化工企業(yè)競相角逐3D打印市場

文/ 錢伯章

行業(yè)觀察

化工企業(yè)競相角逐3D打印市場

文/ 錢伯章

石化產(chǎn)品復(fù)雜部件制造正在進入3D打印新時代——未來，個性化設(shè)計需求將呈爆發(fā)式增長，3D打印技術(shù)應(yīng)運而生，包括中國在內(nèi)的幾大工業(yè)化國家都將其作為重點發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。作為先進材料的供應(yīng)商，化工公司也在角逐3D打印市場的領(lǐng)先地位。

制造“不可能的產(chǎn)品”

3D打印是一種通過逐層打印的方式制造工件的制造工藝。該技術(shù)無需使用將所需部件塑造成型的工具或模具。此外，與傳統(tǒng)的制造方法相比，3D打印使產(chǎn)品設(shè)計更為靈活。產(chǎn)品的設(shè)計工作通過計算機輔助設(shè)計（CAD）或醫(yī)學(xué)成像技術(shù)完成，并可立即進行打印，從而獲得實體部件。在不久的將來，3D打印還將制造出通過現(xiàn)有技術(shù)無法制造的產(chǎn)品，也就是所謂的“不可能的產(chǎn)品”。

3D打印的細分市場通常包括：企業(yè)用打印機、個人用戶打印機、材料和服務(wù)。所提供的主要服務(wù)是生產(chǎn)定制部件，這也是最具經(jīng)濟效益的主導(dǎo)細分市場。在地區(qū)分布方面，北美市場目前占有50%以上的市場份額。汽車和航空航天是3D打印的主要應(yīng)用領(lǐng)域，而消費品和醫(yī)療保健則被視為發(fā)展最快的應(yīng)用領(lǐng)域。據(jù)領(lǐng)先市場研究公司預(yù)測，到2020年，3D打印的市場規(guī)模將超過200億美元。

目前，3D打印雖然已開始應(yīng)用于小批量的直接制造，但受打印時間、精度和材料等限制，3D打印還不可能替代傳統(tǒng)制造業(yè)，只是利用研發(fā)、設(shè)計開發(fā)優(yōu)勢，為大批量制造業(yè)做輔助。當(dāng)前最迫切的需求是以更快的速度進行原型制造或?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品小批量生產(chǎn)，這通常被稱為快速成型或快速生產(chǎn)。不過，人們普遍認(rèn)為，定制產(chǎn)品設(shè)計和高幾何復(fù)雜性的部件在將來更為重要。

開創(chuàng)有機硅打印技術(shù)先河

總部位于德國慕尼黑的瓦克化學(xué)集團正用一種全新的商業(yè)模式，以ACEO為品牌，為有機硅3D打印提供全方位服務(wù)，加速進軍3D打印市場。

有機硅的獨特性能使其成為眾多應(yīng)用不可或缺的材料。例如：耐熱性、低溫柔韌性、透明性、生物相容性、顏料相容性和阻尼性能。在市場評估中，瓦克發(fā)現(xiàn)許多需求急需得到滿足，尤其是在有機硅3D打印方面。自25年前發(fā)明以來，3D打印使用的材料多為感光樹脂和熱塑性塑料。迄今為止，還沒有適合彈性體，尤其是有機硅的終極技術(shù)解決方案。

因此，瓦克面臨的首要任務(wù)之一，就是要探索和開發(fā)一種適合這種特殊材料性能的工藝。瓦克選擇了噴射工藝，該工藝與使用噴墨打印機在紙張上打印非常相似。噴射工藝基于有機硅體素的拋射式給料。經(jīng)過一層一層的粘合，工件被制造出來。通過對有機硅進行調(diào)節(jié)，有機硅液滴可融合在一起，然后暴露在紫外光下，開始固化。體素和有機硅層共同形成與注射成型有機硅相差無幾的均質(zhì)材料。

在打印過程中，噴射工藝使用支撐材料來制造形狀復(fù)雜的飛檐和空心結(jié)構(gòu)，這樣，就可以順利完成所設(shè)計的產(chǎn)品造型。打印完成后，將該材料溶解于水中便可去除。幾乎任何顏色都可以添加到有機硅材料中。

基于廣泛深入的市場調(diào)查結(jié)果，瓦克于2014年第二季度開始啟動有機硅3D打印開發(fā)項目。項目進展非常順利。瓦克與敏捷的工程合作伙伴展開全面合作，共同開發(fā)材料、硬件和軟件，從而進入了發(fā)展的快車道。由于數(shù)項工作同步展開，而不是先后進行，瓦克3D打印項目的進展速度超乎想象。

ACEO包含四個不可分割的部分：材料、硬件、軟件以及設(shè)計和制造3D打印有機硅部件的專業(yè)知識。毗鄰?fù)呖瞬└窈郎a(chǎn)基地的一座面積為600 m2的園區(qū)內(nèi)，配備有一個3D有機硅打印工廠、12個設(shè)備齊全的工作場所和一個供產(chǎn)品設(shè)計師和客戶通過采用瓦克有機硅3D打印技術(shù)開展項目的開放式實驗室。打印工廠將使用5臺3D打印機用于客戶項目和進一步工藝開發(fā)。從2016年8月起，瓦克化學(xué)的客戶便可通過網(wǎng)上商店，上傳設(shè)計產(chǎn)品，訂購有機硅3D打印部件，在ACEO印刷廠建成后，產(chǎn)品可發(fā)送至世界各地。此外，瓦克跨學(xué)科的ACEO團隊還為產(chǎn)品設(shè)計，以及有機硅部件或組件生產(chǎn)提供咨詢和開發(fā)服務(wù)。

目前，瓦克的任務(wù)是為有機硅材料探索和開拓3D打印的應(yīng)用和市場。瓦克發(fā)現(xiàn)，人們對原型制造和眾多領(lǐng)域的消費品都有極大興趣。

首款3D打印球形輪胎

2016年3月7日在日內(nèi)瓦國際車展，固特異發(fā)布首款3D打印的球形概念輪胎——Eagle-360。

固特異表示，這款輪胎將是自動駕駛汽車的一大輪胎解決方案，能大大提高汽車駕駛安全。

據(jù)悉，球形輪胎能朝多個方向靈活移動，有效減少側(cè)滑，使橫向移動更流暢。在不急速改變行駛方向時，它還可以有效避開障礙物。

而對于停車?yán)щy戶來說，這款3D打印輪胎能使汽車的入庫更簡單。

3 D打印彈性體可延伸高達1 100%

新加坡技術(shù)和設(shè)計大學(xué)的研究人員于2017年2月13日宣布，已開發(fā)出高度可伸縮和UV固化的彈性體家族，可以延伸高達1 100%，并適用基于UV固化的三維打印技術(shù)。利用高分辨率3-D打印與SUV彈性體成分可以直接創(chuàng)建復(fù)雜的3-D晶格或空心結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出非常大的變形。這種SUV彈性體的制造時間也大大縮短。該彈性體項目是新加坡技術(shù)和設(shè)計大學(xué)數(shù)字制造和設(shè)計中心、校園研究優(yōu)秀科技企業(yè)和耶路撒冷希伯來大學(xué)的研究人員共同協(xié)作的結(jié)果。

項目的共同引領(lǐng)人之一新加坡技術(shù)和設(shè)計大學(xué)數(shù)字制造和設(shè)計中心教授Qi Ge表示，這種新的彈性體可以延伸1 100%，為任何商用彈性體斷裂時伸長率的5倍以上，適用于基于UV固化的3D打印技術(shù)。研究人員解釋稱，他們能夠使用SUV彈性體組成和高分辨率的3D打印過程成功地實現(xiàn)3D打印復(fù)雜的3D晶格和結(jié)構(gòu)。不再受傳統(tǒng)制造過程的設(shè)計局限性，3D打印SUV彈性體或?qū)⒁馕吨剐枰獜椥圆牧系脑S多領(lǐng)域出現(xiàn)巨大的進步。這種3D打印彈性體的高度卓越性，除了使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和幾何圖形簡化外，還明顯減少制造時間。與傳統(tǒng)成型和鑄造方法相比，使用基于UV固化的3D打印制取SUV彈性體可顯著降低制造時間，從數(shù)小時，甚至幾天，減少到幾分鐘或幾小時。

此外，SUV彈性體也顯示出好的機械重復(fù)性，適用于柔性電子元件。這個特性已被研究人員證明，3D打印使用彈性體的巴基球燈的開關(guān)，并按動1 000次。測試后, 燈的開關(guān)仍可正常工作。

高性能碳纖維的3D打印

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員于2017年3月1日宣布，已首次為航天級碳纖維復(fù)合材料實施3D打印，打開了輕量級，但卻比鋼材更堅硬的材料更好控制和優(yōu)化的大門。

這項研究成果已發(fā)表在《自然科學(xué)（Nature Scientif i c）》雜志上，它代表著微擠出3D打印技術(shù)應(yīng)用于碳纖維的“重大進步”。

碳纖維復(fù)合材料通常通過兩種方法之一制造，即通過將絲圍繞心軸纏繞，或?qū)⒗w維編織在一起，就像一個柳條籃子，導(dǎo)致成品限于要么呈扁平形狀或要么呈圓柱形狀。制造商也傾向于使用材料過度補償，由于性能問題, 而使部件過重、昂貴和造成不必要的浪費。

據(jù)LLNL研究人員報道，可通過改進的直接油墨寫讀3D打印過程打印出幾種復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。Lewicki和他的團隊也開發(fā)并為新的化學(xué)申請了專利，可在幾秒內(nèi)使材料硫化，而不是幾個小時, 并使用實驗室的高性能計算能力開發(fā)出碳纖維長絲的精確模型。

計算機化的建模，由該工程師團隊在LLNL的超級計算機上執(zhí)行，它需要模擬成千上萬的碳纖維, 他們從油墨噴嘴產(chǎn)生，在過程中可找出如何最好地對齊。 ●

本文作者系本刊特約撰稿人。