有望PK注塑？5种高速尼龙3D打印技术-Stratasys3D打印机
Stratasys3D打印机导读：高速的高性能尼龙3D打印技术陆续出现，在某些应用场景下有望PK注塑。
背景：据了解，中国一年注塑的零件产品就超过4000万吨，产值万亿元。其中尼龙（PA）种类繁多，在注塑行业是一种非常重要的材料。而在3D打印领域，尼龙凭借着耐磨、韧性高、强度大和耐热性好等优点，已经成为重要的功能性生产材料，为工业设计师和工程师增加了许多创意的可行性，创造了具有良好机械性能的零件，适用于功能原型和最终用途。但是由于技术的限制，以前的SLS激光烧结尼龙3D打印技术的速度还非常慢，成本也非常高，难以大规模应用。
虽然SLS是目前用于打印尼龙零件的最常用技术，但技术和材料的进步迅速赶上，而且像惠普MJF技术类似的高速尼龙成型技术也不断被开发出来，大幅度降低了尼龙3D打印零件成本，以使3D打印技术，在某些应用场景下可以媲美注塑等大规模制造技术，具有独特的竞争力。
下面，Stratasys3D打印机整理目前全球范围内的高速尼龙粉末3D打印技术，希望可以给产业界带来思考和启发。
3D打印尼龙材料有哪些优势？
适用于原型和功能验证部件，如齿轮和工具，尼龙可以用碳纤维或玻璃纤维增强，从而使轻质部件具有出色的机械性能。尼龙具有很高的刚性和柔韧性。当打印的产品比较薄时，部件将是柔性的，而当打印较厚的墙壁时，部件刚性好。这非常适合生产具有刚性部件和柔性接头的活动铰链等部件。尼龙打印的部件带有颗粒感，不需要支撑。尼龙3D打印可用于制作活动和互锁部件。免除组装，能够更快地生产高度复杂的物体。
1. HSS：高速烧结工艺
研发者：霍普金森教授
拥有技术厂商：Xaar 3D
使用该技术的厂商：voxeljet
机型：VX200
霍普金森的快速烧结技术受知识产权保护，拥有者是霍普金森以前的机构－拉夫堡大学，该已授权给几个单位使用，包括德国的3D打印公司voxeljet。
HSS高速烧结技术是由霍普金森教授研发出来的，voxeljet通过Evonik（赢创）和Loughborough大学获得授权，HSS工艺有着比激光烧结3D打印技术快100倍的速度，甚至能媲美传统注塑工艺，十分适合批量制造，所以，该技术帮助Voxeljet在竞争日趋激烈的3D打印市场中获得新的优势。值得注意的是，霍普金森已经脱离谢菲尔德大学并将这项技术转化到XAAR公司。
HSS听起来有点像惠普的MJF，的确这两个过程非常相似，HSS工艺与惠普的多射流熔融工艺MJF一样用到了红外线烧结，只不过不需要使用细化剂，这是因为Hopkinson教授发现就算不用细化剂，打印的效果也相当不错。HSS工艺可以实现极佳的表面质量和较高的精细度，所以，它适用于制造全功能的部件，比如支架和外壳。而这些部件能够直接应用于汽车、工业设备，以及日常消费品。
下面就来简单了解一下HSS工艺，整个流程大致如下图所示：
①沉积一层高分子材料粉末，如尼龙12或TPU
②用喷墨打印头在需要烧结的部分沉积能有效吸收红外线的特殊油墨
③用红外线照射需要烧结的部分，从而令油墨吸收足够的能量，融化材料粉末，实现固化
④重复以上步骤，直至整个物体打印完成
与传统的激光烧结3D打印技术相比，HSS技术的主要优点在于：
①速度提高100倍，所以在批量制造方面有明显的优势，甚至可与传统的注塑工艺媲美。事实上，此前的一项调查已经证实了这一点。调查发现，使用HSS技术制造微型滑雪板的成本比使用激光烧结技术要低75%。
②融化粉末的速度比激光加热慢10000倍，但这可以减少对材料的损坏，提高烧结质量。
③材料的选择范围更广 — FACTUM工程师发现，有些材料很难或是无法通过激光加热烧结，但是使用HSS技术就可以。
④可以使用100％的回收粉末，却不会造成打印件表面粗糙，同时加工过程中也不需要富含氮气的环境。
HSS高速烧结速度100倍于SLS激光烧结，当前的SLS激光烧结机通过一个单点激光熔化粉末状塑料聚合物，这使得生产效率受到一定的制约，霍普金森采用红外线灯和喷墨打印头来代替激光的解决方案。打印头快速准确地将材料传送到粉末床上。在HSS加工过程中，喷墨打印头将黑色的红外辐射吸收油墨沉积在热塑性粉末床上，然后红外灯加热粉末，导致塑料粉末颗粒熔化，从而固化每一层的形状，这比激光烧结速度快很多。
HSS被认为是降低SLS零件成本的手段，以使3D打印与诸如注塑等大规模制造技术具有竞争力。通过更换SLS中使用的昂贵的激光器并增加机器的生产能力，可以达到与注塑成型竞争的成本和速度来制造塑料零件。该工艺的温和加热打开了广泛的材料，如弹性体和其他塑料。此外，HSS可以使用100％的回收粉末，而不会导致粗糙的表面，加工过程中也不需要富含氮气的环境。
voxeljet是全球领先的工业3D打印制造商，在欧洲设有超大规模的服务中心用以提供即时的金属铸造模型服务。成立于1999年，专属于3DP技术的模型打印和快速成型，2013年10月在NYSE上市。公司主要产品：VX200、VX500、VXC800以及VX1000、VX2000、VX4000系列蜡模以及沙模3D打印机，其产品特点是打印精度高，成型体积大，VX4000打印空间为1060x600x500mm，而VXC800在一个维度可以连续扩展其成型空间。打印材料：专用的塑料粉末和砂岩（石膏），塑料粉末用于石蜡铸造模型的打印。
关于Xaar
Xaar 是全球领先的数字压电按需喷印技术独立制造商。赛尔的技术推动着传统模拟印刷及制造工艺转向数字化，比多年来所应用的传统生产方法能带来更多的经济效益及更高的产能。赛尔设计及生产的喷头及系统设备，广泛应用于众多不同的领域，包括产品装饰加工以及应用赛尔喷墨技术的3D打印。
2. MJF: 惠普多射流熔融技术(HP Multi Jet Fusion)
厂商：惠普
机型：惠普Jet Fusion 4200 、HP Jet Fusion 5200等速度：比普通SLS快10倍以上
2015年年底，惠普正式宣布推出多射流熔融(Multi-Jet Fusion)3D打印技术，并推出基于此技术的3D打印设备，速度上，多射流熔融(Multi-Jet Fusion)3D打印技术相比市场上同类产品的打印速度提高至少10倍以上。多射流熔融技术(Multi-Jet Fusion)的工作原理是，首选铺层粉末，再喷射熔剂，同时喷射精细剂，最后施加热源。当一层打印完毕后，自动进行下层的打印工作，直到成品完成。
喷射系统每秒可喷出惊人的3.5亿滴液滴，打印的对象精度高达20微米，一台典型的激光烧结机的打印精度大约在200-400微米之间。
惠普多射流熔融(Multijet Fusion)3D打印技术其成型步骤如下：1)铺设成型粉末;2)喷射熔融辅助剂(Fusing agent);3)喷射细化剂(Detailing agent);4)在成型区域施加能量使粉末熔融。重复1)——4)过程直到所有切片加工结束，注意喷射细化剂的区域并没有被熔融。
惠普MJF技术过程示意图下面是惠普3D打印机的全套设备，从左至右依次是MJF 3D打印机、构建单元、处理站。
惠普3D打印系统组成HP打印机的核心是位于工作台上的两个模块：分别叫做“铺粉模块”和“热喷头模块”。“铺粉模块”是用来在打印台上铺设粉末材料的。
铺粉模块“热喷头模块”则是用来喷射“熔融剂”和“细化剂”这两种化学试剂的，而该模块正是惠普这款打印机的最大亮点 — 它能以每秒每英寸3000万滴的量喷射这两种试剂。
热喷头模块实际的打印过程如下图所示：“铺粉模块”会首先上下移动铺设一层均匀的粉末。然后，“热喷头模块”会左右移动喷射两种试剂，同时通过两侧的热源加热融化打印区域的材料。这个过程会往复进行，直至最后打印完成。
热喷头模块喷射两种试剂并加热需要指出的是，“助熔剂”会喷射到打印的部分(即打印对象的横截面)，作用是让粉末材料充分融化;“精细剂”则会喷射在打印区外边缘，起到隔热作用。这样一来，不仅能保证没有打印的粉末保持松散的状态，提高粉末的再利用率(80%，而普通SLS在利用率大约是50%)，还能保证打印层表面光滑，提高打印件的精细度(想想A4纸的光洁度)。下面放大看看HP打印机的过程模拟：
惠普3D打印机成型过程模拟惠普3D打印机的优势1)加工速度快。惠普3D打印机的一大亮点是速度快，据说可超过普通技术的10倍。下图就是以打印齿轮为例的速度对比，可以看到同样耗费3小时，左侧的挤出技术(其实就是FDM熔融沉积)只打印出了36个;中间的激光烧结(SLS)技术则略好，打印出了79个;但右侧的惠普多喷射熔融(MJF)技术却足足打印出了1000个!
2)打印件质量高。下面就是一个小小验证，用打印的椭圆形结构吊起了一辆汽车。这个结构打印只用了30分钟，重1/4磅(约113克)，却可提起最高5吨的重量。
3)高精度。打印机喷头可以达到1200dpi的精度，考虑到粉末的扩散，在XY方向的精度可以达到约40微米。
HP Multi Jet Fusion技术能够在“体素”级彻底改变色彩、质感和机械特性，为3D打印的未来平台奠定基础。3D体素相当于传统打印中的2D像素，是一种直径仅为50微米的3D度量单位，相当于人一根头发的宽度。通过灵活使用打印材料，可以创造具备传导型、韧性、内嵌数据和半透明特性的3D打印物体。
△由惠普3D打印样品
关于惠普
惠普是全球生产工业级塑料和金属3D打印的领先解决方案供应商，为包括宝马集团（BMW）、耐克（Nike）、捷普（Jabil）、强生（Johnson & Johnson）以及其他全球领先企业的高效业务运营提供了技术支持, 他们都在使用惠普3D打印技术为汽车、航空航天、医疗保健、消费品和其他行业应用生产模型和零部件。此外，惠普也在北美、欧洲和亚太地区不断拓展其数字化制造合作伙伴。
惠普3D打印重要里程碑
2017年6月13日，惠普在中国推出商用3D打印解决方案，加速制造业转型升级。
2017年8月24日，惠普和德勤宣布共同推动全球12万亿美元制造业的数字化转型。
2017年11月，惠普推出全新Jet Fusion 3D 4210打印解决方案，以更广材料组合加速3D制造产业发展。
2018年3月21日，惠普3D打印解决方案携手春立医疗，首次进入中国手术导板制造领域。
2018年6月，惠普联合广东（大沥）3D打印协同创新平台宣布亚太及日本地区最大规模工业级3D打印部署。
2018年9月11日，惠普推出批量化生产金属3D打印技术，加速第四次工业革命到来。
3. Flight™：高分子光纤激光烧结技术
厂商：华曙高科
使用机型：FLIGHT HT403P
速度：比HSS高速烧结工艺提高了3倍
华曙高科的Flight技术于2019年2月首次引入，这种增材制造工艺可以提高塑料激光烧结的生产效率。 Flight™技术采用强大的光纤激光器取代普通激光烧结系统的CO₂激光器。与普通CO₂激光器相比，光纤激光系统为粉末床提供了更高的激光功率。光纤激光系统更强大更稳定，其使用寿命更长，能够提升产业化应用客户的投资回报率。此外，Flight™技术提供了一个基于光纤光源新材料开发的全新3D打印材料开发平台，更具操作灵活性，为开发材料提供了更多可能性。
Flight™技术采用强大的激光功率，更均匀的能量分布以及更小的激光光斑直径。激光到达粉末床表面时实现更高的能量密度，从而能够在极短时间内完全烧结粉末。凭借超过20米/秒（66英尺/秒）的扫描速度，Flight™技术实现了超高的烧结速度，将增材制造产能提升到一个新高度。
Flight ™技术采用了一套独特的扫描算法、强大的全数字动态聚焦系统并具有完全开放参数的系统优势。与普通激光烧结系统相比，Flight™技术能够在加工表面实现更均匀的能量分布，具有更精细的光斑直径，同时确保整个烧结过程中良好的能量渗透。与其它高分子粉末床技术相比，Flight™技术生产的部件具有更佳的细节，最小可达0.3毫米（0.012英寸）薄壁极限，同时具备与普通激光烧结部件相同的性能。
光纤激光器具有更高的功率密度，因此粉末也可以在更短的时间内被完全烧结。华曙高科董事长许小曙博士表示：“借助Flight技术，我们极大地提高了高速激光烧结的能力，以满足大批量生产的需求。” 其核心在于使用了500W的光纤激光器，与CO₂激光器相比，扫描速度更快可达20m/s；层厚在0.06~0.3mm可调；光斑更小达到普通SLS无法达到的细节；整体工件烧结能量更均匀，保证了整个工件机械性能的均一性。
△Flight™技术与传统SLS技术以及HSS技术生产效率对比
从图中可以更直观的感受到华曙Flight™技术的生产效率，在相同的时间内（一天），华曙Flight™的产能比传统的SLS工艺提高了数倍，比HSS高速烧结工艺提高了3倍。
华曙现有的HT403P 3D打印机启用了Flight功能，成型缸尺寸为400 x 400 x 540mm3 （高缸体配置）。但是，它使用500W的光纤激光器代替了100W的 CO2激光器，该激光器能够迅速将黑色聚酰胺粉末转变为塑料零件，Flight-HT403P能够生产具有良好机械性能和高功能分辨率的塑料组件，壁厚小且表面粗糙度低。
△使用Flight技术制作的3D打印零件
2019年10月初，华曙欧洲分公司 (位于德国斯图加特）在瑞士著名服务商Rapid Manufacturing AG公司顺利完成Flight-HT403P设备的安装调试和烧结测试，Rapid Manufacturing已启用该设备为意向客户生产高质量尼龙部件，并得到用户的高度认可；11月下旬开始的全球最大3D打印展会德国Formnext上，继今年2月华曙高科首次在TCT 亚洲推出Flight 技术后，将首次在欧洲展示FLIGHT HT403P 设备。华曙Formnext 展位号：11.1-C68。
关于华曙高科
湖南华曙高科技有限责任公司成立于2009年，是一家工业级高分子激光烧结（PLS）和金属激光熔融技术（MLS）的全产业链系统解决方案供应商。作为一家全球多元化公司，华曙高科具有清晰的企业愿景和核心承诺——致力于“开源”平台系统的创建，这将使增材制造行业享有充分的创新维度，并扩大增材制造在全球市场的产业化应用。基于多年深入的市场洞察和功能需求调研，华曙高科专注于满足客户更高的生产力水平、更佳的细节功能、更高的运行效率以及更灵活的操作需求。
4. LaserProFusion技术
厂商：EOS
速度：颠覆性的打印速度，具体数值未知
2018年，EOS宣布引入“革命性的聚合物增材制造技术——LaserProFusion”，EOS表示，LaserProFusion技术是唯一能够取代注塑成型的增材制造技术，LaserProFusion技术采用近百万个二极管激光器来熔化材料并逐层制造零件，而不是使用单个CO2激光来回覆盖整个构建平台传统的SLS技术，如标准激光烧结工艺，这种构建过程非常高效，可以作为许多应用的注塑替代品。
其实，SLS和LaserProFusion技术的区别，就是光固化技术中的SLA和DLP技术的区别，近百万个二极管激光器，排成阵列激光，瞬间一次性烧结粉末材料，从而实现类似光固化中的DLP 3D打印技术。
SLA的打印过程是，使用单束激光来回扫描照射固化树脂材料；而DLP是一次性照射整个截面。
SLS技术是使用单个CO2激光来回烧结材料；而LaserProFusion技术是一次性烧结整个截面。
△多个激光器同时照射
△打印作业的整个截面被同时烧结
LaserProFusion技术原理，可以让烧结粉末3D打印速度大大提高。如果再参考CLIP的技术思路，来一个“连续粉层打印技术”，让高分子聚合物、金属等粉末材料的3D打印速度提高10倍或者100倍，将对全球工业产生更加颠覆性的影响，所涉及的应用市场可能达上百万亿美元。
LaserProFusion技术可以节省产品开发的时间并且进行无模具的生产，最多可将成本降低20%。无需开模的增材制造技术使得用较少的零件承载丰富的技术功能成为可能。其优势是显而易见的：由于包括功能部件在内的所有所需部件都可一步制成，省去了大部分的装配工作，可节省时间与资金。与此同时，这项技术还能最大限度地降低供应链和生产的复杂程度，从而提高产量。例如，从已实现成本优化的汽车产业工艺链来看，使用增材制造技术可获得最高50%的效率提升。
△LaserProFusion技术打印样件关于EOS：
EOS是金属和高分子材料工业3D打印的全球技术领导者。成立于1989年，EOS为一家独立运营的公司，以先驱和创新者的身份，提供全面的增材制造解决方案。EOS包含系统、材料和工艺参数在内的解决方案组合帮助客户在产品质量上建立决定性的竞争优势，实现可持续性生产，获取长期经济效益。此外，EOS客户还能从EOS在全球服务、应用工程和咨询方面的深厚专业技术中获益。
5. STEP：选择性热塑性电子照相工艺技术
厂商：Evolve
机型：原型机
速度：比普通SLS技术快50倍
Evolve Additive Solutions探究专有的选择性热塑性电子照相工艺（STEP）技术，旨在通过比现有增材制造解决方案快50倍的可扩展解决方案，从根本上改善制造，基于Stratasys的3D打印和增材制造专业知识，Evolve的STEP技术有望与传统工艺竞争，例如注塑成型。 该解决方案适用于每年数十万的大批量生产。
STEP基于大多数复印机和激光打印机背后的专有技术，开发用于快速加工热塑性材料，在X，Y和Z中提供各向同性，并与传统方法的表面光洁度相媲美。最近几年，Evolve专注于STEP的商业化和工业应用。
电子照相技术又称静电复印，是大多数复印机和激光打印机采用的技术，本质是利用静电荷将图像附着到基底（即纸张）上。这种基底只是单一的2D薄层，但如果将它们逐层堆叠，就能形成一个3D实体。整个过程大致如下：
①将基底设置为能够接受3D对象潜在电荷图像的状态，从而将带点的材料颗粒吸引到图像的充电或放电区域，“打印”出对象的各个层。这些颗粒会在热和压力作用下融化，进而结合到一起。
②通过转印带将这些层逐个添加到基底上，直至创建出整个3D实体。值得一提的是，转印带是这项技术便利性的关键，因为它它可以一次保存多个物体。另外，它的上面会发生一种半固化反应，降低材料的含水量并产生残余应力。
高度可扩展的STEP解决方案专为自动化制造和工厂级集成而制成，将经过时间考验的2D成像技术与Evolve的相结合，精确创建具有各向同性特性的完全致密的部件。
关于Evolve
Evolve是一家在Stratasys研发实验室起步的原始设备制造商，于2017年正式从该公司分离出来，开发了STEP技术。这是一款全新的高速塑料3D打印工艺，据说比最快的AM塑料技术快50倍。
2018年9月，该公司获得1900万美元投资，帮助该公司实现STEP 3D打印机的试用阶段。继此之后，11月，与柯达（Kodak）合作开发Evolve的3D打印技术，用于2020年的商业发行。目前，STEP仍处于开发阶段，预计到2020年底将推向市场。
