3D打印能取代注塑成型吗?

2020-03-31  来源:微注塑
 

       在疫情施虐期间,时间是保障生命的最宝贵源泉,医疗器械是保证安全的最有效措施。怎么能在最短时间内提供最大数量的医疗器械成了举国上下最严峻的课题,我们看到各行各业都采用了最先进的技术来保障医疗器械的生产,其中3D打印就是最近受到大家热捧的一个话题,央视网,央视财经频道都在最近都给予了大量的报道。

 

       包括国外这两天也有福特和大众这些大公司也在使用3D技术紧急生产防护面罩,计划通过这一次尝试,未来推广到其他汽车零部件中去。很多人看过这样的新闻都惊呼“狼来了”,感觉到了危机感。因为这些产品之前都是通过常规的注塑工艺来完成的,如果3D打印技术风靡盛行,是不是所有的传统注塑行业的人都要失业。

 

       其实3D打印技术早在20世纪90年代中期就已经问世,早在1986年人类就已经开发出了世界上第一台3D打印机,第一个获得3D打印技术专利的是麻省理工学院。

 

       按照大家理解的3D打印知识来讲,这项技术不需要昂贵的机械设备和模具,能直接通过三维数据变现成实物,节省了模具开发和验证时间。它所能加工的产品,可以覆盖我们所有的工业制品。按照理论上来讲,这项技术早就应该风靡全球,替代掉所有的传统加工工艺了。

 

       但事实上,最近20年我们偶尔能在媒体上听见通过3D打印技术打印出了某一个飞机、某一个汽车、某一个手枪、某一个人造肝脏外,并没有看见波音和空客把这个技术拿来量产飞机,也没有看见热衷高科技的特斯拉用来打印电池和火箭,这中间究竟还有什么难度没有攻克吗?那么成熟后的3D打印技术能取代我们的传统注塑工艺吗?

 

       假如现在我们的OEM要求我们开发一个塑料材质的保险杠,我们有哪几种途径可以实现呢:

 

       第一种常见办法,当然是机械加工。先买来一整块比保险杠体积还要大的塑料原材料,然后通过编程,将不需要的区域通过设备铣削、钻孔等方法去除掉,颇有点设计阶段做快速成型件的意思。

 

       这种方法的弊端也很明显,大量的材料被白白浪费,一些结构还不能一次直接成型,比如要在保险杠背面加工一个直径3mm高6mm的BOSS柱,还需要单独找一台设备加工好,用胶水黏上去,使用时保证不了强度。整个过程需要大概一周时间就可以完成,但是一次还只能做一个,产能和效率已经被固定了。

 

       第二种方法,先根据我们的三维数据,设计加工出对应的模具,再借用注塑设备,将塑料熔融后注射进模腔,冷却定型后修整完即可。但在这个过程中,像保险杠这样大一个模具,从设计到最后认可,一个专业的团队至少需要3个月时间,还不能保证尺寸100%合格,模具开发成本高达上百万。这种方法适合大批量加工,只要前期验证合格了,后期量产后,每天至少可以产几大百。

 

       也许你觉得前面两种方法都太麻烦了,脑洞大开的你,突发奇想,可不可以将这个产品的原材料制作成像积木或乐高玩具一样的造型,再根据图纸,我们把每一个小的造型根据保险杠的长宽高尺寸堆积固定在一起呢?当然可以,但是这种产品堆积出来后外表粗糙,每块材料之间肯定会存在缝隙,也不牢靠,不能直接投入使用。

 

       那我们能不能用更先进的设备来帮我们完成这个手工活呢,先将保险杠根据三维数据均分成N份,再利用计算机编程,将材料通过设备一点一点、一层一层地按照数据轮廓堆积起来,堆积后完全看不见间隙,想要的保险杠就制造出来了。那这个设备是不是有点类似我们办公用的打印机,将碳粉或油墨一层一层的堆积在纸上,最后显现出图像,完全看不出图层与图层之间的瑕疵。

 

       因此3D打印机就在这样的创意中实现了,只不过与传统办公用打印机的二维空间相比,3D打印机是需要在三维空间工作的。由于3D打印是用逐步逐层叠加的方法来加工,所以他真正的名字叫增材制造技术(additive manfacturing ,AM),3D打印只是他的别称。

 

        有了3D打印机是不是就一定能制造出3D打印产品呢,关键还在于材料。从上面的描述,我们可以看出,打印一个保险杠,他不能直接使用传统的PP料去打印,因为层与层之间没有办法粘合在一起呀。

 

       所以凡是能被3D打印的材料,必须像办公室打印机使用的墨水一样具备以下特点:

 

       A.能非常方便的被3D打印机输送到指定区域;

       B.到了指定区域,必须能够保持他原有的形状;

       C.层与层直接必须能牢靠地连接在一起;

 

       所以,制作保险杠的原有PP料颗粒他是不能牢靠地连接在一起,就算可以像注塑一样去加热到熔融状态,他也没有办法一直维持他原有的形状,他必须转换成液体的形式储存和传输,然后能在很短的时间内固化。

 

       这个转化过程需要考虑到实用性,又不能有太高的成本,太高的环境条件。这是不是跟传统的粘合剂和涂料的应用过程很类似。

 

       所以,科学家们根据这一特点开发出了感光性树脂这一材料,在打印时,先准备一个器具储存满感光性树脂,在器具中央设置一个升降平台,平台淹没在液体下面,与空气和液面的交界位置保留一个距离,这个距离就是你将要打印的这个产品的每一层的厚度,一般以微米作为单位。

 

       在平台的上方设置一束紫外线从液面上方照射下来,由于平台的阻挡,光线只能穿过平台与液面留有距离的这一片液体,接受过照射的感光性树脂发生反应后硬化变成固体,就相当于打印了一层材料。

 

       再通过将要打印产品的形状控制紫外线照射的区域,就能打印出这一层的平面轮廓。

 

    最后通过平台的不断上升,打印出每一层的材料堆积出立体轮廓。这就是最早的自上而下的立体3D打印(Stereolithography)。

 

       但是这种模式只能打印很小的普通部件,如果要打印一个很大的部件,就需要扩大容器的体积,如果要大到飞机、汽车这样的部件,从上而下的打印方法可能就不太可取。

 

       科学家们又想出了另外一种方法,将之前的容器底部换成透明材料,让紫外线从下而上照射,平台从上方悬挂在容器内,加工开始后,通过平台的悬挂装置不断地从下往上移动来打印每一层。这种方法完全与前面的方法相反,但是在实际加工过程中,加工完第一层后,平台与凝固的部分发生了粘结,会阻止平台继续上升,使用起来非常麻烦。

 

       当然这也难不倒科学家,他们发现感光性树脂里面不能含有氧气,一旦溶解有一丁点氧气,就会导致固化过程终止,按常理来说氧气就是3D打印的天敌。科学家们正是利用这一点,让氧分子充斥在加工层与平台之间,就会阻止平台与打印层的粘结,顺利地让平台可以自由的上下移动。

 

       从上面的描述,不难看出,阻碍3D打印能不能顺利实现的,一是零件的体积大小,二是能不能找到对应的材料。

 

       因为在市场上,每种产品使用的原材料性能都不一样,转换成对应的感光性树脂的化学结构也不一样,需要专门的合成过程来实现,所以目前市场上的价格不菲,这常常让需要对3D打印感兴趣的客户望而却步,如果找不到对应的材料,3D打印的价格就不是大家传说中的那么便宜,反而成为了推广的累赘。

 

       当然,目前科学家也发明了其他的3D打印技术,比如根据挤出成型原理而发明的熔融沉积成型(Fused Deposition Moldeling ,FDM),也是我们新闻中提到的这家公司正在应用的技术,这种技术的优势在于可以让传统的热塑性材料都能通过3D打印来实现,丰富了原材料的选择,不再需要昂贵的感光性树脂。

 

        最难能可贵的是,他还可以像双射注塑一样,实现两种不同材料的同时打印。除此之外,FDM还可以打印金属和陶瓷等高温很难融化的材料。

 

       既然FDM这么便宜,又这么方便,是不是也可以大力推广了呢?事实并非如此,因为FDM相邻的层与层之间融合度并不好,在一定的条件下,你甚至可以看见层与层之间的结合界限,因此成品的尺寸和外观精度并不高。

 

       所以很多时候,想用这种技术去替代立体3D,打印一些外观和尺寸要求非常高的零件,还不是很现实。另外,如果待加工的物体有一些凸出或者悬空部位比较长,在打印时要真正实现非常困难,因为材料还没有完全固化时就因为无法承受自身重力而塌陷。所以我们在新闻中,只是看到了厂商利用这种技术生产护目镜或防护面罩这种结构比较简单的零件。

 

       我们不否认3D打印这种技术已经投入使用,未来还会大规模创新和发展,但是在当前,无论是从成本,还是应用的方便性,或者是产品的适用性来看,要大规模替代注塑工艺还不现实。