塑料與3D列印有著密切的關係, 材料方面最受歡迎包括PLA材料, 具有相對較低的列印挑戰. 其他複合材料可用於更高級的應用, 並具有更好的機械性能.
3D列印行業領先的解決方案之一是大型3D列印. 塑料產品的大型3D印表機主要基於熔融擠出技術, 工藝可靠, 易於使用和維護.
現在出現了一個明顯的話題: 大型3D列印的應用領域在哪裡, 使用大型3D列印有什麼好處?
·設計與概念建模
對於設計領域來說, 尺寸經常限制了設計產品的快速製造, 有了大型零件快速3D列印的可行性, 這使得設計的想法可以迅速轉化為現實, 並且應用到各種產品中. 後期處理可以使得最終的模型更接近產品.
優點: 縮短獲得全尺寸原型的時間. 那些通過傳統方式製造模型的技術, 包括木材, 泡沫, 玻璃纖維的使用不僅耗時, 而且還昂貴. 大型3D列印技術不僅節省成本, 還可以實現自由曲面的獨特幾何形狀, 並且可以加速設計迭代的過程.
適合形式: 可以一次性3D列印完成, 或者列印成幾個部分, 然後組裝而成.
·娛樂與廣告
通過大型3D列印技術可以建立獨特的營銷和宣傳元素. 在沒有3D列印技術之前, 這個行業的幾乎所有的零件和展示品都是手工製作的. 與傳統工藝相比, 大規模3D列印大大減少了人工勞動力, 節省了時間和成本. 並且, 3D列印技術還催生了娛樂與廣告業設計產品的自由創意.
·工業製造
工業製造領域也在引入大型3D列印技術, 大型3D列印與工業製造的結合不僅可能, 而且有可能解決獨特的挑戰.
·模具與生產
3D列印提供了生產一種或多種定製設計產品的有效方法. 為了製造最終零部件, 可以通過3D列印來獲取大型模具, 並用作複合結構的最終工具. 一旦將樹脂注射到模具中, 就形成最終零部件. 在經過加工和整理後安裝在賽車上.
優點: 與傳統的非3D列印方法相比, 通過大型3D列印技術可以大大縮短最終用途零部件的生產時間, 與使用數控機床生產相同的零件相比, 還節省了相當多的成本.
另一個很好的例子, 使用類似的大型3D列印工藝製作了一個照明面板的新設計. 與使用CNC相比, 縮短了50%的生產時間, 並且降低成本.
的確, 3D列印技術為大型模具製造帶來了新的切入點. 早在2014年轟動全球的LocalMotors公司在IMTS現場3D列印完整的電動車Strati, 使用的3D列印設備BAAM是由美國能源部下屬的橡樹嶺國家實驗室(ORNL)開發的高速大型3D列印設備.
不僅如此, BAAM技術還被用於3D列印潛水艇, 這是由海軍陸戰隊(NSWC)和Carderock部門的破壞性技術實驗室(DTL)團隊開發的. 該團隊於2016年8月開始工作, 通過使用大型工業3D印表機-大面積增材製造設備(BAAM)來生產潛水艇的六個碳纖維零件, 然後組裝成30英尺長的潛水艇. 類似大小的潛水艇花費高達80萬美元, 大概需要3到5個月才能生產完畢. 而通過3D列印, 製造成本便宜了90%, 不僅如此, 還節約了生產時間.
甚至是工程機械行業這樣的傳統行業像沃爾沃建築, 卡特彼勒等也在探索3D列印對其生產和業務帶來的 '美' , 如何能更快速, 更低成本的開發新產品.
美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)與美國設備製造協會, 國家流體協會等機構共同開發了全球首台3D列印挖掘機. 在這台挖掘機中包括了三個由3D列印設備直接製造的零部件: 駕駛室, 動臂和熱交換器. 挖掘機動臂長約2.1米, 重量約為181千克, 是由ORNL新開發的大型金屬零件3D列印設備製造的, 列印材料為低成本的金屬, 動臂在設計時已經為液壓零件預留好內置的通道. 挖掘機的駕駛室是由美國伊利諾大學厄本那香檳分校的學生工程設計團隊設計的, 駕駛室採用了仿生設計, 設計靈感來自於大自然裡彎拱的樹枝, 駕駛室重量約68千克, 設計團隊表示這一駕駛室相比傳統設計方案的駕駛室減重25%, 同時強度是可以保證的. 駕駛室是由ORNL實驗室的BAAM(大幅面增材製造)3D列印設備和碳纖維增強複合材料製造的.
那些製造業本來要花上億的資金才能啟動的新產品設計與研發, 要耗費幾年的時間才能完全推向市場的產品, 現在通過3D列印所花費的成本只是原來的零頭, 而時間又可以得到大大的縮短.
最近, 普渡大學複合材料製造和類比中心, Thermwood公司, 應用複合材料工程(ACE)和TechmerPM的聯合團隊實現了通過3D列印PSU複合材料模具來實現直升機零部件的製造目的.
據了解, 這可能是碳纖維增強PSU塑料首次成功地應用到3D列印工藝. 通過Thermwood的大型增材製造(LSAM-LargeAdditiveManufacturing)系統對直升機的模具進行了一次性3D列印與機加工工序. Thermwood開發的LSAM系統是增材製造工藝與機加工切削工藝的巧妙結合, 由3D列印完成粗糙的模型輪廓, 通過使用CNC銑床將零件加工到精確尺寸, 在3D列印的過程中就可以同步配合機加工切削的運用, 這款用於製造直升機零件模具的大型3D印表機的建造體積為10×20英尺.
通常來說, 實現大型3D列印, 機器手不可缺. 帶機器手的3D列印除了Thermwood, 還有BAAM, MX3D, Thermwood, BranchTechnology, 3DSystems, LittleArm, ArevoL abs , 以及Stratasys.
而BAAM系統在2016年就被美國橡樹嶺國家實驗室下設的風能水能技術辦公室用來製造了一款巨大的風電葉片模具. 葉片模具長達13米由BAAM系統分批次列印出來. 根據3D科學穀的市場研究, 與Thermwood類似的是模具都用到了碳纖維複合材料3D列印技術, 不同的是BAAM系統的3D列印工作完成後, 葉片上面被覆蓋了一層玻璃纖維層壓板以獲得平滑的表面, 而Thermwood採取的是通過機加工的方式去除多餘的塑料材料以獲得精確的模具表面.
不過, 在整合3D列印與切削加工塑料材料於一台設備方面, Thermwood可以稱為行業的先行者. 但就3D科學穀的市場研究, 已經有更多的公司看好大型 塑料製品 的混合加工. 意大利加工專家CMS與2017年9月宣布與德國Fraunhofer機床和成型技術研究所(FraunhoferIWU)建立了新的合作夥伴關係, 並共同開發熱塑性複合材料的3D列印與五軸銑削加工的混合系統. FraunhoferIWU將與CMS密切合作, 開發CMSKreator, 該系統將結合3D列印和機加工製造出高品質熱塑性複合材料零件. CMSKreator將會有一系列的配置和尺寸, 並可容納各種各樣的基於熱塑性塑料的材料. 3D科學穀了解到, 這款設備可以在許多領域和行業得到應用, 並將面向製造精密原型甚至特殊的零件生產.
除了熔融擠出技術, 以及熔融擠出技術與機加工技術的結合, 另外一家來自以色列的公司Massivit則是使出了自己的大招, 其大型全新3D列印設備名為GDP, 是GelDispensedPrinting(凝膠列印)的縮寫, 這種技術有點類似於FDM和SLA技術的複合, 列印速度極快, 而且能夠列印出非常大的對象.
與光固化過程中所使用的液態樹脂不同的是, GDP技術列印的材料是啫喱狀的, 因為列印的是凝膠所以比液體的固化速度要快. 另外列印的層厚度大, 再加上凝膠本身可以獲得自支撐, 所以在列印過程中幾乎不需要支撐材料, 這也減少了後期處理支撐材料的工作量, 並且節約3D印表機列印支撐材料的時間. 正如正文中所提到的, 大型3D列印可以用於娛樂和廣告行業, Massivit已參與了多個大品牌的大型項目宣傳, 包括索尼的廣告和憤怒的小鳥的捉鬼敢死隊電影宣傳. 以往這些道具和宣傳用品依靠手工流程包括雕刻泡沫塊這樣的方式來完成, 耗時又費力. 而3D列印是一個數字化的過程, 允許大量的個性化和本地化製造方式, 非常貼合廣告和推廣中時間緊迫而個性化又十足的需求.
可以說, 3D列印行業的發展正越來越向我們揭示更多的有關於大塊頭帶來的大智慧.