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3D打印机:树脂、纸张、金属,造型材料多种多样

  【编者按】在2013年6月19~21日举行的“日本第24届设计及制造解决方案展”(DMS展)上,“参观者增加到了2012年的两倍”。而且造型材料多种多样更是备受关注。


  在2013年6月19~21日举行的“日本第24届设计及制造解决方案展”(DMS展)上,3D打印机展区的企业负责人纷纷表示,“参观者增加到了2012年的两倍”。各电视台详细报道也起到了宣传作用,展区过道上人潮涌动,想看一眼展品颇为不易。包括以个人用户为中心应用范围逐渐扩大的低价格机型以及提高了材料性能和功能的高功能机型在内,一些刚刚上市的新产品也在展会上亮相。造型材料已不仅仅是树脂,还出现了使用纸张的3D打印机,可制作金属部件、模具和砂模的3D打印机更是备受关注。 (参阅日本计划开发下一代高性能铸模3D打印机

  低价位3D打印机前人山人海

  本届展会最吸引参观者关注的,是10万日元~50万日元价位及不到100万日元的3D打印机。这些打印机采用从内置加热器的可动喷头喷出PLA(聚乳酸)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚树脂)等热可塑性树脂线材的造型方法。

  比如,美国3D Systems公司2013年6月推出的低价格机型“Cube”和“CubeX”(图1)。价格方面,最大造型尺寸只有140×140×140mm的Cube(单喷头)为16万日元(约9850元人民币),最大造型尺寸各边均比Cube大100mm左右、配备的喷头数量可在1~3个中选择的CubeX约为40万~50万日元(约2.5万~3万元人民币)。两款产品都表现出了出色的销售势头。

 


图1:3D Systems的“Cube”(左)及其造型物(右)


  最大造型尺寸只有140×140×140mm,售价仅16万日元,有5种机身颜色,因此个人购买的用户也比较多。PLA和ABS的材料各有16种颜色。

  3D Systems日本公司(总部:东京)此次与多家代理商共同搭建了大面积的展位*1,展示了多台Cube和CubeX,以及利用这两款产品打印的造型物。另外还实际演示了造型过程,吸引了大批观众。

  *1与iGUAZU、SOLI ZE Products、东朋科技和武藤工业共同展出。

  展示大型低价格3D打印机厂商——美国MakerBot公司的“Replicator 2”和“Replicator 2X”的,是该公司在日本的授权代理商Binary(总部:东京,图2)。MakerBot公司的3D打印机的累计销量已经超过22000台,最近9个月Replicator 2的销量达到了11000台。就在2013年6月19日DMS展开幕当天,总部位于美国和以色列的Stratasys公司宣布将收购MakerBot*2。


 图2:MakerBot公司的“Replicator 2X”


  有两个打印头,可制作双色造型物。在前面、侧面和上面(照片中拿掉了)设置了保护盖,减轻了冷却不均现象,这是低端机型“Replicator 2”没有的。

  *2MakerBot将成为Stratasys的子公司,预定2013年第三季度完成合并。MakerBot的销售额在2012年度为1570万美元,2013年度仅第一季度就达到了1150万美元。

  Replicator 2X是2013年1月刚刚发布的新机型。有两个造型喷头,可制作由两种颜色的材料构成的造型物。

  围绕可用树脂的特性展开竞争

  造型材料采用树脂的高功能3D打印机方面,基恩士展示了2013年6月18日刚刚上市的新机型“AGILISTA-3100”(图3)。AGILISTA采用从喷嘴喷出光硬化性树脂、然后向其照射紫外线(UV)灯使之硬化、从而制作截面形状的方式。目前基恩士是唯一一家开发这种方式的3D打印机的日本厂商。


 
图3:基恩士的“AGILISTA”


  AGILISTA可使用的树脂兼具高强度和高韧性,还用来制作弹簧和螺丝。开发新机型“AGILISTA-3100”时,提高了造型物细节处的再现性。

  AGILISTA的特点是,最小积层厚度只有15μm,而且可使用能溶于水的支撑材料。AGILISTA-3100改良了材料和机械部分,提高了薄型产品和精细边缘部位的再现性,能制造精细度非常高的造型物。

  强调3D打印机可使用丰富的树脂材料的,是宣布收购MakerBot的Stratasys。2012年12月,原美国Stratasys公司与原以色列欧贝杰公司(Objet)合并成立了现在的Stratasys。新公司成立后首次参展DMS的Stratasys展示了使用热可塑性树脂造型的原Stratasys的3D打印机打印的造型物,以及使用光硬化性树脂造型的原欧贝杰的3D打印机打印的造型物,强调可实现的材料特性和可制作的造型物尺寸等的选择更丰富*3。

  *3Stratasys公司的产品按用途分为“Idea”、“Design”和“Production”三种。原欧贝杰的产品全部属于Design,原Stratasys的产品主要属于Idea和Production。

  例如,Stratasys的“Connex”系列3D打印机可以制作混合了多种树脂的造型物,或者通过在同一位置喷出多种材料,实现具有新特性的材料等。还可以在一个造型物的一部分使用透明树脂,或者使之具备橡胶一样的特性。

  另外,该公司的“Fort us”系列3D打印机除了ABS外,还能使用强度和耐热性出色的工程塑料。比如,具备约140℃耐热性的PC(聚碳酸酯)、具有更高的耐热性(约200℃)和耐腐蚀性的PPSF(聚亚苯基砜)、阻燃性较高的PEI(聚醚酰亚胺)等。

  采用对光硬化性树脂进行激光扫描使之硬化、即光固化快速成型法的3D打印机也改良了材料。例如,CMET公司(总部:横滨市)展示了利用提高了强度、透明度及韧性等的新材料(环氧类光硬化性树脂)制作的造型物。

  目前3D打印机的造型材料还是以树脂为主。虽然并没有涵盖实际产品中已采用的以及可用于其他加工方法的所有树脂,但可造型的树脂在逐年增加。

  使用普通纸张的低成本造型

  使用树脂以外的造型材料的3D打印机的展示也备受瞩目。较为独特的材料方面,有使用低成本的普通纸张造型的3D打印机登场。比如JBM公司(总部:东京)展示的爱尔兰Mcor Technologies公司生产的“Mcor IRIS”(图6)。JBM预定从2013年8月开始在日本销售这款产品。


 
图6:层积普通纸张的“Mcor IRIS”制作的全彩造型物

  事先用普通的二维彩色喷墨打印机在将要层积的纸张上打印出截面形状,这样就能制作全彩造型物。可直接制作全彩造型物的3D打印机原来只有3D Systems的“ProJet x60”系列*4。

  *4“ProJet x60”采用的是使用有色粘合剂粘结石膏粉末使之硬化的方式。原来的名称是“ZPrinter”系列,2013年5月强化功能后改了名。此次在DMS展上是首次展示实机。

  Mcor IRIS制作造型物时,首先用彩色喷墨打印机在造型使用的所有纸张(普通纸张)上打印,就是在纸张上印刷相当于造型物表面的部分(轮廓线)和层积时的定位用标记。

  用喷墨打印机着色后的纸张按照与造型物上下相反的方向叠放,即造型物最下层对应的纸张放在最上面,造型时从上面开始将纸张一张一张移动到造型区。此时,参照纸张上印刷的标记确定位置来确保轮廓线的相对位置精度。

  对于移动到造型区的纸张,首先通过剪切动作切断轮廓线,然后涂一层粘合剂。接下来,将下一层纸移动到造型区叠在上面,按压固定。重复上述过程就能制作出立体模型。

  烧结金属粉末

  此次展会上还展示了很多可直接制作金属部件的3D打印机及其造型物。比如恩梯梯数据工程系统(总部:东京)展示了用德国EOS公司的3D打印机“EOSINTM”造型的样品。CKB(总部:东京)和HTL(总部:东京都立川市)分别展示了德国Concept Laser公司和瑞典Arcom公司的3D打印机及造型物。


 
图7:用“EOSINT M”制作的金属部件

  日本厂商制造的产品方面,展示了利用Aspect公司(总部:东京都稻城市)开发的“RaFaEl V”系列3D打印机制作的金属部件样品。该公司已经推出了使用树脂粉末造型的3D打印机,目前计划投产使用钛合金等金属粉末造型的产品。

  松浦机械制作所虽然未在DMS展的3D打印机展区内搭建展台,但该公司的3D打印机同样吸引了参观者的关注。关于该公司的3D打印机,DMS举办之前曾有一条“松下利用松浦机械制作所的设备制作量产部件用模具”的新闻报道,引来了大量咨询。

  松浦机械制作所的3D打印机采用在积层造型过程中、利用加工中心进行切削加工的独特方法。可制作出表面非常平滑、精度很高的造型物。

  可打印金属造型物的3D打印机采用的基本都是用激光或电子束烧结金属粉末方法制作截面形状。日本以外的其他国家已经出现了利用这种3D打印机制作实际金属部件的用户。

  制作蜡模和砂模

  为制造金属部件而使用3D打印机的应用方面,用3D打印机制作用来铸造金属部件的模具的方法已经普及。此次有多家公司展示了可制造失蜡铸造用蜡模的3D打印机,还展示了用可制作砂模的3D打印机打印的造型物*5。

  *5可制作砂模的3D打印机方面,ExOne公司(总部:小田原市)展示了用2013年6月上市的新产品“S-Print HHS”制作的砂模。该产品可使用碱性酚醛树脂做粘合剂。

  例如,田边研电(总部:东京)展出的美国Solidscape公司生产的3D打印机“3Z Pro”就是制造蜡模的3D打印机。从喷头只向截面形状部分喷出熔化的蜡进行积层。将蜡层积到一定程度后,就按照指定的层厚进行切割,重复这一过程,即可制作高精度的造型物。XY方向的分辨率高达5000×5000dpi。

图10:以蜡为材料的3D打印机“3Z Pro”(左)及其造型物(右)

  用3D打印机制作蜡模,然后用失蜡法铸造金属部件。右侧照片中左边是蜡模,右边靠后的是用失蜡法铸造的金属部件。

  为提高日本制造业的竞争力,日本政府已经启动了开发可制作砂模的高性能3D打印机的国家项目。今后,3D打印机在部件铸造领域的应用将进一步扩大。


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