浅谈3D打印发展的技术、应用与标准

在3D打印领域,技术所呈现出的未来开启了行业的发展,应用的前景稳定着发展,而标准的制定规范着发展。相辅相成,缺一不可。

技术开启发展

一键按下去后,一个个复杂的数字模型,逐渐的变为一个个三维物体。单是看着这个过程本身就是一种享受,而其中蕴含的潜力更是可以无限遐想,靖哥当年就是因为这个入行的。

3D打印能够火起来,凭借的就是技术。

虽然大多数人并不真正知道买个打印机做什么,但是伴随着专利过期带来的成本下降,短短几个月内,3D打印火遍南北半球,妇孺皆知,谈必3D打印,否则你就落伍了。成百上千的生厂商在世界各地成立,并纷纷挤入市场。

然而,只是靠话题是不足以长期保持兴奋的,不时还需要再来点刺激,比如说在成本、速度、精度等方面有重大突破的新技术,比如:

Carbon(原名Carbon3D),以号称百倍于竞争技术的速度,和近乎连续过度的层厚精度而被大众所熟知。由红杉、Google等企业投资1.4亿美金。Carbon至今已经发布了两款设备,M1和M2,其成形速度和精度确实有很大的提高,当然价格也很前卫。

CLIP 3D打印

图1 Carbon3D技术示意图

最近刚发布新产品的Desktop Metal,也是被谷歌、宝马等明星企业投资,融资的总额接近于1亿美金。宣传中号称打印速度百倍于其他竞争技术,而在成本上也碾压对方。

这次共发布了两款设备,其中一款Studio是面向个人或者小企业用户,基本原理是将金属粉末与聚合物预成型的丝材加热,聚合物熔化并将混合物挤出,基本上是FDM的一个高配版。

Desktop Metal

图2 Studio打印示意图(Desktop Metal)

第二款设备是面向生产企业用户,基本原理是将金属粉末铺设在平台上,而后打印粘结剂,高温熔化粘结剂形成坯件,最后在烧结炉中烧结得到所需材,原型在一定程度上属于粘结剂喷射成形技术,延续了MIT的原有技术。

Desktop Metal

图3 Production系列成形过程示意(Desktop Metal)

采用改版的粘结剂烧结技术成形金属,有其利弊。对比于EBM与DMLS技术,的确具有速度、成本上的优势,但是对比于高真空成形环境下金属器件的质量(强度、致密度),却并不能同日而语。而在没有同样评价标准的前提下,谈速度、谈成本都是不公平的。所以,我们要谈标准。

当然,技术本身没有优劣,有的只是是否找到了最合适的另一半——应用市场。

应用稳定发展

驱动一个公司的发展,可以是技术,也可以是市场。有了技术,未必就有市场;但是满足了市场的技术,一定能够大展拳脚。

近几个月来3D打印领域出的新闻,已经逐渐转移到了3D打印技术的应用。无论是作为飞机的心脏的发动机的燃油喷嘴(GE Leap 发动机),还是高温高负载的燃气轮机叶片,还是各种为患者量身定制的医疗领域,抑或是文娱领域纽约时代广场上的微缩王国Gulliver's Gate,一个集聚了100多个国家的各个地标的场所。我们的注意力都被吸引到了最后的应用领域。

Gulliver’s Gate

图4 Gulliver’s Gate街景

3D打印是人类发明的非常了不起的一个工具,它可以让计算机上的数字模型,以三维实体的形式真实的展现在我们面前。可以给不会、不愿意使用传统工具的人多一个选项。

只有找到合适的应用场所,工具才称得上是工具。

时刻铭记着3D打印的优势在于提供个性化、小批量、高复杂度产品的订制,就不会偏离3D打印的市场太远。就如Carbon一直寄希望于工业领域可以大量的购入其服务;但工业领域却是依赖于传统批量制造带来的规模效应。而当前,Carbon与Adidas共同合作,采用3D打印订制鞋子不失为一种正确方向的探索。

3D打印鞋子

图5 Carbon为Adidas打印的鞋子

很多企业在弹尽粮绝之后,终究明白,市场应用才是正道,刚性需求才是王道。

标准保障发展

商鞅变法,统一度量衡,故而大秦一统天下。

3D打印,发展已过三载,纵然经历了近几年技术带来的市场喧嚣,但终究还是回归了理性,回到以市场需求为出发点。然而应用的发展,离不开技术的规范;而技术的规范,离不开标准的制定。

当今的3D打印市场上,可以说是有多少家设备生产商,就有多少种标准。

标准制定对于行业发展的推进作用是毋庸置疑的,噪音减少了有效的信息就会更多的显现出来,从而更加有利于企业针对性的解决问题。

近日,ASTM F42标准委员会又提出了15项规范3D打印发展的行业标准,分别是:

1)金属粉床熔融成形中粉末生产技术参数指南Guide for Creating Feedstock Specifications for Metal Powder Bed Fusion

2)(3D打印)加工周期参数存储指南Guide for Storage of Build Cycle Technical Data

3)金属粉床熔融成形加工件的后续热处理技术参数Specification for Post Thermal Processing of Metal Powder Bed Fusion Parts

4)金属粉床成形中使用的气体及制氮机技术参数指南Guide for Specifying Gases and Nitrogen Generators Used with Metal Powder Bed

5)粉床熔融成形中金属粉末的装填与存储指南Guide for Receiving and Storing of Metal Powders Used in Powder Bed Fusion

6)金属粉床熔融成形工艺中粉末回收的实践标准Practice for Metal Powder Reuse in the Powder Bed Fusion Process

7)金属粉床熔融成形设备的清洁指南Guide for Cleaning Metal Powder Bed Fusion Machines

8)粉床熔融成形中金属粉末的废弃处理指南Guide for Disposal of Metal Powders Used for Powder Bed Fusion

9)金属粉床熔融成形设备的安装确认(IQ)、运行确认(OQ)和性能确认指南(PQ)Guide for IQ, OQ and PQ of Metal PBF Machines

10)金属粉床熔融成形工艺的数据流控制实践标准Practice for Digital Data Workflow Control for the Metal Powder Bed Fusion Process

11)金属粉床熔融成形零件的加工计划指南Guide to Establish Manufacturing Plan for Metal Powder Bed Fusion Production Parts

12)通过金相分析确定金属粉床熔融成形中样品与零件的孔隙指南Guide for Metallographic Evaluation of Metal Powder Bed Fusion Test Specimens and Parts to determine porosity

13)金属粉床熔融成形零件制造过程操作人员培训项目创建指南Guide for Establishing a Personnel Training Program for Metal Powder Bed Fusion Part Production

14)金属粉床熔融成形设备制定维修以及维修指南Guide for Creating Maintenance Schedules and Maintaining Metal Powder Bed Fusion Machines

15)金属粉床熔融成形设备及其附属系统的校准指南Guide for Calibrating Metal PBF Machines and Subsystems

这些标准的制定,在不针对具体任何一种成形工艺的前提下,规定了成形工艺中操作人员的培训流程、粉末材料的准备/回收/处理,以及样品的后处理和质量检验。这些规定并没有真正触及到3D打印工艺的核心,但是已经可以为设备、工艺的研发提供很好地质量保障。个人与企业,参与、了解标准的制定,对于企业、个人、行业的发展都是有积极的推动作用。

总结

标准、应用与技术,这三者在发展中改变,改变中发展着。

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