掌握聚合物3D打印：2021年最新技术、创新与应用深度解析

深度剖析聚合物3D打印：技术、前沿发展、应用等。随着主要化工巨头入局3D打印、行业主力持续推进技术能力，聚合物3D打印迎来巨大推力。

为跟进最新进展，下文将深入探讨聚合物3D打印最激动人心的创新及技术机遇。但首先，让我们探索各行业常用的聚合物3D打印技术。

聚合物3D打印：核心技术

聚合物3D打印机主导硬件领域。出货收入、装机量、领域发展数量三大维度均领跑。

预测2020年聚合物3D打印产生117亿美元收入，含硬件、材料和3D打印零件销售合计。

下文梳理驱动增长的关键技术。

光固化成型

立体光刻 (SLA)

1980年代立体光刻(SLA)问世开启3D打印时代。SLA是制作外观精美、表面光洁度优异零件的理想技术。凭借高精度和高分辨率，SLA零件多用于外观验配概念模型或作为模具应用的母模。

SLA依赖液态光固化树脂，经UV激光逐层选择性固化使树脂固化。

虽SLA零件表面光洁度好，但耐用性不如其他增材技术。且SLA材料对UV光敏感，机械性能因过度暴露阳光而变化，不适合户外使用。

SLA光敏树脂提供多种颜色及特种材料（可铸造、耐用、高温、医疗级）。

SLA材料选择持续扩展。过去12个月，Formlabs、Henkel、Zortrax、DSM等纷纷发布新型3D打印树脂。

近期消息显示，3D打印树脂开发达新高度：公司极度聚焦高阶应用，特别是医疗、牙科和工程领域。

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材料挤出成型

FDM/FFF

熔融沉积建模(FDM)，即熔丝制造(FFF)，是工业用途中最流行的3D打印方法之一。市场研究机构CONTEXT数据显示，2020年该类机器出货收入最大，近1.5亿美元。

FDM 1990年代商业化，作为经济实惠、用户友好的原型技术。此后演进提供更高可靠性、精度和材料选择，适用制造辅助工具等生产应用。

延伸阅读：飞机客舱3D打印

FDM使用热塑性丝材，经喷嘴挤出逐层沉积。FDM零件主要局限性为各向异性，即力学性能在空间维度不均等，导致零件较弱。

此外，FDM打印速度较SLS或SLA慢，通常不适合批量生产。

如今制造商可选多种FDM丝材，从弹性TPU到耐用增强ABS及PEEK等高性能材料。生产级热塑性塑料可用性使FDM非常适合生产功能性、耐用产品。

粉床熔融

选择性激光烧结 (SLS)

选择性激光烧结(SLS)使用强力激光熔融塑料粉末材料。凭借高精度、速度、可靠性和无需支撑结构，SLS用于功能原型和小批量生产。

SLS典型使用聚酰胺(尼龙)粉末，PA11和PA12为最常用聚酰胺，外加柔性TPU材料。

但公司持续增加新材料。如2018年Evonik发布全球首款SLS用柔性PEBA基(聚醚嵌段酰胺)粉末。

德国3D打印机制造商EOS也为其SLS系统提供碳纤维增强PEKK热塑性塑料，除认证PEEK材料外。新PEKK热塑性塑料据称可替代航空航天和工业应用中的铝部件。

值得注意的是，EOS目前是唯一提供能处理PEEK、PEKK等高性能热塑性塑料的SLS系统制造商——EOS P800。

历史上SLS技术采购成本较高（数十万美元）。但2014年专利到期，催生更平价替代方案，如Formlabs Fuse 1桌面级3D打印机。

多喷头熔融 (MJF)

自2016年推出以来，HP多喷头熔融(MJF)为工业级功能零件和原型生产开辟新维度。

同SLS一样使用尼龙粉末。但MJF不使用激光，而是在每层粉末喷涂熔融剂，经红外光源熔融。

相比SLS，MJF得益于HP创新后处理站加速冷却和辅助除粉，工作流更快。Jet Fusion 300/500系列还提供全彩3D打印能力。

HP MJF有少许局限，如目前材料选择有限（PA11、PA12、玻璃珠填充PA12）。

但HP推行开放平台模式，鼓励与材料开发商合作。通过此途径，HP与Evonik、BASF、Lubrizol等50+公司合作，开发适配技术的新材料。

延伸阅读：

–HP 3D打印技术演进：从聚合物到金属AM

–AMFG与HP兼容性推动AM系统连接

材料喷射

材料喷射是喷墨打印工艺，逐层将液态光反应材料沉积构建平台。同SLA一样使用树脂，经UV光固化。

材料喷射关键优势为打印过程可结合两种或多种光敏聚合物，产生混合性能零件（如刚性与柔性结合）。此外技术能生产全彩零件，适合终端产品外观的原型。

材料喷射用树脂似SLA，但呈低粘度墨水状。成本通常较高。

技术局限为打印零件力学性能差，使材料喷射零件通常不适合功能应用。

聚合物3D打印：机遇与应用

快速原型

原型制作仍是聚合物3D打印主要应用领域。随技术演进，原型生产更快、更耐用、更美观。

汽车行业据称2017年购买最多打印机，是聚合物3D打印用于原型的突出用户。此处利用各类3D打印技术进行外观验配、功能测试和验证。

案例：奥迪使用Stratasys J750 PolyJet 3D打印机设计验证尾灯罩等汽车零件。

作为全彩、多材料工艺，Stratasys PolyJet 3D打印允许构建具有终端产品外观的物理原型，大幅简化加速产品开发流程。

赛车领域，3D打印是生产赛车测试功能件的首选技术。Alfa Romeo Sauber F1车队大量使用SLS和SLA 3D打印生产前翼、制动风道、悬架罩、发动机罩、内部风道和风洞车模手偏转器等部件。

更高效的工装

3D打印工装已成技术最具前景用途之一。从夹具固定装置到投资铸造模具，聚合物3D打印开启更快、更廉价、定制化工具大门。

公司通常采用FDM和SLA技术生产工装，因其相对经济易用。

福特据报使用Ultimaker FDM 3D打印机创建定制工具。

效益超越经济性。福特技术负责人Harold Sears称：“3D打印‘帮助人们通过制造更符合人体工程学的工具来更好地完成工作。这或许是软性收益，但若操作员更快乐舒适，他们会做得更好，质量自然提升。’”

此外，现有可打印热塑性材料有时甚至足以替代金属工具，大幅简化装配流程并降低定制工具成本。

医疗应用

医疗行业是聚合物3D打印早期采用者。如今技术在该领域找到多种用途，从3D打印手术导板工具到术前规划用人体器官复制品。

越来越多地，3D打印直接生产定制医疗器械，含低成本假肢和牙科器械如牙套和桥体。

助听器领域被3D打印彻底变革。如今全球90%以上助听器采用SLA 3D打印技术制造。

疫情爆发以来，聚合物3D打印也确立为呼吸机阀、安全护目镜、防护面罩和检测拭子生产的可行技术。

延伸阅读：2021年医疗3D打印现状？

定制化消费品

消费品公司越来越关注塑料3D打印作为大规模定制选项。因3D打印无需劳动密集、昂贵模具且能具成本效益创建复杂物体，实现针对消费者的个性化产品生产。

探索3D打印的品牌之一为Dr. Scholl's足部护理产品提供商。其与技术公司Wiivv合作制作定制3D打印鞋垫。

利用Wiivv Fit技术，Dr Scholl's提供定制化App，几张手机照片即可绘制用户双脚400个点。该过程不足五分钟，鞋垫可按客户精确规格设计打印。

延伸阅读：
• 鞋类3D打印

• 3D打印惠及消费品行业的5种方式

聚合物3D打印激动人心的技术发展

EOS新型LaserProFusion技术

2018年Formnext发布的EOS LaserProFusion技术是为实现连续增材生产开发的创新聚合物3D打印技术。工艺依赖多达百万二极管激光器，功率达5kW打印塑料材料。

该技术声称制造过程快10倍，达到注塑成型同级生产力。

虽商业化时间未明，但发布再次表明3D打印技术工业化进程。

高速光固化

光固化含SLA和DLP工艺，过去数年显著演进。

此技术作为大规模制造工艺大步前行，高速光固化近期引入进一步加速趋势。

几乎所有领域主力均推出能以接近注塑成型量级打印功能树脂零件的系统。

2014年Carbon推出高速数字光合成技术，演进为M2 3D打印机，打印速度达20 cm/小时。

延伸阅读：Carbon联合创始人Philip DeSimone谈用3D打印迈向大批量生产

2016年3D Systems推出高速自动化SLA——Figure 4系统。近期数据显示Figure 4生产级零件打印速度达65 mm/小时，原型速度达100 mm/小时。

其他公司跟进，如EnvisionTEC(被Desktop Metal收购)、Nexa3D、Origin(被Stratasys收购)和NewPro。

工艺速度长期是3D打印最弱一环。这尤其阻碍汽车、消费品等大规模连续生产驱动行业的采用。这些行业产品需尽可能短时间制造交付以维持生产效率。

如今，高速光固化进步为制造商提供以更高量级3D打印零件的可行选项。

Rize增强聚合物沉积(APD)技术

消除后处理是3D打印行业长久梦想——Rize技术承诺消除后处理痛点。美国3D打印机制造商开发混合增强聚合物沉积(APD)技术，结合材料挤出与喷墨。

此组合实现支撑结构打印后可手工轻松移除，无需进一步后处理操作。

APD技术用于制作各向同性、全彩、工业级强度零件，用于原型、工装和生产应用。

去年公司还推出新功能，用户可借助技术在零件上3D打印安全信息如二维码或条形码。例如工程师可数字化存储特定零件所有信息，维护数字库存。

BigRep大尺寸FDM 3D打印

FDM用于工业应用的主要障碍之一是构建包络尺寸。德国公司BigRep凭借极大且高性能产品线反复攻克此障碍。

2018年Formnext，BigRep发布两款新一代3D打印机——BigRep PRO (1005×1005×1005 mm)和BigRep EDGE (1500×800×600 mm)——面向工业用途。

两系统配专有计量挤出技术(MXT)，区别于其他大尺寸选项。新挤出技术清晰分离丝材送料、熔融和挤出，实现更快打印速度、更高精度和质量。例如BigRep PRO据称丝材吞吐率为市场其他FDM机器5倍，平均挤出率3倍。

MXT针对ASA/ABS和尼龙等专业级材料优化，BigRep与德国化工巨头BASF合作生产。

值得注意的是，BigRep PRO集成博世力士乐最先进CNC控制系统和驱动器，实现物联网和数据处理能力。这将最终加速打印机融入工业4.0愿景。

更多：大尺寸3D打印的4个令人印象深刻的应用

Evolve STEP技术

越来越多3D打印机制造商瞄准大规模生产，Stratasys分拆公司Evolve Additive Solutions也不例外。

近十年开发后，公司去年发布新型生产速度“STEP”(Selective Toner Electrophotographic Process，选择性碳粉电子照相工艺)聚合物技术。

Evolve STEP工艺为增材制造批量生产提供新颖方法，不仅因其声称比最快3D打印技术快50倍。

更甚，公司称技术能生产质量可媲美传统方法零件，不仅指美观表面，也指强度。此外STEP技术提供多材料和全彩打印能力。

虽Evolve距商业化尚需两年，但其技术值得关注。

Stratasys SAF技术

3D打印行业主力Stratasys也持续扩大在快速扩张的生产级3D打印系统领域的布局。公司刚发布即将推出的粉床熔融(PBF)基3D打印机新产品线。

新H系列生产平台将由选择性吸收熔融(SAF)技术驱动，专为满足批量制造需求设计。

SAF是基于粉末的3D打印工艺。但SLS用激光选择性熔融聚合物颗粒，SAF做法截然不同。

SAF用逆向旋转辊将粉末层涂覆打印床，喷头选择性滴落吸收液形成零件层。成像层经IR灯扫描整个打印床跨度熔融，致使选定区域熔融。

新工艺优势在于据报将提供高打印速度和可扩展性。基于SAF技术的3D打印机商业化目前预期2021年第三季度。

若Stratasys SAF兑现愿景，可成SLS和多喷头熔融工艺的可行替代。

聚合物3D打印趋势

聚合物3D打印市场整合

过去六个月增材制造行业见证收购合并潮，多在聚合物AM领域。

虽M&A在AM领域非新鲜事，但近期公告有显著共同点：聚焦生产。

近期聚合物3D打印M&A亮点：

• 2020年9月，Covestro宣布拟收购DSM树脂与功能材料业务线，含DSM增材制造。
• 2020年12月，Stratasys宣布收购Origin。
• 2021年1月，Desktop Metal宣布拟收购EnvisionTEC。

欣见企业联手强化产品组合，为工业AM生产呈现引人方案。

这种通过单一分销网络、单一母源整合扩展工艺和材料组合的意愿，将满足更多客户需求。

大规模聚焦可重复性和可靠性，是聚合物3D打印的重大进步。

以塑代钢

减重是航空航天、赛车等行业特定目标。让飞机或车辆更轻有助降低燃耗、优化性能。

虽这些行业通常依赖金属轻量化方案减重，但聚合物3D打印材料近期进步提供激动人心机遇。能3D打印碳纤维、ULTEM、PEEK等高性能热塑性塑料，意味着部分应用可用塑料替代金属。

据一分析，用PEEK替代铝合金飞机支架可实现5%-9%减重，对飞机燃耗有巨大底线影响。

用3D打印塑料替代金属零件也能加速维修流程。一服务商用Stratasys FDM Nylon 12CF碳纤维填充热塑性塑料制作金属机器零件替代品。3D打印备件产出更优组件，且比传统制造快得多。

延伸阅读：复合材料3D打印：前景光明的新兴技术

内部采用聚合物3D打印需考量要点

可持续性

聚合物3D打印材料回收再利用是内部采用聚合物AM的重要考量因素。

丝材基3D打印中回收常见，许多公司用回收塑料生产塑料丝材。

然而，热塑性塑料像丝材易通过再熔回收，热固性塑料不可再熔，故无法回收。

粉末基聚合物3D打印中，粉末再利用也不完全直接。多数情况需将“已用未熔”粉末与约50%原生粉末混合以便再利用。对PEEK等高性能粉末，刷新率大幅降低，某些情况下多余粉末完全无法再利用。

如何用聚合物3D打印材料可持续打印？一途径为通过更好设计最小化废料。此外，联系当地废弃物或回收中心，确认其是否有能力安全处置3D打印聚合物。

更多：工业3D打印有多可持续？

后处理

移除工艺如支撑移除、树脂或粉末移除是聚合物3D打印最常用后处理操作。通常人工执行，消耗大量时间和人力资源。

更复杂的是，您可能想用多种3D打印技术，各有自身后处理要求。

为改善后处理，Rösler、PostProcess Technologies、AMT和DyeMansion等公司开发解决方案助AM用户简化后处理。

当前最大趋势是创建端到端后处理方案，覆盖分拣、材料移除和除粉、抛光染色和检测。

采用聚合物3D打印时，理解后处理要求至关重要。未优化后处理会给3D打印运营增大量成本，应通过自动化避免。

工作流管理

内部采用聚合物3D打印还需考量运营管理方法，如订单管理、成本核算、生产调度、库存管理等。

许多公司今日依赖传统制造初期开发的解决方案或内部自研软件。各途径常导致孤岛工作流，缺乏可见性、难以扩展。

为避免低效、不可扩展工作流陷阱，好做法是实施考虑3D打印需求开发的工作流管理和制造执行解决方案。

市场上有多选项，但少数提供覆盖整个3D打印工作流的端到端方案。

了解更多此类解决方案，请阅读白皮书“增材制造MES软件：核心指南”

聚合物3D打印的未来

从逼真概念模型到坚固原型、人体工学工具和功能性终端零件，聚合物3D打印创造的机遇巨大。

虽仍存扩大材料选择、确保材料成本降低等挑战，但聚合物3D打印持续发展将助公司进一步获益。

随着AM行业整体、特别是聚合物3D打印向终端零件生产迈进，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关注。

虽聚合物3D打印不会取代传统工艺，但技术必将增强现有制造能力，进一步解锁先进工业应用。

寻求更多聚合物3D打印洞察？查看下文：

立体光刻与数字光处理：现状如何？

FDM 3D打印：现状如何？

SLS演进：新技术、材料与应用