化工企業競相角逐3D打印市場

文/ 錢伯章

行業觀察

化工企業競相角逐3D打印市場

文/ 錢伯章

石化產品復雜部件制造正在進入3D打印新時代——未來，個性化設計需求將呈爆發式增長，3D打印技術應運而生，包括中國在內的幾大工業化國家都將其作為重點發展的新興產業。作為先進材料的供應商，化工公司也在角逐3D打印市場的領先地位。

制造“不可能的產品”

3D打印是一種通過逐層打印的方式制造工件的制造工藝。該技術無需使用將所需部件塑造成型的工具或模具。此外，與傳統的制造方法相比，3D打印使產品設計更為靈活。產品的設計工作通過計算機輔助設計（CAD）或醫學成像技術完成，并可立即進行打印，從而獲得實體部件。在不久的將來，3D打印還將制造出通過現有技術無法制造的產品，也就是所謂的“不可能的產品”。

3D打印的細分市場通常包括：企業用打印機、個人用戶打印機、材料和服務。所提供的主要服務是生產定制部件，這也是最具經濟效益的主導細分市場。在地區分布方面，北美市場目前占有50%以上的市場份額。汽車和航空航天是3D打印的主要應用領域，而消費品和醫療保健則被視為發展最快的應用領域。據領先市場研究公司預測，到2020年，3D打印的市場規模將超過200億美元。

目前，3D打印雖然已開始應用于小批量的直接制造，但受打印時間、精度和材料等限制，3D打印還不可能替代傳統制造業，只是利用研發、設計開發優勢，為大批量制造業做輔助。當前最迫切的需求是以更快的速度進行原型制造或實現產品小批量生產，這通常被稱為快速成型或快速生產。不過，人們普遍認為，定制產品設計和高幾何復雜性的部件在將來更為重要。

開創有機硅打印技術先河

總部位于德國慕尼黑的瓦克化學集團正用一種全新的商業模式，以ACEO為品牌，為有機硅3D打印提供全方位服務，加速進軍3D打印市場。

有機硅的獨特性能使其成為眾多應用不可或缺的材料。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。在市場評估中，瓦克發現許多需求急需得到滿足，尤其是在有機硅3D打印方面。自25年前發明以來，3D打印使用的材料多為感光樹脂和熱塑性塑料。迄今為止，還沒有適合彈性體，尤其是有機硅的終極技術解決方案。

因此，瓦克面臨的首要任務之一，就是要探索和開發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在紙張上打印非常相似。噴射工藝基于有機硅體素的拋射式給料。經過一層一層的粘合，工件被制造出來。通過對有機硅進行調節，有機硅液滴可融合在一起，然后暴露在紫外光下，開始固化。體素和有機硅層共同形成與注射成型有機硅相差無幾的均質材料。

在打印過程中，噴射工藝使用支撐材料來制造形狀復雜的飛檐和空心結構，這樣，就可以順利完成所設計的產品造型。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硅材料中。

基于廣泛深入的市場調查結果，瓦克于2014年第二季度開始啟動有機硅3D打印開發項目。項目進展非常順利。瓦克與敏捷的工程合作伙伴展開全面合作，共同開發材料、硬件和軟件，從而進入了發展的快車道。由于數項工作同步展開，而不是先后進行，瓦克3D打印項目的進展速度超乎想象。

ACEO包含四個不可分割的部分：材料、硬件、軟件以及設計和制造3D打印有機硅部件的專業知識。毗鄰瓦克博格豪森生產基地的一座面積為600 m2的園區內，配備有一個3D有機硅打印工廠、12個設備齊全的工作場所和一個供產品設計師和客戶通過采用瓦克有機硅3D打印技術開展項目的開放式實驗室。打印工廠將使用5臺3D打印機用于客戶項目和進一步工藝開發。從2016年8月起，瓦克化學的客戶便可通過網上商店，上傳設計產品，訂購有機硅3D打印部件，在ACEO印刷廠建成后，產品可發送至世界各地。此外，瓦克跨學科的ACEO團隊還為產品設計，以及有機硅部件或組件生產提供咨詢和開發服務。

目前，瓦克的任務是為有機硅材料探索和開拓3D打印的應用和市場。瓦克發現，人們對原型制造和眾多領域的消費品都有極大興趣。

首款3D打印球形輪胎

2016年3月7日在日內瓦國際車展，固特異發布首款3D打印的球形概念輪胎——Eagle-360。

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

據悉，球形輪胎能朝多個方向靈活移動，有效減少側滑，使橫向移動更流暢。在不急速改變行駛方向時，它還可以有效避開障礙物。

而對于停車困難戶來說，這款3D打印輪胎能使汽車的入庫更簡單。

3 D打印彈性體可延伸高達1 100%

新加坡技術和設計大學的研究人員于2017年2月13日宣布，已開發出高度可伸縮和UV固化的彈性體家族，可以延伸高達1 100%，并適用基于UV固化的三維打印技術。利用高分辨率3-D打印與SUV彈性體成分可以直接創建復雜的3-D晶格或空心結構，表現出非常大的變形。這種SUV彈性體的制造時間也大大縮短。該彈性體項目是新加坡技術和設計大學數字制造和設計中心、校園研究優秀科技企業和耶路撒冷希伯來大學的研究人員共同協作的結果。

項目的共同引領人之一新加坡技術和設計大學數字制造和設計中心教授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伸長率的5倍以上，適用于基于UV固化的3D打印技術。研究人員解釋稱，他們能夠使用SUV彈性體組成和高分辨率的3D打印過程成功地實現3D打印復雜的3D晶格和結構。不再受傳統制造過程的設計局限性，3D打印SUV彈性體或將意味著使需要彈性材料的許多領域出現巨大的進步。這種3D打印彈性體的高度卓越性，除了使復雜的結構和幾何圖形簡化外，還明顯減少制造時間。與傳統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間，從數小時，甚至幾天，減少到幾分鐘或幾小時。

此外，SUV彈性體也顯示出好的機械重復性，適用于柔性電子元件。這個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關，并按動1 000次。測試后, 燈的開關仍可正常工作。

高性能碳纖維的3D打印

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員于2017年3月1日宣布，已首次為航天級碳纖維復合材料實施3D打印，打開了輕量級，但卻比鋼材更堅硬的材料更好控制和優化的大門。

這項研究成果已發表在《自然科學（Nature Scientif i c）》雜志上，它代表著微擠出3D打印技術應用于碳纖維的“重大進步”。

碳纖維復合材料通常通過兩種方法之一制造，即通過將絲圍繞心軸纏繞，或將纖維編織在一起，就像一個柳條籃子，導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度補償，由于性能問題, 而使部件過重、昂貴和造成不必要的浪費。

據LLNL研究人員報道，可通過改進的直接油墨寫讀3D打印過程打印出幾種復雜的3D結構。Lewicki和他的團隊也開發并為新的化學申請了專利，可在幾秒內使材料硫化，而不是幾個小時, 并使用實驗室的高性能計算能力開發出碳纖維長絲的精確模型。

計算機化的建模，由該工程師團隊在LLNL的超級計算機上執行，它需要模擬成千上萬的碳纖維, 他們從油墨噴嘴產生，在過程中可找出如何最好地對齊。 ●

本文作者系本刊特約撰稿人。