惠普 3D 打印技术的演变：从聚合物到金属 AM

惠普正在全速推进其 3D 打印战略。自 2016 年首次涉足增材制造 (AM) 以来，该公司已推出多种聚合物 3D 打印系统，并在最近推出了 Metal Jet 技术。

为了跟上惠普 3D 打印的进步，下面我们将探讨其技术的发展及其对 3D 打印行业未来的意义。

涉足 3D 打印

从经济、技术和劳动力的角度来看，3D 打印有很多进入壁垒。

例如，许多工业3D打印机在速度和效率方面仍然落后于传统设备。然后还有一个陡峭的学习曲线来掌握 AM。但采用的最大障碍可能在于将 AM 投入生产所需的大量投资。

惠普通过为公司提供更快的构建速度、高质量的功能部件和突破性的经济性，开始了使 3D 打印大众化的增材制造之旅。

这一旅程促成了 Multi 的推出2016 年的 Jet Fusion。

HP Multi Jet Fusion (MJF) 是一种粉末床融合 (PBF) 技术，这意味着它使用塑料粉末来制造零件。 MJF 过程首先在打印机床上散布一层薄薄的粉末。

一种专为吸收红外线能量而设计的定影剂，沿着零件的轮廓喷射穿过床层。

此步骤之后是应用红外光加热具有定影剂的区域，在这些区域熔化和定影粉末。一层一层地重复这个过程，慢慢地建立零件。

凭借其 MJF 技术，惠普推出了聚合物 PBF 3D 打印的新标杆。一方面，与选择性激光烧结 (SLS) 等类似工艺相比，MJF 机器可实现更一致的机械性能、更快的加工速度和更高的精度。

在比较 MJF 和 SLS 零件的成本时，Xometry、一家在线制造市场发现，使用 MJF 生产零件的打印成本比 SLS 同类产品低 30%。由于 HP MJF 打印机能够同时打印多个零件，因此这种差异会随着零件体积的增加而增加。

正在迈向工业化聚合物 3D 打印

在许多方面都具有革命性意义，惠普的 MJF 技术从一开始就面向功能原型设计和批量生产。

该公司的第一台 Jet Fusion (JF) 3D 4200 系统于 2016 年底推出，被誉为同类 PBF 系统中最好的小批量生产机器之一。

由打印机、冷却站和两个构建单元组成，JF 4200 系统旨在尽可能简化打印和后处理步骤。

可互换的构建单元特别有用，因为它们允许连续打印过程，因为它们能够在打印完成后立即从打印机移动到后处理站进行冷却和清洁。

该系统因注重生产和质量而获得市场好评。例如，全球制造即服务平台 3D Hubs 的 2018 年第二季度数字制造趋势报告将 HP Jet Fusion 3D 4200 根据其打印机质量评级排名第二，该机器在就当年生产的零件数量而言。

在应用方面，JF 4200 系统的能力是广泛的。它可以用于任何事物，从功能原型到工具，再到最终用途零件的短期生产。

JF 4200 系统的一个显着例子是去年惠普宣布与 SmileDirectClub 合作，SmileDirectClub 是透明牙齿矫正设备制造商，称为透明矫正器。

通过此次合作，SmileDirectClub 安装了 49 台 HP Jet Fusion 3D 打印系统，每天可生产超过 50,000 个独特的模具。然后使用这些模具铸造透明矫正器。

凭借其技术，惠普 3D 打印已帮助 SmileDirectClub 加速发展并满足不断增长的客户需求。

进入全彩 3D 打印领域

继 JF 4200 系统发布后，下一个重大公告于 2018 年投放市场，推出了全彩 3D 打印机系列 Jet Fusion 300 / 500。

准确，负担得起的彩色 3D 打印是许多制造商的最终目标，其中许多制造商花费无数小时之后染色他们的 3D 打印件 他们已经离开了打印床。一个更好的解决方案——但成本高且仅适用于一系列 AM 系统——就是简单的全彩色 3D 打印对象。

由惠普开发的新系列补充了其现有的系列工业 3D 打印机目前只能打印灰色，为中小型产品开发人员提供了负担得起的选择。

通过将全彩 3D 打印带到桌面上，新系列也成为了明显的竞争者Stratasys 和 3D Systems 的现有机器。

下一阶段：批量增材制造

据报道，惠普在 2018 年实现了利用其技术生产 1000 万个零件的里程碑。但该公司不想就此止步。惠普想要更进一步，开启 3D 打印批量制造的新水平。

在批量生产中使用 3D 打印是过去几年塑造行业的主要趋势之一。随着公司发现该技术在生产中的更多应用，他们需要能够支持不断增加的产量的解决方案。

虽然市场上的许多参与者一直在开发旨在提高吞吐量的解决方案，但可以说没有一个像惠普一样快节奏。

2019 年对惠普来说又是重要的一年，因为它推出了新的以生产为重点的 5200 系列 MJF 3D 打印机。

虽然500/300系列3D打印机以功能原型为目标，4200系列以小批量生产为目标，但最新系列标志着惠普3D打印历史的新篇章——批量制造具有准确性和可重复性，类似于注塑成型。

5200 系列最显着的特点之一是 5200 3D 打印机内灯的升级功率。这使新系统能够在一次通过中熔化粉末，而不是以前系统中的两次通过模式。因此，该系统的生产率提高了 40%，并为高温材料的 3D 打印开辟了可能性。

几家公司已经将惠普的 Jet Fusion 5200 系统用于生产应用。一个例子是风力涡轮机制造商维斯塔斯，它正在使用该技术和 TPU 材料为其风车叶片生产保护组件。

此外，加拿大头盔制造商 Kupol 也在与该系统合作，以 3D 打印更安全、更舒适的头盔。惠普本身正在利用其技术为其其他印刷机生产组件。

显然，新系统显着拓宽了惠普的增材制造业务，使其客户能够真正利用数字制造。

HP 的 3D 打印材料路线图

HP 的 3D 打印路线图已逐渐带领公司从原型设计和小批量生产到批量增材制造。

虽然硬件在这一进程中发挥了重要作用，但如果没有，这将是困难的如果没有新材料的持续开发，就不可能充分利用 MJF。

当 MJF 于 2016 年首次推出时，该技术仅限于一种材料 - 聚酰胺 12 (PA12)，也称为尼龙。渐渐地，惠普一直在扩大其材料组合，以包括更广泛的热塑性塑料。

例如，4200 系列现在可以打印不同类型的尼龙，包括 PA 11 和 PA 12 玻璃珠、40% 玻璃珠填充尼龙，以及柔韧柔软的 TPU材料。

虽然这些材料中的大部分都可以在最新的 5200 系列中使用，但最近专门为最新的 3D 打印机推出了一种材料聚丙烯 (PP)。

与巴斯夫合作开发的 PP 是一种多功能、耐用且耐化学腐蚀的热塑性塑料，与注塑成型中常用的 PP 具有相同的特性，包括耐化学性、低吸湿性和长寿命。期限耐久性。

由于具有这些特性，PP 特别适合汽车、消费品、工业和医疗领域的客户。

惠普材料的高度可重复使用性

惠普材料特别令人兴奋的一点是它们的高度可重用性。

在聚合物 PBF 中，围绕打印部件的粉末与用于打印部件的材料相同，而且往往价格昂贵。当然，如果粉末可以 100% 重复使用，这将不成问题，而目前这是不可能的。

一个原因是，在 PBF 工艺中，聚合物会长时间暴露在高温下周期，从而发生化学变化，使它们的烧结特性更难以预测。目前，解决这个问题的唯一方法是将“用过但未熔化”的粉末与原始粉末混合，以便重复使用。

在 SLS 工艺中，只有大约 30% 到 50%的粉末可以回收利用，而 MJF 则可以重复使用多达 80% 的粉末。这种高水平的粉末可重复使用性是通过材料创新实现的。

例如，HP 3D 高可重复使用性 PA 122 的设计旨在避免材料随着时间的推移暴露在温度下时分子生长。这些材料被称为中低反应性材料，可重复使用高达 80% 且不会降解材料，因此不会影响零件质量。

HP 计划继续扩大材料种类更进一步，提供更广泛的热塑性塑料系列，包括具有阻燃特性的热塑性塑料、弹性体、聚酰胺、商品塑料和高性能材料。

这一进展的关键将是 HP Multi Jet Fusion 开放平台，该平台邀请化学公司在材料开发方面进行合作，以加速材料创新。

新领域：金属 3D 打印

在聚合物 3D 打印市场上相对较短的时间里，惠普已经确立了自己作为敏捷和雄心勃勃的颠覆者的地位。现在，该公司正走向下一个前沿领域——金属 3D 打印。

于 2018 年推出，其添加剂产品的下一个扩展是金属喷射 3D 打印系统，由粘合剂喷射技术提供支持。

在金属粘合剂喷射中，有选择地施加液体粘合剂以逐层接合粉末颗粒。

该过程首先散布一层薄薄的粉末，打印头有策略地将粘合剂液滴沉积到粉末床上。然后印版下降，另一层粉末散开。

然而，惠普引入这项技术的独特优势在于其创新的打印头和墨水技术。

尽管粘合剂喷射技术本身速度很快，但惠普已应用其打印头技术知识使其更快。 Metal Jet 系统配备 6 个打印头，每个打印头有 5,280 个喷嘴。拥有这些多排喷嘴可为打印机带来更高的生产率和可靠性。

此外，通过利用其在墨水技术方面的专业知识，惠普开发了一种创新的粘合剂，使烧结过程更快、成本更低。

‘对于金属注射成型，通常有超过 10% 的粘合剂必须烧掉。在我们的案例中，我们有不到 1%，这是一个数量级的减少，使其更快、成本更低且更容易烧结”，惠普全球金属主管蒂姆韦伯在接受 AMFG 采访时说.

这些进步相结合，形成了金属 3D 打印机，据说其经济性和效率可与传统生产技术相媲美。

不过，HP 尚未出售该机器。相反，该公司推出了零件生产服务，希望在 2021 年将 3D 打印机投入市场。

考虑到惠普对 Metal Jet 的声明，这项技术可能成为开启可持续发展的关键大批量生产中金属 3D 打印的价值主张。

一个可以从这项技术中受益的行业是汽车。两年来，大众汽车一直在与惠普合作开发金属 3D 打印技术，希望将 Metal Jet 打印的结构部件（例如换档旋钮和后视镜支架）集成到下一代汽车中。

推动数字化制造

HP 可能不是 3D 打印行业中最老的玩家，但事实证明，它是一心想成为市场领导者的玩家。

这方面的证据不仅是惠普雄心勃勃的 3D 打印路线图，还有其对其技术的完全信心。例如，这种信心使惠普能够将 3D 打印用作其供应链的一部分，为其 3D 打印机生产零件。

该公司自那时起就一直押注 3D 打印作为一种数字制造技术它首先测试了这个行业的水域。现在惠普正在增加其在 3D 打印方面的发展势头，很高兴看到它将在公司和行业中处于领先地位。