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惠普3D打印技术的演变:从聚合物到金属增材制造 

2020-08-25 08:59 发布

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惠普公司自2016年正式商业化其增材制造技术以来,已推出了多款聚合物3D打印系统以及基于粘结剂喷射的金属3D打印技术。惠普对于占领未来12万亿美元制造业领域的下一个高地,开启了全速前进模式。

            
01 剑指3D打印            
在惠普、Desktop Metal、Carbon进入3D打印领域以前,传统3D打印行业面临成本高、技术成熟度低和人才短缺问题。许多工业3D打印机在速度和效率方面仍然落后于传统设备,而且将该技术真正投入生产还面临巨大投资,这些都是影响3D打印普及应用的重要影响因素。后期,以惠普为代表的新势力推出了一系列革新3D打印技术的新工艺,从打印速度、成本以及零件质量方面共同推动3D打印进入了一个全新的生产模式。
            
惠普多射流熔融技术(MJF)基于塑料粉末通过墨水和加热实现熔融成型,借助该技术,惠普推出了聚合物粉末床3D打印的新标准。作为明星产品,多射流熔融技术极大挤占了传统SLS技术的市场,并号称具有更一致的机械性能、更快的处理速度和更高的精度。
            
在比较MJF和SLS零件的成本时,在线制造市场Xometry发现,使用MJF技术生产的零件成本比SLS技术低30%。由于惠普MJF打印机能够同时打印多个零件,因此随着零件体积的增加,这种差异也会增加。

            
02 迈向聚合物3D打印工业化            
惠普从一开始就致力于功能原型设计和批量生产,MJF技术在多方面都具有革命性的意义。该公司于2016年底推出的首个HP Jet Fusion 4200 3D打印系统已成为粉末床技术类别中最好的小批量生产机器之一。4200系统由打印机、冷却站和两个构建单元(打印缸)组成,旨在最大程度简化打印和后处理步骤。
            
打印缸可置换目前已成为SLS及MJF技术的标准配置,当打印完成之后,可以直接将其送至后处理站进行冷却和清洁,同时打印机更换新粉缸继续打印,从而提高工作效率。
            
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HP Multi Jet Fusion 4200
            
由于专注于生产和质量,该系统在市场上受到好评。3D Hubs《2018年第2季度数字制造趋势报告》根据打印机的质量评级,将惠普4200打印机排名第2,而该机在当年生产的零件数量方面排名第一。

            
在应用方面,4200系统从功能原型到工具,再到短期使用的最终用途零件生产,可用于多种用途。
            
惠普通过与齿科品牌SmileDirectClub合作,为后者安装了49套MJF系统,每天可生产50000多个牙模。2018年,惠普在中国建立3D打印批量化定制中心,当年中国境内的MJF打印机就已经达到50台。此外,惠普还在美国、西班牙和新加坡等地均建有先进制造中心。
            
进入全彩色3D打印领域
            
在没有彩色3D打印的情况下,工艺人员往往需要花几个小时甚至更长时间对SLA或其他工艺打印的样品进行上色,制造商自然很想拥有能够负担的起的彩色3D打印机。然而事实却是,全彩色3D打印在业内极其昂贵。
            
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惠普全彩3D打印
            
在4200打印机发布后,惠普在2018年推出了全彩色3D打印机系列Jet Fusion 300 /500。该产品补充了其现有工业3D打印机的产品系列,并为中小型产品开发商提供了低成本选择。
            
与此同时,惠普基于全新工艺的全彩3D打印机,又与Stratasys和3D Systems的现有产品展开了直接竞争。
            
推动3D打印实现批量制造

据报道,2018年基于MJF技术生产的零件已经达到1000万个,而惠普希望将3D打印的批量生产提升到更高水平。
在过去几年中,采用3D打印进行批量生产已成为行业发展的重要趋势之一。而且随着应用数量的增加,开发能够适应产量不断增长的新解决方案已经势在必行。
            
在同类型技术领域,当前的激光烧结方案与惠普MJF技术相比还是有些差距,后者通常具有更高的吞吐量。2019年对于惠普来说又是重要的一年,其推出了以生产为重点的新5200系列MJF 3D打印机。
            
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面向生产应用的HP Jet Fusion 5200系列
            
500/300系列3D打印机以功能原型为目标,4200系列则以小批量生产为目标,5200系列则为其实现制造业的雄心再往前迈进了一步—以堪比注塑成型的精度和可重复性进行批量生产。
            
5200系列最显著的进步是生产率提高了40%,并为高温材料的3D打印开辟了可能性。目前,已有多家公司购入该系列打印机用于生产,其行业涉及风力发电、体育运动等领域。新系统大大扩展了惠普的增材制造业务能力,使其客户能够在生产中真正实现数字制造。

            
03 创新3D打印材料
            
惠普的3D打印技术已逐步从原型设计和小批量生产转向批量增材制造。尽管硬件在这一进步中起着重要作用,但如果不进行新材料开发,要充分利用MJF技术也将会是极其困难的。
            
MJF技术于2016年首次推出时仅能打印PA12,目前,惠普逐渐将其材料组合扩展到包括更多种类的热塑性塑料,如PA11、玻璃微珠复合PA12以及柔性TPU材料。此外,惠普还为其最新的5200系列专门开发了聚丙烯(PP)材料。
            
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采用MJF技术打印的聚丙烯零件
            
聚丙烯是一种多功能、耐用且耐化学腐蚀的热塑性塑料,由惠普与巴斯夫合作开发。采用MJF技术3D打印的聚丙烯可媲美注塑成型的效果,基于这些特性,该材料特别适合用于汽车、工业、消费品和医疗领域。

实现材料高度可重复使用
            
在聚合物粉末床工艺中,每一层粉末都会经受高温照射,这会造成材料化学结构的变化,同时也使得烧结特性难以预测。然而在一次成型过程中,并不是所有粉末都会变成零件,总有一些粉末会被重复多次使用,可化学结构的变化也导致材料注定无法100%完全可用。这对于使用该工艺的用户来说不仅造成了材料浪费,还会带来成本负担,更何况现阶段材料仍然非常昂贵。
            
克服此问题的唯一方法是将新旧粉末混合使用。在SLS工艺中,只能回收大约30-50%的粉末(也有厂商重复使用70%),而使用MJF技术最多可重复使用80%的粉末。惠普称这种高水平的粉末可重复使用性是通过材料创新实现的。惠普PA12材料在长时间高温暴露过程中可减轻分子结构变化,被称为中低反应性材料,其重复使用率达到80%而不会降低质量。
            
惠普还计划进一步扩大材料种类,提供更广泛的热塑性塑料系列,包括具有阻燃特性的热塑性塑料、弹性体、聚酰胺、商品塑料和高性能材料等。而惠普Multi Jet Fusion开放平台将是这一进展的关键,该平台邀请化学公司在材料开发方面进行合作,以加速材料创新。

            
04 新领域:金属3D打印            
惠普进入聚合物3D打印领域的时间虽然不长,但已经搅动了整个市场。而通过推出用于批量化制造的Metal jet金属3D打印技术,则进一步改变了业内的竞争格局,更推动了产业发展。
            
Metal Jet 3D打印技术于2018年推出,通过有选择的在粉末床上喷射粘结剂并最终实现零件成型。惠普引入该技术的独特优势在于其创新的打印头和粘结剂技术。
            
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惠普Metal Jet 金属3D打印系统
            
虽然粘结剂喷射技术本身就很快,但惠普仍然对打印头进行了改进使其更快。Metal Jet系统配备6个打印头,每个打印头有5280个喷嘴。惠普称,如此多的喷嘴可以为打印机带来更高的生产率和可靠性。
            
此外,惠普利用其在墨水技术方面的专业知识,开发了一种创新的粘结剂,可以使烧结过程更快、成本更低。在金属注射成型过程中,通常需要烧掉10%以上重量的粘结剂,而新技术的比例不到1%,一个数量级的降低使烧结过程更简单、速度更快、成本更低。
            
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Metal Jet技术原理
            
通过将这些先进技术相结合,惠普希望将金属3D打印实现与传统技术相当的经济性和生产效率。同时,粘结剂喷射成型技术可能不仅有助于实现金属3D打印的批量化生产,还可能实现环境保护、经济性等可持续发展的价值主张。
            
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大众汽车使用Metal Jet技术3D打印定制的变速杆
            
目前,惠普金属3D打印机已经推出了零件生产服务,不过设备的商业化需要等到2021年。可以预见的是,汽车行业可能会特别受益于该技术。大众汽车已经与惠普在金属3D打印技术方面进行了两年的合作,希望将Metal Jet技术打印的结构部件(例如变速杆和后视镜支架)集成到其下一代汽车中。

            
05 总结语
惠普虽不是3D打印行业中的传统玩家,但事实证明它给本领域带来了极大改变,一是产品竞争格局,二是推动了技术向生产级方向的改变,外媒更是声称惠普致力于成为3D打印市场的领导者。
            
惠普对其技术充满信心,目前它已将3D打印作为其供应链的一部分,并为其3D打印机生产大量零件。该公司自首次试水3D打印行业以来,一直押注于3D打印作为一种数字制造技术,未来,惠普将加大其在3D打印领域的发展势头,以保持其在行业中的领先地位。

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