聚合物 3D 打印：2021 年您需要知道的一切

深入了解聚合物 3D 打印：技术、有前景的发展、应用等。

随着主要化工公司现在加入 3D 打印世界，并且行业中流砥柱正在进一步提升该技术的能力，聚合物 3D 打印得到了巨大的推动。

为了跟上最新发展，下面我们将深入探讨聚合物 3D 打印领域最激动人心的创新以及该技术带来的机遇。但首先，让我们探索一下跨行业使用的常见聚合物 3D 打印技术。

聚合物 3D 打印：技术

聚合物 3D 打印机在 3D 打印硬件领域占据主导地位。他们在各个方面都处于领先地位：出货收入、安装基础以及该领域发生的发展数量。

聚合物 3D 打印预计在 2020 年创造了 117 亿美元的收入，这一数字包括硬件、材料和 3D 打印部件的总销售额。

下面，我们来看看推动这种增长的关键技术。

瓮聚合

立体光刻

1980 年代立体光刻 (SLA) 的出现标志着 3D 打印时代的开始。 SLA 是生产具有出色表面光洁度的美观零件的理想技术。由于其精度和高分辨率，SLA 零件主要用于成型和配合概念模型或作为成型应用的主模型。

SLA 依赖于液体光固化树脂。它们通过紫外线激光逐层选择性固化，使树脂固化。

虽然 SLA 零件提供出色的表面光洁度，但它们的耐用性往往不如使用其他增材技术生产的零件。此外，由于 SLA 材料对紫外线很敏感，它们的机械性能会因过度暴露在阳光下而发生变化，从而使其不适合户外使用。

SLA 光敏聚合物有多种颜色可供选择以及多种特殊材料（可浇注、耐用、耐高温、医疗级）。

SLA 的材料选择不断扩大。在过去的 12 个月里，我们听到了许多来自 Formlabs、Henkel、Zortrax、DSM 等公司的关于新 3D 打印树脂的公告。

从最近的消息中可以提炼出的是，3D 打印树脂的发展达到了一个新的水平：公司非常专注于先进的应用，尤其是在医疗、牙科和工程领域。

另请阅读：用于数字牙科和透明矫正器制造的 3D 打印

材料挤压

FDM/FFF

熔融沉积成型 (FDM)，也称为熔融长丝制造 (FFF)，是最流行的工业 3D 打印方法之一。据市场研究公司 CONTEXT 称，2020 年此类机器的出货量最大，达到近 1.5 亿美元。

FDM 在 1990 年代开始商用，作为一种经济实惠且用户友好的原型技术。从那时起，FDM 不断发展以提供更高的可靠性、准确性和材料选择，使其适用于许多生产应用，例如制造辅助工具。

另请阅读：机舱 3D 打印

FDM 使用热塑性长丝，这些长丝通过喷嘴一次一层地挤出到打印平台上。 FDM 部件的主要限制之一是各向异性，这意味着它们的机械性能在所有空间维度上并不相同。这可能会导致部件变弱。

此外，与 SLS 或 SLA 等其他 3D 技术相比，FDM 的打印速度较慢，因此通常不适合批量生产。

今天，制造商可以使用各种 FDM 长丝，从弹性 TPU 到耐用和增强的 ABS 以及 PEEK 等高性能材料。随着生产级热塑性塑料的出现，FDM 成为生产功能性、耐用产品的理想选择。

粉床融合

选择性激光烧结

选择性激光烧结 (SLS) 是一种增材制造工艺，涉及使用强大的激光熔化塑料粉末材料。 SLS 结合了高精度、速度、可靠性和无支撑结构，可用于功能原型设计和小批量生产。

SLS 通常使用聚酰胺（尼龙）粉末，除了柔性 TPU 材料之外，PA11 和 PA12 是两种最常用的聚酰胺。

然而，公司不断增加新的材料产品。例如，赢创在 2018 年发布了全球首款用于 SLS 的柔性塑料 PEBA 基（聚醚嵌段酰胺）粉末。

除了经过认证的 PEEK 材料外，德国 3D 打印机制造商 EOS 还为其 SLS 系统提供了碳纤维增强的 PEKK 热塑性塑料。据称，这种新型 PEKK 热塑性塑料能够替代航空航天和工业应用中的铝制部件。

值得注意的是，EOS 目前是唯一一家提供能够加工高性能热塑性塑料（如 PEEK 和 PEKK）的 SLS 系统的制造商——EOS P800。

从历史上看，公司获得 SLS 技术的成本更高（成本高达数十万美元）。然而，在 2014 年，该技术的专利到期，出现了更实惠的替代品，例如 Formlabs Fuse 1 台式 3D 打印机。

多射流聚变

自 2016 年推出市场以来，惠普的 Multi Jet Fusion (MJF) 为工业级功能部件和原型的生产开辟了新的维度。

与 SLS 一样，该技术使用尼龙粉末。然而，MJF 不使用激光，而是通过在每一层粉末上滴下熔化剂，然后通过红外光源熔化来进行操作。

与 SLS 相比，由于 HP 的创新后处理站，MJF 提供了更快的工作流程，可加快冷却过程并有助于去除粉末。 Jet Fusion 300/500 系列还提供全彩 3D 打印功能。

HP 的 Multi Jet Fusion 有一些限制，例如，其目前的材料选择有限（PA11、PA12、PA12 填充玻璃珠）。

但是，惠普提倡开放平台模式，鼓励与材料开发商合作。通过这种方式，惠普已与包括赢创、巴斯夫和路博润在内的 50 多家公司合作，致力于开发适用于该技术的新材料。

另请阅读：

–惠普 3D 打印技术的演变：从聚合物到金属 AM

–AMFG 和 HP 兼容性推动了 AM 系统连接

材料喷射

材料喷射是一种喷墨打印过程，涉及将液体光反应材料逐层沉积到构建平台上。与 SLA 类似，材料喷射使用树脂，在紫外线下固化。

材料喷射的主要优势之一是能够在打印过程中结合两种或多种光敏聚合物，从而产生具有混合特性的部件（例如将刚性与柔韧性相结合）。此外，该技术能够生产全彩零件，这使其成为具有最终产品外观的原型的理想选择。

材料喷射中使用的树脂与 SLA 中使用的树脂相似，但具有较不粘稠的墨水状形式。它们的成本通常也更高。

该技术的局限性之一是打印部件的机械性能较差，这使得材料喷射部件通常不适合功能性应用。

聚合物 3D 打印：机遇和应用

使用聚合物材料的工业 3D 打印为生产和产品开发部门带来了广泛的可能性。下面，我们概述了其中最突出的。

快速原型制作

原型制作仍然是聚合物 3D 打印的主要应用领域之一。随着 3D 打印技术的发展，现在可以更快地生产原型，它们更耐用且更具视觉吸引力。

汽车行业据说在 2017 年购买了最多数量的打印机，是用于原型制作的聚合物 3D 打印的主要用户。在这里，各种 3D 打印技术都被用于形式和配合，以及功能、测试和验证。

一个例子是奥迪，它使用 Stratasys 的 J750 PolyJet 3D 打印机为其汽车设计和验证零件，例如尾灯罩。

作为一种全彩色、多材料工艺，Stratasys Polyjet 3D 打印允许构建具有最终产品外观的物理原型，从而大大简化和加速产品开发过程。

在赛车运动领域，3D 打印是生产用于赛车测试的功能部件的首选技术。例如，阿尔法罗密欧索伯 F1 车队广泛使用 SLS 和 SLA 3D 打印来生产零件，包括前翼、制动导管和悬架罩，以及风洞汽车模型的发动机罩、内部导管和手导板。

更高效的工具

用于工具的 3D 打印已成为该技术最有前途的用途之一。从夹具和固定装置到熔模铸造模型，聚合物 3D 打印为更快、更便宜和定制工具打开了大门。

通常，由于 FDM 和 SLA 技术的相对经济性和易用性，公司会转向使用 FDM 和 SLA 技术来生产工具。

据报道，汽车制造商福特正在使用 Ultimaker FDM 3D 打印机来创建定制工具。

好处也超出了负担能力。根据福特的技术负责人 Harold Sears 的说法，3D 打印“通过为操作员制造更符合人体工程学的工具来帮助人们完成工作。这可能是一种软性好处，但如果操作员在工作时更快乐、更自在，那肯定会有所帮助。他们也会做得更好，这只会提高质量。”

此外，目前可用的 3D 可打印热塑性材料有时甚至足以取代金属工具，这使得组装过程更加容易并降低了定制工具的成本。

医疗应用

医疗行业是聚合物 3D 打印的早期采用者之一。今天，该技术已经在该领域找到了多种用途，从 3D 打印的手术导板和工具到用于术前计划的人体器官复制品。

3D 打印越来越多地用于直接生产定制医疗设备，包括低成本假肢和牙科设备，如内衬和牙桥。

3D 打印已完全改变的行业领域之一是助听器。如今，全球 90% 以上的助听器都是使用 SLA 3D 打印技术制造的。

自疫情爆发以来，聚合物 3D 打印也已成为生产呼吸机阀门、安全护目镜、防护面罩和测试拭子的可行技术。

另请阅读：医疗保健领域的 3D 打印：2021 年我们在哪里？

定制消费品

消费品公司越来越多地将塑料 3D 打印视为大规模定制的一种选择。由于 3D 打印不需要劳动密集型和昂贵的工具，并且可以经济高效地创建复杂的对象，因此可以生产为消费者量身定制的个性化产品。

探索 3D 打印的一个品牌是 Dr. Scholl’s，它是足部护理产品的供应商。它与技术公司 Wiivv 合作制作定制的 3D 打印插件。

使用 Wiivv Fit 技术，Scholl 博士提供了一个定制应用程序，可以用几张手机照片在每个用户的脚上绘制 400 个点。虽然这个过程只需要不到五分钟的时间，但可以设计插入物，然后按照客户脚的确切规格进行打印。

另请阅读：
• 鞋类 3D 打印

• 3D 打印使消费品行业受益的 5 种方式

令人兴奋的聚合物 3D 打印技术发展

3D 打印行业在开发新的聚合物 3D 打印技术和改进现有技术方面正在取得飞跃。下面，我们概述了聚合物 3D 打印领域最近最重要的技术发展。

EOS 新的 LaserProFusion 技术

EOS 在 Formnext 2018 上宣布的 LaserProFusion 技术是一种创新的聚合物 3D 打印技术，正在开发用于实现连续增材生产。该工艺依赖多达 100 万个输出功率高达 5kW 的二极管激光器来打印塑料材料。

据称，借助这项技术，制造过程的速度提高了 10 倍，从而实现了与注塑成型相同的生产率水平。

尽管尚不清楚该系统何时投入市场，但该公告是 3D 打印技术产业化的又一指标。

高速光聚合

光聚合，包括 SLA 和 DLP 工艺，在过去几年中取得了重大进展。

这项技术作为大规模制造工艺一直在向前发展，而最近引入的高速光聚合只是加速了这一趋势。

该领域几乎所有主要参与者都推出了能够打印接近注塑成型量的功能性树脂部件的系统。

2014年，Carbon推出了高速数字光合成技术，发展成为能够以20厘米/小时的速度打印的M2 3D打印机。

另请阅读：Carbon 的联合创始人 Philip DeSimone 关于通过 3D 打印实现大批量生产

2016 年，3D Systems 公布了其对高速、自动化 SLA 的看法——Figure 4 系统。最新数据亮点图 4 生产部件打印速度高达 65 毫米/小时，原型制作速度高达 100 毫米/小时。

其他公司紧随其后，包括 EnvisionTEC（被 Desktop Metal 收购）、Nexa3D、Origin（被 Stratasys 收购）和 NewPro。

长期以来，3D 打印的处理速度一直是其最弱的方面之一。这尤其是在由大规模批量生产驱动的行业（例如汽车和消费品）中采用的障碍。在这些行业中，产品需要在尽可能短的时间内制造和交付，以保持生产效率。

现在，随着高速聚合技术的进步，想要以更高的产量 3D 打印零件的制造商有了一个可行的选择。

Rize 的增强型聚合物沉积 (APD) 技术

消除后处理一直是 3D 打印行业的一个长期梦想——而 Rize 的技术有望消除后处理的痛点。这家总部位于美国的 3D 打印机制造商开发了混合增强聚合物沉积 (APD) 技术，该技术将材料挤出与喷墨相结合。

这种组合可以打印支撑结构，一旦打印过程完成，就可以轻松地用手将其移除，而无需任何进一步的后处理操作。

APD 技术已被用于制造各向同性、全彩色、工业强度的零件，用于原型制作、工具和生产应用。

去年，该公司还推出了一项新功能，用户可以借助该技术在零件上 3D 打印安全信息，如二维码或条形码。例如，这将允许工程师以数字方式存储特定部件的所有信息，维护数字库存。

BigRep 的大型 FDM 3D 打印

在工业应用中更广泛地采用 FDM 的主要障碍之一是构建外壳的大小。这是德国公司 BigRep 反复尝试通过其庞大而强大的 3D 打印机系列来克服的障碍。

在 formnext 2018 上，BigRep 推出了两款面向工业用途的下一代 3D 打印机——BigRep PRO（1005 x 1005 x 1005 毫米）和 BigRep EDGE（1500 x 800 x 600 毫米）。

这两个系统都配备了专有的计量挤出机技术 (MXT)，这使它们有别于其他大规模选项。这种新的挤出机技术在长丝进料、熔化和挤出之间实现了清晰的分离，从而实现了更快的打印速度和更高的精度和质量。例如，与市场上其他 FDM 机器相比，据说 BigRep PRO 的长丝吞吐率是其五倍，平均挤出率是三倍。

MXT 经过优化，可与 BigRep 与德国化学公司 BASF 合作生产的 ASA/ABS 和尼龙等专业级材料配合使用。

值得注意的是，BigRep PRO 结合了博世力士乐最先进的 CNC 控制系统和驱动器，支持物联网和数据处理功能。这最终将有助于加速打印机融入工业 4.0 愿景。

更多相关信息：4 个令人印象深刻的大规模 3D 打印应用

Evolve 的 STEP 技术

越来越多的 3D 打印机制造商将目光投向了大规模生产，Stratasys 衍生的 Evolve Additive Solutions 也不例外。

经过近十年的发展，该公司去年推出了新的聚合物生产速度“STEP”（选择性调色剂电子照相工艺的缩写）技术。

Evolve 的 STEP 工艺提供了一种通过增材制造进行批量生产的新方法，尤其是因为据说它比可用的最快 3D 打印技术快 50 倍。

更重要的是，该公司声称该技术能够生产出质量与传统方法相当的零件，不仅在美观方面，而且在强度方面。此外，STEP 技术提供多材料和全彩色打印功能。

尽管 Evolve 距离商业化还有两年时间，但他们的技术将是一项值得关注的技术。

Stratasys 的 SAF

3D 打印行业的中流砥柱 Stratasys 也继续增加其在快速扩展的生产级 3D 打印系统领域的影响力。该公司刚刚展示了即将推出的基于粉末床融合 (PBF) 的 3D 打印机系列。

新的 H 系列生产平台将由专为满足批量制造需求而设计的选择性吸收聚变 (SAF) 技术提供支持。

SAF 是一种基于粉末的 3D 打印工艺。然而，虽然 SLS 使用激光来选择性地融合聚合物颗粒，但 SAF 做的事情却完全不同。

SAF 使用反向旋转辊将粉末层涂覆到打印床上，然后打印头有选择地滴下吸收剂以形成部件层。通过使红外灯穿过整个打印床跨度使成像层融合，从而使选定区域融合。

据报道，这种新工艺的优点在于它将提供高打印速度和可扩展性。目前预计基于 SAF 技术的 3D 打印机将在 2021 年第三季度实现商用。

如果 Stratasys 的 SAF 实现其愿景，它可能成为现有 SLS 和 Multi Jet Fusion 工艺的可行替代方案。

聚合物 3D 打印趋势

聚合物3D打印市场整合

在过去的六个月中，增材制造行业发生了大量收购和合并，其中许多发生在聚合物增材制造领域。

虽然并购活动在 AM 领域并不是什么新鲜事，但最近的公告有一些重要的共同点：专注于生产。

以下是聚合物 3D 打印领域近期并购活动的一些亮点：

• 2020 年 9 月，科思创宣布有意收购帝斯曼树脂和功能材料业务线，包括帝斯曼增材制造。
• 2020 年 12 月，Stratasys 宣布收购 Origin。
• 2021 年 1 月，Desktop Metal 宣布有意收购 EnvisionTEC。

看到公司联合起来加强他们的产品并为工业增材制造生产提供引人注目的解决方案，这是令人鼓舞的。

这种扩大工艺和材料组合以包括通过单一分销网络运营的单一母公司的更多选择的愿望将能够满足更多客户的要求。

大规模地这样做，重点是可重复性和可靠性，是聚合物 3D 打印向前迈出的重要一步。

使用塑料代替金属

减轻重量是某些行业（如航空航天和赛车运动）的特定目标。使飞机或车辆更轻有助于降低油耗并优化车辆性能。

虽然这些行业通常依赖金属轻量化解决方案来减轻重量，但聚合物 3D 打印材料的最新进展提供了一些令人兴奋的机会。 3D 打印碳纤维、ULTEM 和 PEEK 等高性能热塑性塑料的能力意味着在某些应用中可以用塑料代替金属。

根据一项分析，用 PEEK 替代品替换铝制飞机支架可以减轻 5% 到 9% 的重量，这会对飞机的燃油消耗产生巨大的底线影响。

用 3D 打印塑料替换金属部件也有利于加快维护过程。一家服务机构使用 Stratasys FDM 尼龙 12CF 碳填充热塑性塑料来替代金属机器零件。 3D 打印备件产生了卓越的组件，其生产速度比传统制造的同类产品快得多。

另请阅读：复合 3D 打印：前景光明的新兴技术

在内部采用聚合物 3D 打印时需要考虑的事项

可持续性

聚合物3D打印材料的回收和再利用是内部采用聚合物增材制造时需要考虑的重要因素。

在基于长丝的 3D 打印中，回收利用是司空见惯的，许多公司使用回收塑料生产塑料长丝。

然而，虽然热塑性塑料和长丝一样，只要重新熔化就可以很容易地回收利用，而热固性塑料则不能重新熔化，这意味着它们无法回收利用。

在基于粉末的聚合物 3D 打印中，粉末再利用也并非完全简单。在大多数情况下，您需要将“用过但未融合”的粉末与大约 50% 的原始粉末混合，以便重复使用。对于PEEK等一些高性能粉末，刷新率大幅降低，在某些情况下，多余的粉末都无法重复使用。

那么如何使用聚合物 3D 打印材料进行可持续打印呢？一种方法是通过更好的设计最大限度地减少浪费。此外，请务必联系您当地的废物或回收中心，看看他们是否有能力安全处理 3D 打印聚合物。

更多相关信息：工业 3D 打印的可持续性如何？

后处理

去除过程，例如去除支撑物、去除树脂或粉末，是聚合物 3D 打印中最常用的后处理操作。它们通常是手动执行的，这会占用大量的时间和人力资源。

使这个阶段更加复杂的是，您可能想要使用多种 3D 打印技术，每种技术都有自己的后处理要求。

为了改进后处理操作，Rösler、PostProcess Technologies、AMT 和 DyeMansion 等公司一直在开发解决方案来帮助 AM 用户简化后处理。

目前，最大的趋势是创建端到端的后处理解决方案，涵盖分拣、材料去除和去粉、平滑和染色和检查。

在采用聚合物 3D 打印时，了解后处理要求势在必行。未经优化的后处理会给 3D 打印操作增加大量成本，这可以而且应该通过自动化来避免。

工作流管理

在内部采用聚合物 3D 打印还需要您考虑管理运营的方法，例如订单管理、成本计算、生产调度、库存管理等。

今天，许多公司要么依赖最初为传统制造开发的解决方案，要么在内部开发他们的软件。每种方法通常都会导致孤立的工作流程，缺乏可见性且无法轻松扩展。

为了避免陷入低效、不可扩展的工作流程的陷阱，一个好的做法是实施工作流程管理和制造执行解决方案，这些解决方案在开发时考虑到了 3D 打印要求。

目前市场上有多种选择，但只有少数提供涵盖整个 3D 打印工作流程的端到端解决方案。

要了解有关此类解决方案的更多信息，请查看我们的白皮书“增材制造 MES 软件：基本指南”

聚合物 3D 打印的未来

从逼真的概念模型到坚固的原型、符合人体工程学的工具和功能性最终用途部件，聚合物 3D 打印创造的机会是巨大的。

尽管仍有一些挑战有待克服，例如扩大材料选择和确保降低材料成本，但聚合物 3D 打印的持续发展将帮助公司进一步从该技术中获益。

随着整个增材制造行业，尤其​​是聚合物 3D 打印向终端部件的生产发展，我们看到 3D 可打印复合材料和高性能热塑性塑料获得更大的吸引力。

虽然聚合物 3D 打印不会取代传统工艺，但该技术肯定会增强当前的制造能力，进一步解锁先进的工业应用。

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FDM 3D 打印：我们今天在哪里？

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