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                案例实务:3D打印快速成型技术领域专利战略研究 ——国外3D打印产业发展态势

                知产者们2021-11-19 10:46:35

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                背景篇

                Background

                3D打印技术的出现可追溯到1988年。1988年,美国3D System公司推出了SLA-250液态光敏树脂选择性固化◥成形机,通过紫外激光束∩在偏转镜作用下扫描照射树脂使其固化,逐层制造得到一个三维实体模型。该机被认为是世界上首台采用快速原型技术制造三维实体零件的机器。在SLA-250机◢器推出后,很快就产生了分层实体制造、选区激光烧结、3D打印、熔融沉☆积造型等不同技术原理的快速成形技术。1992年,美国麻省¤理工学院(MIT)的Scans E. M.和 Cima M. J.提出了3D打印技术的概念,并申请了相关专利,随ζ后创建了三维打印企业Z Corp。自此,3D打印技术得到快速发展,并日益得到关注。经过20多年的发展,3D打印技术经历了从萌芽到产业化、从原型展示到零件直接∞制造的过程,技术发展十分迅速,应用领域逐步拓宽。


                分析篇

                Analysis

                根据所用材料及生成片层ω 方式的区别,产业不断拓展出新的3D打ω印技术路径和实现方法,可大致归纳出18个技术类型,其应用领※域、技术发展趋势、优缺点与领先机构详见附录1。

                其中,光固【化成形(SLA)、分层实体制造(LOM)、选择性激光烧结(SLS)、熔融↙沉积成形(FDM)、三维打印(3DP)为目前比较成熟的重点发展领域。


                光固化成形(SLA)是目前技术最成熟,应用最广泛的成形工艺。该方法原理为在树脂槽中盛满液态光敏树脂,在计算机的控制下,使用紫外激光束固化光敏树脂,引发体系中的预聚体和单体聚合及」」交联,从而让其逐层凝固成形生成制件。成形↑开始时,工作台首先下降一个层厚的距离,让树脂流到工作台表面上,然后激光光束按照切层面数据㊣ 逐点扫描,被扫描的区域固化,进而形成一个固态薄⌒片,第一层粘接在工作台上。然后工作台继续下降一个层高,新固化的」薄片粘接在前一层上,如此重复,最终完成整个零件的制作。

                光固化设备的零件制作完成后,还需要在紫外光的固△化箱中二次固化,用以保证零件的强度。应用领域:适合制作结构异常复杂模型或特∑ 别精密的零件。

                光固化成形(SLA)技术由①美国 3D System 公司开发,该技术具有成形过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度高□ 等特点,但对液态光敏聚合物进行操作的SLA精密设备同时也要求苛刻的工△作环境,且成形件多为树脂类,强度、刚度、耐热性有限,不利于◆长时间保存。此外,Objet公司的PolyJet喷头打印机技术,能喷射16-30μm超薄光敏聚合物材①料层到托盘上直至部件制作完成。该技术通常被用来设计支撑复杂几何形状的凝胶体材料,通过手剥和水洗即可去∴除。


                分层实体制造法(LOM)是近年来¤发展起来的另一种新型快速成形技术,通过对原◣料纸进行粘接切割来制作三维零件。机器将单面涂有热溶胶的箔材通过热辊加热,热溶胶在加热状态下可产生粘性,材料粘接在一卐起。激光器按照CAD 模型分层数据,用激光∴束将箔材切割成所制零件的内外轮廓;然后再铺上新的一层箔材,通过热压装置将其与下面已切割层粘合在∑ 一起,激光束再次切割。重复这个过【程,直至整个零部件打印完成。

                分层实体制造法除制造√模具、模型外,还可以直接制造构件。常用的材料是金属薄片、纸、塑料薄膜等。

                分层实体制造法▼的特点是成形速度较快、效率高、成本低,其适用于大尺寸工件的成形,成形过程无需设置支⌒ 撑结构,多余的材料也容易剔除,精度也比较理想。但是〖制件强度与所选材料有关,使用不同材料的制件强度变化较大;废料较多,且分离废☆料较费时间。以至于←性能一直没有提高,逐渐走入没落,大部分厂家已经或▽准备放弃该工艺。


                选择激光烧结法(SLS)是先将一层很薄(亚毫米级)的原】料粉未铺在工作台上,根据切层信息,在计〗算机控制下,使用激光扫描器以一定的速度和能量密度,按分层面的二维数据扫描材料粉末,被扫描过的部分烧结固化○成一定厚度的实体片层,未扫描的地方仍然保持松散的粉末状,如此叠加,一ω 层扫描完毕,升降工作台,铺粉滚筒再次将粉末铺平,然后再开始新一层的扫描,最终形成三维制件,再经过打√磨、烘干等适当的后处理。本技术突破了传统快速成◎形的材料限制,可以使用陶瓷、塑料、金属粉末等多种粉末材料。但是本工艺的参数对制件精度和强度影◤响很大,对操作经验的依赖性强;并且需要专门的】工作环境,维护费比较高。

                选择性激光烧结SLS应用范围广,适合高精度模具、注塑模具异形热流道的制作;精■密金属部件的直接制造,模型证试验,防火部◥件直接制造,夹具等;人体植入物,牙齿,头盖骨修复,假肢,医疗器械研发等ㄨ;新产品开发,样件验证;文化、创意、服饰、家≡居用品等领域的创意设计与展示█等。

                3D System公司的sPro系列3D打印机采用的选择性激光烧结(SLS)技术,可以支持多种材料,成形工件无需支撑结构,而且材料利用率较高。SLS设备的价格和材料价格十分昂贵,烧结前材料需♂要预热,烧结过程中材料会挥发出异味。


                熔融↙沉积成形法≡(FDM)是采用热熔喷嘴,将胶状材料按照CAD的分层◎数据,挤压并沉积在指定的位置,形成薄片,然后逐层沉积,完全凝固以后就完成了整个零件的制作。这一技术的关键问题是,需要一种易溶解并且有一定粘度的材料。它使用液化器代替SLA的激光器,使用石蜡或者一些熔点低的金属作为成@形材料,进行零件的制作。

                与其它的3D打印技术相比,FDM是唯一使用工业级热塑料作为成形材料的积层制造方法,打印出的物件可耐受高热、耐受腐蚀性化学物々质、抗菌和抗强烈的机械应力,被用于╳制造概念模型、功能原型,甚至直接制造零部件和生产工具。技术优点:成形材料种类多,成形件强度高、精度高,表面质量好,易于装配、无公害,可在办公室环境下进行等♀特点,主要适用于成形小塑料件。

                FDM技术被Stratasys公司、惠普公司作为核心技术所采用。2012年由Stratasys公司发♀布的超大型快速成形系统Fortus 900mc,代表了当今FDM技术的最高成形精度、成形尺寸□和产能,成形尺寸达914.4×609.6×914.4mm,打印误差为每毫★米+0.089mm或 +0.0015mm,层厚最小仅为0.178mm,可被用于打印真正的产品级零部件。

                由于FDM主要专利到期,开放式的技术架构使FDM技术及产业发展迅速,促进桌〇面级3D打印价格迅速下降,产业规模化发展∮迅速。但技术缺点是:成形时间较长,且制作№小件和精细件时精度不如SLA。


                三维打印法(3DP)是一种原理类㊣似于喷墨打印机,使用粉末材料和粘接剂,按照分层数据一层一层制作,粘接成形的先进制造技术。本技术首先向工作台上铺一层材料粉末,然后根据分层信息,选择▲性地在粉末层上喷射粘接剂,喷过的地方粉末粘接在一起,形成←一个制件薄片,其他地方继续保持粉末状态。这样层层粘接,最终制成三维』实体,去除周围未粘接的粉末后,再经过烧结成形,得到了最终的零件。本技术用的是一些金属、陶瓷等粉末材料,制作过程中可以按照需求改变成形材料,这样就可以制造不同材料、力学性质的复合材@料制件。但是这种技术制造的零件精度较差,容易碎裂变〒形。狭义的3D打印仅指三维印刷法(3DP)。


                3D打印产业在蓬勃发展的过程中也面临诸多问题,影响和制约其∮快速大规模产业化的因素主要是以下三点:

                一是3D 打印技术产品性能缺陷☆暂时无法弥补。3D打印不适合直接制造高精度零件,后期仍需经过人工处理。由于3D打印是材质一层一层堆积成形,每一层都有厚度,决定了它的◣精度难以企及传统制造方法。提高〓制造精度需不断降低每一层的厚度,难度提高的同时,制造时间也大幅延长。即使层和层之间粘结再紧密,产品强度、性能也无法和传统模具整体浇铸的零件相媲美◥◥。

                二是价格成本的制约导致设备需求量↘难有爆发性增长。当前3D打印机价格高企,昂贵的设备只能提供有限的价值。即使3D打印机成本能够▂降下来,但单个商品的制造成本依然得不到解决。而传统的减材制造批量生产也〇比3D打印产品的制造速度↑要快得多。

                三是材料的限制对3D打印技术应用范围形成掣肘▲。目前3D打印耗材有限,多为石膏、塑料、可粘结的粉末颗粒、树脂等,制造精度、复杂性、强度等难以达到〒较高要求。对于金属材料来说,如果液化打印则▃难以成形;采用粉末冶金方式,需要高温以及高压的条件。


                当前,国际3D打印机制造业经过迅速的兼并与整合,企业采取@ 企业间兼并和合并的形式,来增强其市场份额和国际竞争力,行业巨头∏正在加速崛起。

                3D Systems 收购了Z Corporation公司。3D Systems是全球3D打印领域总市值最大的企业。该公司在2012年初花费近1.4亿美元从瑞典Ratos AB的子公司Contex手中收购了多色喷墨3D打印技术的领导者Z Corp公司和医用胶片数字化仪的引领◆者和供应商Vidar公司,奠定了其在3D打印领ξ 域的龙头地位。3D Systems最新发布的多款产品中,ProJet系列采用SLA光固化成形和喷蜡支撑技术,是目前快速成形中精度最高的︻解决方案之一。

                Stratasys对Maker Bot公司的收购¤催生出 3D 打印领域全新巨无『霸。Stratasys公司的技术优势在于拥有FDM熔融沉积成形技术和基于喷头的PolyJet原型生◇产工艺的专利,涵盖桌面级及工业级两类3D打印机产品。

                ? ? ? ? Stratasys公司2010年与传统打印行业巨√头惠普公司签订了OEM合作协议,生产HP品牌的3D打印机。继2011年5月收购Solidscape公司之后,Stratasys于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并,又于2013年6月以4.03亿美元收购行业新贵MakerBot Industries,巩固了其巨头地位。(未完待续)