以克服成本高、效率低、产品质量不易保证等缺陷。相反,工业级3D打印却能有效解决小批量生产的成本、效率和品质等问题,并且可根据需求,柔性化生产,个性化生产,同时多款产品,不同批量。


图5 3D打印陶瓷餐具


应用领域及实际案例

1.模具领域

模具加工工艺包括:裁模、冲坯模、复合模、挤压模、四滑轨模、级进模、冲压模、模切模具等,长期以来一直被广泛应用于传统的制造业中。然而,随着产品质量要求的不断提高,传统制造工艺越来越难以满足高端精密模具(尤其是注塑模具和压铸模具)复杂的工艺要求。采用工业3D打印技术能不受产品内部结构及复杂形状的约束,在模具内部进行复杂的随形冷却水路设计与加工,轻松实现高端模具的生产制造,给最终产品的量产带来极大的好处。


图6 扇叶轮模具3D打印金属

如图5,这款扇叶轮模具,是采用模具钢MS1.2709打印,便于抛光处理,能确保注塑产品表面光洁。传统工艺制造的模具,只能采用环形水路围绕浇位,与每个叶片均存在距离,无法做到较好的冷却,故叶片成型时出现翘曲的几率比较大。

采用3D打印技术可以确保模具叶片浇面均有冷却水道,有效地提升了冷却效果,大大降低了模具因受热不均,导致产品翘曲变形的问题,并且提高了注塑的效率

2.汽车领域

如图8,这款汽车进气歧管,选用PA+GF材料,使用SLS技术打印,可以保证较好的强度、韧性及尺寸精度,还可实现性能测试功能;使用的是德国进口EOS P396设备打印,据光韵达的朋友介绍,这款产品还可以根据打印实际尺寸而定,24小时就可以加工完成。此外,不久前,该公司为奇瑞运用3D打印技术,打印了一台概念车,汽车大部分零部件,都是采用3D打印一体成型。


图7 发动机进气歧管


图8 汽车空调系统外壳


图9 3D打印赛车
总重量由原先的440kg减少至306kg(与同济大学合作)

3.文化创意领域

不久之前,深圳一家3D打印咖啡馆开业,里面的椅子、杯子、餐具、灯具等等,都是采用3D打印技术,制作的文化创意艺术品,而这些产品,就来自光韵达公司。据该公司的朋友介绍,3D打印技术在文创领域,应用性非常高。这源于3D打印技术,可以提供极大的个性化、差异化、可以根据设计师的理念,让设计成为现实,从而创造出有艺术价值性的产品。

图10  文创艺术品(由极致盛放设计)

图11  文创艺术品(由极致盛放设计)


图12 文创艺术品(由极致盛放设计)


图13 3D打印的餐具(由极致盛放设计)

4.医疗领域

工业3D打印在医疗领域,与医院建立战略合作关系,可以为之提供包括手术规划和训练模型、精准手术导板、金属植入物、赝复耳鼻、烧伤面具和康复支具等多项3D打印医疗技术,并能为设计加工、计算和测试等研发项目为传统医疗器械厂商提供更多的创新理念。


图14 3D打印助力全国首例“母子拼肝”手术

这是用精确的3D打印技术规划肝脏切割部位,可以在尽量减少对母亲肝部损伤的情况下,在3D打印指导下的全国首例“母子拼肝”手术。


图15 钛合金下颌骨植入体

这是中国首例3D打印个性化人工颞下颌关节假体,成功应用于一位关节强直多次复发、30余年张不开嘴的44岁女性患者,帮助该患者恢复正常张口度和口腔功能,实现开口梦。


图16 3D打印技术完成了肺部导管制作

5.建筑领域

如图16,为室内建筑模型,选用材质轻、强度高的尼龙高分子工程塑料进行打印,使用EOS P396塑料打印烧结设备打印;该模型一次性成型整个样板房,无需装配环节;生产周期8小时。相对于传统工艺,产品需要拆件,再通过CNC加工完成组件加工;各个组件需要通过高温胶水粘结起来形成样板房结构整体,工序较多,耗时较长。这就体现了3D打印的快速成型性。


图17 室内建筑模型

图18 埃菲尔铁塔模型

6.其他领域

其他领域,包括无人机、家电、电动工具、航空航空等,工业级3D技术都逐渐都向成熟化。

图 19 电机风轮

图 20 水处理阀门


图21 无人机外壳结构件

图 22 家电外壳一体化

图 23 航空零部件(钛合金为原料)

图 24 飞机内部支架结构


图25 金属轻量化结构

图 26 金属轻量化结构


图27 金属结构件钢铁侠

通过本次拜访,让笔者对于3D打印技术及其应用领域,又有了更进一步的理解。之前一些朋友就提及过,如果降低金属结构件的重量,笔者认为,3D打印技术在一定程度上是可以做到金属轻量化。

随着日趋成熟的3D打印技术,以后在模具制造行业、汽车、家电、电子电气等行业产品开发研发阶段,利用该技术可大大提高研发效率,也可提高注塑效率。笔者认为,随着行业越来越精细化的需求,产品越来越个性化,随着产业链结构升级,3D打印行业在未来发展前景非常值得期待!


光韵达简介

如果对于3D打印技术感兴趣或者有问题想要交流,也可以联系光韵达3D打印事业部 朱经理:15986664313,QQ:1518935782


文章由艾邦高分子独家编辑,如需转载,请注明来源或联系我们


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