文/ 錢(qián)伯章

行業(yè)觀察

化工企業(yè)競(jìng)相角逐3D打印市場(chǎng)

文/ 錢(qián)伯章

石化產(chǎn)品復(fù)雜部件制造正在進(jìn)入3D打印新時(shí)代——未來(lái)，個(gè)性化設(shè)計(jì)需求將呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，3D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，包括中國(guó)在內(nèi)的幾大工業(yè)化國(guó)家都將其作為重點(diǎn)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。作為先進(jìn)材料的供應(yīng)商，化工公司也在角逐3D打印市場(chǎng)的領(lǐng)先地位。

制造“不可能的產(chǎn)品”

3D打印是一種通過(guò)逐層打印的方式制造工件的制造工藝。該技術(shù)無(wú)需使用將所需部件塑造成型的工具或模具。此外，與傳統(tǒng)的制造方法相比，3D打印使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更為靈活。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）或醫(yī)學(xué)成像技術(shù)完成，并可立即進(jìn)行打印，從而獲得實(shí)體部件。在不久的將來(lái)，3D打印還將制造出通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法制造的產(chǎn)品，也就是所謂的“不可能的產(chǎn)品”。

3D打印的細(xì)分市場(chǎng)通常包括：企業(yè)用打印機(jī)、個(gè)人用戶(hù)打印機(jī)、材料和服務(wù)。所提供的主要服務(wù)是生產(chǎn)定制部件，這也是最具經(jīng)濟(jì)效益的主導(dǎo)細(xì)分市場(chǎng)。在地區(qū)分布方面，北美市場(chǎng)目前占有50%以上的市場(chǎng)份額。汽車(chē)和航空航天是3D打印的主要應(yīng)用領(lǐng)域，而消費(fèi)品和醫(yī)療保健則被視為發(fā)展最快的應(yīng)用領(lǐng)域。據(jù)領(lǐng)先市場(chǎng)研究公司預(yù)測(cè)，到2020年，3D打印的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)200億美元。

目前，3D打印雖然已開(kāi)始應(yīng)用于小批量的直接制造，但受打印時(shí)間、精度和材料等限制，3D打印還不可能替代傳統(tǒng)制造業(yè)，只是利用研發(fā)、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)，為大批量制造業(yè)做輔助。當(dāng)前最迫切的需求是以更快的速度進(jìn)行原型制造或?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品小批量生產(chǎn)，這通常被稱(chēng)為快速成型或快速生產(chǎn)。不過(guò)，人們普遍認(rèn)為，定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)和高幾何復(fù)雜性的部件在將來(lái)更為重要。

開(kāi)創(chuàng)有機(jī)硅打印技術(shù)先河

總部位于德國(guó)慕尼黑的瓦克化學(xué)集團(tuán)正用一種全新的商業(yè)模式，以ACEO為品牌，為有機(jī)硅3D打印提供全方位服務(wù)，加速進(jìn)軍3D打印市場(chǎng)。

有機(jī)硅的獨(dú)特性能使其成為眾多應(yīng)用不可或缺的材料。例如：耐熱性、低溫柔韌性、透明性、生物相容性、顏料相容性和阻尼性能。在市場(chǎng)評(píng)估中，瓦克發(fā)現(xiàn)許多需求急需得到滿(mǎn)足，尤其是在有機(jī)硅3D打印方面。自25年前發(fā)明以來(lái)，3D打印使用的材料多為感光樹(shù)脂和熱塑性塑料。迄今為止，還沒(méi)有適合彈性體，尤其是有機(jī)硅的終極技術(shù)解決方案。

因此，瓦克面臨的首要任務(wù)之一，就是要探索和開(kāi)發(fā)一種適合這種特殊材料性能的工藝。瓦克選擇了噴射工藝，該工藝與使用噴墨打印機(jī)在紙張上打印非常相似。噴射工藝基于有機(jī)硅體素的拋射式給料。經(jīng)過(guò)一層一層的粘合，工件被制造出來(lái)。通過(guò)對(duì)有機(jī)硅進(jìn)行調(diào)節(jié)，有機(jī)硅液滴可融合在一起，然后暴露在紫外光下，開(kāi)始固化。體素和有機(jī)硅層共同形成與注射成型有機(jī)硅相差無(wú)幾的均質(zhì)材料。

在打印過(guò)程中，噴射工藝使用支撐材料來(lái)制造形狀復(fù)雜的飛檐和空心結(jié)構(gòu)，這樣，就可以順利完成所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品造型。打印完成后，將該材料溶解于水中便可去除。幾乎任何顏色都可以添加到有機(jī)硅材料中。

基于廣泛深入的市場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，瓦克于2014年第二季度開(kāi)始啟動(dòng)有機(jī)硅3D打印開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。項(xiàng)目進(jìn)展非常順利。瓦克與敏捷的工程合作伙伴展開(kāi)全面合作，共同開(kāi)發(fā)材料、硬件和軟件，從而進(jìn)入了發(fā)展的快車(chē)道。由于數(shù)項(xiàng)工作同步展開(kāi)，而不是先后進(jìn)行，瓦克3D打印項(xiàng)目的進(jìn)展速度超乎想象。

ACEO包含四個(gè)不可分割的部分：材料、硬件、軟件以及設(shè)計(jì)和制造3D打印有機(jī)硅部件的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。毗鄰?fù)呖瞬└窈郎a(chǎn)基地的一座面積為600 m2的園區(qū)內(nèi)，配備有一個(gè)3D有機(jī)硅打印工廠、12個(gè)設(shè)備齊全的工作場(chǎng)所和一個(gè)供產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和客戶(hù)通過(guò)采用瓦克有機(jī)硅3D打印技術(shù)開(kāi)展項(xiàng)目的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室。打印工廠將使用5臺(tái)3D打印機(jī)用于客戶(hù)項(xiàng)目和進(jìn)一步工藝開(kāi)發(fā)。從2016年8月起，瓦克化學(xué)的客戶(hù)便可通過(guò)網(wǎng)上商店，上傳設(shè)計(jì)產(chǎn)品，訂購(gòu)有機(jī)硅3D打印部件，在ACEO印刷廠建成后，產(chǎn)品可發(fā)送至世界各地。此外，瓦克跨學(xué)科的ACEO團(tuán)隊(duì)還為產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以及有機(jī)硅部件或組件生產(chǎn)提供咨詢(xún)和開(kāi)發(fā)服務(wù)。

目前，瓦克的任務(wù)是為有機(jī)硅材料探索和開(kāi)拓3D打印的應(yīng)用和市場(chǎng)。瓦克發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)原型制造和眾多領(lǐng)域的消費(fèi)品都有極大興趣。

首款3D打印球形輪胎

2016年3月7日在日內(nèi)瓦國(guó)際車(chē)展，固特異發(fā)布首款3D打印的球形概念輪胎——Eagle-360。

固特異表示，這款輪胎將是自動(dòng)駕駛汽車(chē)的一大輪胎解決方案，能大大提高汽車(chē)駕駛安全。

據(jù)悉，球形輪胎能朝多個(gè)方向靈活移動(dòng)，有效減少側(cè)滑，使橫向移動(dòng)更流暢。在不急速改變行駛方向時(shí)，它還可以有效避開(kāi)障礙物。

而對(duì)于停車(chē)?yán)щy戶(hù)來(lái)說(shuō)，這款3D打印輪胎能使汽車(chē)的入庫(kù)更簡(jiǎn)單。

3 D打印彈性體可延伸高達(dá)1 100%

新加坡技術(shù)和設(shè)計(jì)大學(xué)的研究人員于2017年2月13日宣布，已開(kāi)發(fā)出高度可伸縮和UV固化的彈性體家族，可以延伸高達(dá)1 100%，并適用基于UV固化的三維打印技術(shù)。利用高分辨率3-D打印與SUV彈性體成分可以直接創(chuàng)建復(fù)雜的3-D晶格或空心結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出非常大的變形。這種SUV彈性體的制造時(shí)間也大大縮短。該彈性體項(xiàng)目是新加坡技術(shù)和設(shè)計(jì)大學(xué)數(shù)字制造和設(shè)計(jì)中心、校園研究?jī)?yōu)秀科技企業(yè)和耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)的研究人員共同協(xié)作的結(jié)果。

項(xiàng)目的共同引領(lǐng)人之一新加坡技術(shù)和設(shè)計(jì)大學(xué)數(shù)字制造和設(shè)計(jì)中心教授Qi Ge表示，這種新的彈性體可以延伸1 100%，為任何商用彈性體斷裂時(shí)伸長(zhǎng)率的5倍以上，適用于基于UV固化的3D打印技術(shù)。研究人員解釋稱(chēng)，他們能夠使用SUV彈性體組成和高分辨率的3D打印過(guò)程成功地實(shí)現(xiàn)3D打印復(fù)雜的3D晶格和結(jié)構(gòu)。不再受傳統(tǒng)制造過(guò)程的設(shè)計(jì)局限性，3D打印SUV彈性體或?qū)⒁馕吨剐枰獜椥圆牧系脑S多領(lǐng)域出現(xiàn)巨大的進(jìn)步。這種3D打印彈性體的高度卓越性，除了使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和幾何圖形簡(jiǎn)化外，還明顯減少制造時(shí)間。與傳統(tǒng)成型和鑄造方法相比，使用基于UV固化的3D打印制取SUV彈性體可顯著降低制造時(shí)間，從數(shù)小時(shí)，甚至幾天，減少到幾分鐘或幾小時(shí)。

此外，SUV彈性體也顯示出好的機(jī)械重復(fù)性，適用于柔性電子元件。這個(gè)特性已被研究人員證明，3D打印使用彈性體的巴基球燈的開(kāi)關(guān)，并按動(dòng)1 000次。測(cè)試后, 燈的開(kāi)關(guān)仍可正常工作。

高性能碳纖維的3D打印

美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員于2017年3月1日宣布，已首次為航天級(jí)碳纖維復(fù)合材料實(shí)施3D打印，打開(kāi)了輕量級(jí)，但卻比鋼材更堅(jiān)硬的材料更好控制和優(yōu)化的大門(mén)。

這項(xiàng)研究成果已發(fā)表在《自然科學(xué)（Nature Scientif i c）》雜志上，它代表著微擠出3D打印技術(shù)應(yīng)用于碳纖維的“重大進(jìn)步”。

碳纖維復(fù)合材料通常通過(guò)兩種方法之一制造，即通過(guò)將絲圍繞心軸纏繞，或?qū)⒗w維編織在一起，就像一個(gè)柳條籃子，導(dǎo)致成品限于要么呈扁平形狀或要么呈圓柱形狀。制造商也傾向于使用材料過(guò)度補(bǔ)償，由于性能問(wèn)題, 而使部件過(guò)重、昂貴和造成不必要的浪費(fèi)。

據(jù)LLNL研究人員報(bào)道，可通過(guò)改進(jìn)的直接油墨寫(xiě)讀3D打印過(guò)程打印出幾種復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。Lewicki和他的團(tuán)隊(duì)也開(kāi)發(fā)并為新的化學(xué)申請(qǐng)了專(zhuān)利，可在幾秒內(nèi)使材料硫化，而不是幾個(gè)小時(shí), 并使用實(shí)驗(yàn)室的高性能計(jì)算能力開(kāi)發(fā)出碳纖維長(zhǎng)絲的精確模型。

計(jì)算機(jī)化的建模，由該工程師團(tuán)隊(duì)在LLNL的超級(jí)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，它需要模擬成千上萬(wàn)的碳纖維, 他們從油墨噴嘴產(chǎn)生，在過(guò)程中可找出如何最好地對(duì)齊。 ●

本文作者系本刊特約撰稿人。