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2019收获的季节,“FDM熟了”

2019收获的季节,“FDM熟了”

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【摘要】:
记得我家门前有一棵果树,路过的人看到上面结满了诱人的果子都会忍不住摘一个尝尝,但多数人都会尝一口后立刻扔掉,嘴里还会喃喃自语的说:“这果子只是看着好看,实际特别难吃”。但事实并非如此,实际这棵树上的果子非常好吃,每当树上的果子成熟时,邻里们都会跑过来争相采摘,然后一边吃一边对它赞不绝口。了解这棵树的人,可以在果子成熟时尝到人间美味,而不了解它的人多半只会在果子没熟时暴殄天物,而后留下无数恶评再悻悻

记得我家门前有一棵果树,路过的人看到上面结满了诱人的果子都会忍不住摘一个尝尝,但多数人都会尝一口后立刻扔掉,嘴里还会喃喃自语的说:“这果子只是看着好看,实际特别难吃”。但事实并非如此,实际这棵树上的果子非常好吃,每当树上的果子成熟时,邻里们都会跑过来争相采摘,然后一边吃一边对它赞不绝口。了解这棵树的人,可以在果子成熟时尝到人间美味,而不了解它的人多半只会在果子没熟时暴殄天物,而后留下无数恶评再悻悻离开。这也是现实生活中很多人都有过的经历,道理很简单,但真正懂的人却并不多。

3D打印机技术也曾面临如此窘境,尤其是FDM(Fused Deposition Modeling)。

阿基米德说过:“给我一个支点,我可以撬起地球”。是的,只要找准合适的“点”就可以创造奇迹。

FDM技术就是通过精准定位每一个“点”,再聚点成线、聚线成面、聚面成体,最终完成3D打印。

图:熔融沉积制造(FDM)原理图

作为起源较早、应用最普及的3D打印技术,FDM工艺由美国学者Scott Crump于1988年研制成功。FDM的材料一般是热塑性材料,如PLA、ABS、TPU、PEEK、尼龙等。以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料挤出,材料迅速凝固,并与周围的材料凝结成型。

图:FDM技术3D打印出的渐变色花瓶

这些年,FDM技术在打印速度和精度方面取得了巨大的进步。

图:2012年弘瑞推出的MR300桌面3D打印机

2011年之前,FDM桌面3D打印机还是木头外壳(甚至没有壳子),打印平台很小,英文数码管显示,物理按键,稳定性极差,很多工作仍然需要手动操作,只有少数极客才能玩明白。

如今,FDM 3D打印机已经大变样,坚固而富有设计感的外壳、更大的打印尺寸、多语言全彩触摸屏、高精度定制导轨、快速拆卸喷头、自动调平、断料提醒、断电续打、语音播报、微信监控、三核CPU、强大的切片软件等等新技术加持。在稳定性、成熟度、易用性方面已经有了巨大的进步。其用途不再仅限于极客群体,而已经成为工业领域的制造装备。

 

图:弘瑞最新推出的Z600型号3D打印机

这些年,媒体对于3D打印的宣传给用户带来了不少误导,在新闻里,3D打印机可以打印火箭、飞机、人体器官、汽车、房子等等,3D打印似乎无所不能。而实际中他们见到的3D打印机却只能打印些瓶瓶罐罐和小模型,似乎毫无用武之地。

今天,我们就来探究一下FDM 3D打印技术除了打印一些瓶瓶罐罐,作为学生教学设备之外,在生产上都有哪些有价值和潜力的应用。

近两年,FDM 3D打印机最火的一个独立应用恐怕就是3D打印月球灯了,这是一个完全被创造出来的需求。有业内人士统计,全球每个月消费约15万只月球灯,绝大部分是从深圳与宁波港发出,在国内有多个厂家拥有数百台3D打印机在夜以继日的生产月球灯。

 

图:3D打印的磁悬浮月球灯

在中国,3D打印月球灯成为年轻人的随手小礼,成为电影宣传和活动道具,成为酒店或家庭装饰。而在大洋彼岸的美国,月球灯却被摆在了参议员的办公桌上与经典书籍、总统合影、家庭照片摆在一起可见在他心里的重要性。

3D打印一个月球灯的时间从数小时到几十小时不等,售价从几十元到上千元内不等。而在部分注塑厂家嗅到市场后,也出现了开模生产的月球灯,生产速度更快,价格更低。而3D打印的优势在于定制化生产和快速迭代。

飞机内饰部件,尤其塑料件可以说是FDM 3D打印的一大潜在的量产化应用,但是对于材料的阻燃、毒性、强度等方面有更高的要求。

2015年5月6日,Stratasys公司宣布,空客A350飞机中超过1000件部件是以自家FDM 3D生产系统Fortus 900mc制造的,取代了传统制造的零部件。

 

图:Stratasys为空客A350 3D打印的飞机部件

Stratasys公司使用了ULTEM 9085树脂,这是经过认证符合空中客车要求的材料,在FDM 3D打印机上打印出每一个部件。这种方法制造的零部件不仅重量更轻,而且强度也很高,他们也能够满足FST(火焰,烟雾和毒性)的要求。从2013年起,空客公司就开始与Stratasys公司一起合作,以设法节省资金和缩短生产周期。与传统方法相比这种技术也减少了90%的生产能量消耗。

此外,东方航空技术有限公司增材制造实验室也开发出30多种客舱零件,共生产了500多件成品零件装配在飞机客舱内,实现了飞机上标准零件的快速制造和定制化零件的设计、开发、生产,解决了过去易损零件订货周期长订货成本高的问题。

 

图:东方航空技术公司利用FDM技术3D打印iPad支架

FDM 3D打印对于汽车制造来说,是从源头上重新设计了汽车。这种应用能否规模化,还要看客户对3D打印汽车的接受程度。

2018年全球第一款量产3D打印新能源电动车——XEV在国内亮相。

 

图:全球首款量产3D打印电动车XEV

传统的汽车制造技术以冲压焊接等工艺为主,车身部件2000个左右,迭代周期24—42个月。3D打印的XEV电动车,车身部件40—60个左右,迭代周期3月—12月。由于使用3D打印技术生产,XEV电动车不需要传统汽车制造所需要的模具,车辆造型和功能可以根据用户的需求定制化,而且不会产生额外成本,做到真正的按需定制化的柔性生产。这是世界上第一款车身内外饰件使用3D打印技术生产的量产汽车。用于XEV电动车的三款材料分别是Polymaker开发的TPU、Nylon、PLA线材,所使用的3D打印机就是FDM 3D打印机。

 

图:XEV内外饰3D打印制造时间

2014年于美国芝加哥举行的IMTS国际制造技术展览会上, 3D打印电动汽车“Strati”(斯特拉蒂)在与会者们的亲眼见证下诞生了。Strati整车一体成型,由辛辛那提公司的FDM 3D打印机制造,共有212层碳纤维增强热塑性塑料。

Strati全车只有40个零部件。除了动力传动系统、悬架、电池、轮胎、车轮、线路、电动马达和挡风玻璃外(大部分来自一辆雷诺Twizy或者采用传统制造技术制造),包括底盘、仪表板、座椅和车身在内的余下部件均由3D打印机打印,所用材料为碳纤维增强热塑性塑料。

图:3D打印电动汽车“Strati”

 

图:FDM 3D打印电动汽车“Strati”车身打印过程

不少人认为PLA这种材料受限于材料特性,在加工业和制造业难以发挥价值,主要用来做原型验证和设计辅助,然而在国内最大的几家玩具工厂内,FDM 3D打印机和PLA材料的应用彻底颠覆我们传统的认知。佛山某年营业额超过10亿人民币的玩具制造工厂夹具部门,已经在使用弘瑞Z系列FDM 3D打印机生产夹具。

 

图:玩具工厂内用于生产夹具的弘瑞FDM 3D打印机

该玩具工厂每年采购给玩具零件喷涂上色的夹具在100-200万,根据玩具类型和产能的需求,夹具的采购数量每年在1000-2000块。以前均外发采用机加工亚克力板等方式生产,如今全部在自己的夹具部门用弘瑞FDM 3D打印机制造。

与此同时,在施耐德电气公司的生产线上,使用Mankati E180 3D打印的尼龙和PC材质的零件正在发挥着作用,其强度甚至超过施耐德电气公司的预期,被立即采用制造非标零件和生产治具夹具。

 

图:施耐德电气使用Mankati E180 3D打印用于设备设施的修理维护零件

 

图:施耐德电气使用高强度,耐高温达130°C的尼龙材料,打印出用在非标设备上的长期使用零件

在医疗方面通过3D打印来攻克医学难题,早已不是新鲜事。弘瑞推出的最新款3D生物打印机M3000,适用于医疗骨骼、内脏等结构的打印,也可打印其他医用的模型。它与一般3D打印机不同的是,打印材料采用水凝胶和细胞混合,配合弘瑞自主研发的软件及硬件进行加工,可应用于医疗上的软骨修复,也可用于病理研究、血管支架、假肢、手术导管等。迎合了市场需求,为医疗方面提供了更多的技术帮助。

 

:弘瑞推出的生物3D打印机

 

广告发光字在我们的日常生活中随处可见,特别是在夜晚,各式各样的发光字闪出亮丽的光芒,点亮了夜空,成为城市一道道亮丽的风景线。伴随着广告行业的发展,FDM 3D打印技术在广告发光字领域也取得了骄人的成绩,并且在效果方面具有一定的优势,相较于传统广告标识更加深入人心。

传统做字需要雕刻、切割、焊接、开槽、折弯等操作,费事费力。3D打印制作发光字采用热熔挤喷技术,通过加热PLA环保材料,从喷头挤出,经过层层堆叠固化,制成各种形状,环保省时。对小型字、异型字、复杂图形的制作,3D打印具有无可比拟的优势。甚至有的公司专门开发了X、Y轴尺寸长,Z轴较矮的发光字专用3D打印机,因为只需要打印发光字的外壳,所以打印速度非常快,耗材用量很少,也就意味着成本很低。有人计算过,打印一个发光字“印”,尺寸为20厘米,需要3D打印材料25克,按照耗材市场价计算,材料成本约为2元,时间约为15分钟。

 

图:发光字3D打印机

 

FDM技术经过演化之后,也可以用于生产金属零件,这方面的典型的代表就是Desktop MetalMarkForged。

Desktop Metal的金属打印机能够使用超过200多种合金,并能够同金属粉末一起用于金属注射成型,打印出来的金属零件可以媲美传统意义上的注塑成型工艺。Desktop Metal表示该系统要比激光系统便宜10倍,而且在使用方面更容易且更安全。

图:Desktop Metal FDM 3D打印机

 

图:Desktop Metal FDM 3D打印的金属零件

Markforged的技术被命名为ADAM,与FDM类似,将金属粉末分布到树脂中,帮助金属粉末成型,成型后将非金属部分去除,当非金属部分被去除掉后,金属形成预期的形状,而且后期的烧结工艺保证了零件XYZ方向均匀的强度。

 

 

图:Markforged 3D打印金属零件的工艺流程

 

图:Markforged METAL X 打印的金属零件

 

除此之外,FDM 3D打印机在游戏手办,影视道具,文物复原,铸造、义肢等众多领域也可以应用,在此就不再一一列举。

存在既合理,FDM之所以经久不衰,自有其独到之处。如果能够利用好FDM的优势,同样可以发挥出巨大的作用。有很多时候,用户不能仅仅局限于打印本身,而要融合设计、材料、后处理等工作。比如通过选用不同的材料,可以满足更多应用场景的性能需求。通过优化结构设计,可以减少零件数量或者满足特殊结构场景需求。通过后期打磨、上色等后处理,同样可以达到惊人的艺术效果。目前我们所看到的案例,背后都付出了巨大的努力和不断的尝试,最终才取得了成功。

春华秋实,2019成熟的FDM硕果累累、待您采摘……