3D打印第一定律:速度定律

3D打印要进入规模化的工业应用,单位产品的生产成本需要进一步降低,而3D打印工艺的生产成本主要可以归于原材料和成形速度两方面。材料工艺的改进从时间和资金的消耗上都是巨大的,因而当前的创新主要来自于成形速度的提升,而这一方向的创新也促成了明星企业。

我们将当前3D打印成形的全过程分为3个因素:

1)材料供给(包括铺粉、树脂回流等);

2)材料融合(包括粘结、光固化、烧结、熔化);

3)后期处理(包括烧结、热处理等)。

3D打印的成形特性是点连成线、线聚成面、面叠成体,越接近底层所能控制的精度和参数越多,而成形速度也会越慢。

举个简单的例子:对于零件颜色的控制,假设我们希望控制每个点的颜色,就需要在打印的过程中为每个点喷涂不同的色素,那么所需要消耗的时间就相当可观;而如果我们只是整体达到一种颜色,那迅速的在染缸里面浸染一下就可以了。

3D打印第一定律:速度定律

在决定速度的环节,将打印方式从低维升到高维(点到线,线到面,面到体),就可以大幅度的提升打印速度。

对于这个定律,靖哥以业界三家知名公司的产品来做解读。

案例1:Carbon(CLIP技术)

成形主要影响因素:材料供给——光敏树脂的回流。

SLA、DLP成形工艺的光固化速度已经可以达到几秒钟一层,而当前限制该工艺速度的主要因素在于材料供给。材料供给的过程又分为两步:

1)成形件与透光板分离;

2)光敏树脂回流填充真空区。

Carbon主要的工作在于第一步,成形件与透光板的分离。在Carbon产品发布之前,SLA/DLP的分离过程主要是借助透光板上镀的PDMS等材料的薄膜。该薄膜辅助打印好的材料从底板上剥离,一般会采用倾斜底板的方法。这种分离方式实际是线分离,因为在每一个时刻都有一条线正在与底板分离。这样做的主要目的是降低张力,避免成形件被损伤。

Formlabs 3D打印

图1 Formlabs打印中成形件与透光板分离方式

而Carbon创新的核心之处就在于其实现了从线分离到面分离,一层永久的液态层(图2中Deadzone)降低了分离时所承受的张力,而将速度大幅度提高(虽然未到其号称的100倍速度)。

Carbon 3D打印

图2 Carbon CLIP技术光固化过程

Carbon的成功之处在于实现了分离过程的线到面的升级。然而,Carbon并没有因此而横扫天下,垄断光固化成形领域。这并不是因为成本,也不是Carbon对竞争对手的仁慈,实在是力不从心。原因归咎于我们讲到光固化影响成形速度的第二点,光敏树脂回流填充真空区。而这一点,到目前为止,行业内都没有很好地解决方案。在做极度的简化模型下,我们来看光敏树脂回流速度。当成形平台移动,在液槽内形成一个真空时,周边的树脂会填充这个真空,所有的树脂需要从边界流入到真空区域(图3)。假设成形速度和边界成正比。在这个简单假设的前提下,我们看到,填充的时间是和边界的尺寸成正比(实际大面积的边界填充时间大于线性增长),因而越大的成形平台,液体回流时间就越长。

光固化3D打印

图3 光固化树脂回流时间简化公式

所以,如果Carbon用更大的成形平台,那么限制成形速度的因素就从步骤1转到了步骤2,从而导致CLIP技术的优势丧失殆尽。因此,即便Carbon非常渴望能够实现大尺寸的成形,但是也只是在Z轴方向不断地加长,离真正的工业应用需求还有一大步。可以料到,Carbon工程师正在攻坚的任务也就集中在此了(而这显然也具有巨大的研究和商业价值)。

案例2:HP(MJF技术)

成形主要影响因素:材料融合——尼龙粉末的烧结。

在粉床熔融/烧结工艺中,当前限制成形速度的最大因素就是高能束流的扫描过程。当前主流设备的方案都是采用矢量的线扫描工艺,因而成形时间大约和成形零件的面积成正比。

SLS 3D打印

图4 SLS技术中激光矢量扫描工艺

而惠普3D打印使用喷头对所选择区域的尼龙材料进行了预处理,从而在烧结过程中可以实现面烧结,实现了线到面的烧结速度提升。

惠普3D打印

图5 HP多射流熔融过程

当然,这种方法并不完美,材料的吸收与颜色以及喷射的材料息息相关。当前HP展示的进行强度测试的主要是黑色的样品,而能够给用户发货的设备打印的也都是单色材料。要达到HP许诺实现的全彩打印,实际困难才刚刚开始。但是在高速单色(黑色)打印上,HP毫无疑问走在了正确的道路。

案例3:DM(DesktopMetal)

成形主要影响因素:后期处理——烧结过程

DM在宣传片中,强调了其成形速度超过当前金属3D打印设备成形速度100倍,显然他们挑选的是成形采用线扫描因而速度较慢,但是强度、精度很高的SLM/EBM技术。按照他老人家这比较方式,硬要说柠檬比西瓜好,我们也就呵呵一下。

DM的成形速度提升真实的是在其烧结工艺,尽管他们自己宣传的是打印过程。与峰华卓立、Exone、Voxeljet这些粘结成形3D打印公司设备比较起来,DM的成形过程并未见到突破性创新之处,虽然DM讲到将会使用全尺寸(与成形平台同宽)的打印机喷头,一次通过,打印成形区域。然而真要说这样就提高了打印的速度,我们就只能再次友尽了。口袋有钱这事好像谁不会做一样。

DesktopMetal 3D打印

图6 DM全尺寸打印喷头打印过程

至于铺粉过程如何完成,宣传片里面影影绰绰、”犹抱琵琶半遮面”的方式只能让靖哥理解是这事内部还没有达成一致。按照媒体宣传的通过喷头来送粉的方式直接违背了第一定律,并不可取。当前生产工艺中的铺粉方式可以理解为是线铺粉工艺,而要将其降维到点铺粉,在速度、可靠性上都是很大程度的降低,大约的确只是做宣传罢了。

DesktopMetal 3D打印

图7 DesktopMetal铺粉过程

真实能够实现提速的,也许就在于其后处理中的烧结工艺,而该公司团队中的技术人员,大多数也是在材料领域,这也很合理。采用微波辅助电阻式加热,能够迅速的实现温度的提升至上千摄氏度(约1400 ℃)。电阻式加热,热量传递从外向内;而微波式加热,热量传递从内向外。二者结合,可以实现更加均匀的温控和快速的烧结。

DesktopMetal 3D打印

图8 DM后处理微波辅助烧结

当然,这方面的挑战并不容小觑。微波加热吸收功率并非线性变化,在超过一定温度时,材料会极速加大吸收率。因而当上百只零件放在一起加热时,如果不能保证温度的均匀性,那么可能先升温的零件会被熔化掉,而周边的零件还处于低温状态,带来的是灾难性的后果。(靖哥曾用改造过的厨用微波炉,烧结陶瓷材料,一不小心就把陶瓷烧熔化了,熔点1100 ℃)。而欧洲做这方面研究的院所,所使用的功率、温控闭合回路的设备,据悉价格也是在50万美金级别。因而,在整体成本的考虑下,DM要做到消费者级别的桌面金属打印机,也许只是一个DreaM吧。但是,选择从线到体的整体烧结思路,总的方向是对的。

总结

3D打印的前景是良好的,因为人类个体是不同的,喜好、需求也不同。工业化、规模化的应用3D打印,还需要将成本进一步的降低,速度进一步的提升。遵循3D打印的定律,距离找到提升打印速度就更近了一步。

3D打印第一定律:在决定速度的环节,将打印方式从低维升到高维(点到线、线到面、面到体),就可以大幅度的提升打印速度。

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