惠普公司自2016年正式商業(yè)化其增材制造技術(shù)以來,已推出了多款聚合物3D打印系統(tǒng)以及基于粘結(jié)劑噴射的金屬3D打印技術(shù)?;萜諏?duì)于占領(lǐng)未來12萬億美元制造業(yè)領(lǐng)域的下一個(gè)高地,開啟了全速前進(jìn)模式。
01 劍指3D打印 在惠普、Desktop Metal、Carbon進(jìn)入3D打印領(lǐng)域以前,傳統(tǒng)3D打印行業(yè)面臨成本高、技術(shù)成熟度低和人才短缺問題。許多工業(yè)3D打印機(jī)在速度和效率方面仍然落后于傳統(tǒng)設(shè)備,而且將該技術(shù)真正投入生產(chǎn)還面臨巨大投資,這些都是影響3D打印普及應(yīng)用的重要影響因素。后期,以惠普為代表的新勢(shì)力推出了一系列革新3D打印技術(shù)的新工藝,從打印速度、成本以及零件質(zhì)量方面共同推動(dòng)3D打印進(jìn)入了一個(gè)全新的生產(chǎn)模式。 惠普多射流熔融技術(shù)(MJF)基于塑料粉末通過墨水和加熱實(shí)現(xiàn)熔融成型,借助該技術(shù),惠普推出了聚合物粉末床3D打印的新標(biāo)準(zhǔn)。作為明星產(chǎn)品,多射流熔融技術(shù)極大擠占了傳統(tǒng)SLS技術(shù)的市場(chǎng),并號(hào)稱具有更一致的機(jī)械性能、更快的處理速度和更高的精度。 在比較MJF和SLS零件的成本時(shí),在線制造市場(chǎng)Xometry發(fā)現(xiàn),使用MJF技術(shù)生產(chǎn)的零件成本比SLS技術(shù)低30%。由于惠普MJF打印機(jī)能夠同時(shí)打印多個(gè)零件,因此隨著零件體積的增加,這種差異也會(huì)增加。
02 邁向聚合物3D打印工業(yè)化 惠普從一開始就致力于功能原型設(shè)計(jì)和批量生產(chǎn),MJF技術(shù)在多方面都具有革命性的意義。該公司于2016年底推出的首個(gè)HP Jet Fusion 4200 3D打印系統(tǒng)已成為粉末床技術(shù)類別中最好的小批量生產(chǎn)機(jī)器之一。4200系統(tǒng)由打印機(jī)、冷卻站和兩個(gè)構(gòu)建單元(打印缸)組成,旨在最大程度簡化打印和后處理步驟。 打印缸可置換目前已成為SLS及MJF技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)配置,當(dāng)打印完成之后,可以直接將其送至后處理站進(jìn)行冷卻和清潔,同時(shí)打印機(jī)更換新粉缸繼續(xù)打印,從而提高工作效率。 HP Multi Jet Fusion 4200 由于專注于生產(chǎn)和質(zhì)量,該系統(tǒng)在市場(chǎng)上受到好評(píng)。3D Hubs《2018年第2季度數(shù)字制造趨勢(shì)報(bào)告》根據(jù)打印機(jī)的質(zhì)量評(píng)級(jí),將惠普4200打印機(jī)排名第2,而該機(jī)在當(dāng)年生產(chǎn)的零件數(shù)量方面排名第一。
在應(yīng)用方面,4200系統(tǒng)從功能原型到工具,再到短期使用的最終用途零件生產(chǎn),可用于多種用途。 惠普通過與齒科品牌SmileDirectClub合作,為后者安裝了49套MJF系統(tǒng),每天可生產(chǎn)50000多個(gè)牙模。2018年,惠普在中國建立3D打印批量化定制中心,當(dāng)年中國境內(nèi)的MJF打印機(jī)就已經(jīng)達(dá)到50臺(tái)。此外,惠普還在美國、西班牙和新加坡等地均建有先進(jìn)制造中心。 進(jìn)入全彩色3D打印領(lǐng)域 在沒有彩色3D打印的情況下,工藝人員往往需要花幾個(gè)小時(shí)甚至更長時(shí)間對(duì)SLA或其他工藝打印的樣品進(jìn)行上色,制造商自然很想擁有能夠負(fù)擔(dān)的起的彩色3D打印機(jī)。然而事實(shí)卻是,全彩色3D打印在業(yè)內(nèi)極其昂貴。 惠普全彩3D打印 在4200打印機(jī)發(fā)布后,惠普在2018年推出了全彩色3D打印機(jī)系列Jet Fusion 300 /500。該產(chǎn)品補(bǔ)充了其現(xiàn)有工業(yè)3D打印機(jī)的產(chǎn)品系列,并為中小型產(chǎn)品開發(fā)商提供了低成本選擇。 推動(dòng)3D打印實(shí)現(xiàn)批量制造
據(jù)報(bào)道,2018年基于MJF技術(shù)生產(chǎn)的零件已經(jīng)達(dá)到1000萬個(gè),而惠普希望將3D打印的批量生產(chǎn)提升到更高水平。 在過去幾年中,采用3D打印進(jìn)行批量生產(chǎn)已成為行業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。而且隨著應(yīng)用數(shù)量的增加,開發(fā)能夠適應(yīng)產(chǎn)量不斷增長的新解決方案已經(jīng)勢(shì)在必行。 在同類型技術(shù)領(lǐng)域,當(dāng)前的激光燒結(jié)方案與惠普MJF技術(shù)相比還是有些差距,后者通常具有更高的吞吐量。2019年對(duì)于惠普來說又是重要的一年,其推出了以生產(chǎn)為重點(diǎn)的新5200系列MJF 3D打印機(jī)。 面向生產(chǎn)應(yīng)用的HP Jet Fusion 5200系列 500/300系列3D打印機(jī)以功能原型為目標(biāo),4200系列則以小批量生產(chǎn)為目標(biāo),5200系列則為其實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的雄心再往前邁進(jìn)了一步—以堪比注塑成型的精度和可重復(fù)性進(jìn)行批量生產(chǎn)。 5200系列最顯著的進(jìn)步是生產(chǎn)率提高了40%,并為高溫材料的3D打印開辟了可能性。目前,已有多家公司購入該系列打印機(jī)用于生產(chǎn),其行業(yè)涉及風(fēng)力發(fā)電、體育運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域。新系統(tǒng)大大擴(kuò)展了惠普的增材制造業(yè)務(wù)能力,使其客戶能夠在生產(chǎn)中真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字制造。
03 創(chuàng)新3D打印材料 惠普的3D打印技術(shù)已逐步從原型設(shè)計(jì)和小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)向批量增材制造。盡管硬件在這一進(jìn)步中起著重要作用,但如果不進(jìn)行新材料開發(fā),要充分利用MJF技術(shù)也將會(huì)是極其困難的。 MJF技術(shù)于2016年首次推出時(shí)僅能打印PA12,目前,惠普逐漸將其材料組合擴(kuò)展到包括更多種類的熱塑性塑料,如PA11、玻璃微珠復(fù)合PA12以及柔性TPU材料。此外,惠普還為其最新的5200系列專門開發(fā)了聚丙烯(PP)材料。 采用MJF技術(shù)打印的聚丙烯零件 聚丙烯是一種多功能、耐用且耐化學(xué)腐蝕的熱塑性塑料,由惠普與巴斯夫合作開發(fā)。采用MJF技術(shù)3D打印的聚丙烯可媲美注塑成型的效果,基于這些特性,該材料特別適合用于汽車、工業(yè)、消費(fèi)品和醫(yī)療領(lǐng)域。
實(shí)現(xiàn)材料高度可重復(fù)使用 在聚合物粉末床工藝中,每一層粉末都會(huì)經(jīng)受高溫照射,這會(huì)造成材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化,同時(shí)也使得燒結(jié)特性難以預(yù)測(cè)。然而在一次成型過程中,并不是所有粉末都會(huì)變成零件,總有一些粉末會(huì)被重復(fù)多次使用,可化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化也導(dǎo)致材料注定無法100%完全可用。這對(duì)于使用該工藝的用戶來說不僅造成了材料浪費(fèi),還會(huì)帶來成本負(fù)擔(dān),更何況現(xiàn)階段材料仍然非常昂貴。 克服此問題的唯一方法是將新舊粉末混合使用。在SLS工藝中,只能回收大約30-50%的粉末(也有廠商重復(fù)使用70%),而使用MJF技術(shù)最多可重復(fù)使用80%的粉末?;萜辗Q這種高水平的粉末可重復(fù)使用性是通過材料創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)的?;萜誔A12材料在長時(shí)間高溫暴露過程中可減輕分子結(jié)構(gòu)變化,被稱為中低反應(yīng)性材料,其重復(fù)使用率達(dá)到80%而不會(huì)降低質(zhì)量。 惠普還計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)大材料種類,提供更廣泛的熱塑性塑料系列,包括具有阻燃特性的熱塑性塑料、彈性體、聚酰胺、商品塑料和高性能材料等。而惠普Multi Jet Fusion開放平臺(tái)將是這一進(jìn)展的關(guān)鍵,該平臺(tái)邀請(qǐng)化學(xué)公司在材料開發(fā)方面進(jìn)行合作,以加速材料創(chuàng)新。
04 新領(lǐng)域:金屬3D打印 惠普進(jìn)入聚合物3D打印領(lǐng)域的時(shí)間雖然不長,但已經(jīng)攪動(dòng)了整個(gè)市場(chǎng)。而通過推出用于批量化制造的Metal jet金屬3D打印技術(shù),則進(jìn)一步改變了業(yè)內(nèi)的競爭格局,更推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 Metal Jet 3D打印技術(shù)于2018年推出,通過有選擇的在粉末床上噴射粘結(jié)劑并最終實(shí)現(xiàn)零件成型?;萜找朐摷夹g(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于其創(chuàng)新的打印頭和粘結(jié)劑技術(shù)。 惠普Metal Jet 金屬3D打印系統(tǒng) 雖然粘結(jié)劑噴射技術(shù)本身就很快,但惠普仍然對(duì)打印頭進(jìn)行了改進(jìn)使其更快。Metal Jet系統(tǒng)配備6個(gè)打印頭,每個(gè)打印頭有5280個(gè)噴嘴?;萜辗Q,如此多的噴嘴可以為打印機(jī)帶來更高的生產(chǎn)率和可靠性。 此外,惠普利用其在墨水技術(shù)方面的專業(yè)知識(shí),開發(fā)了一種創(chuàng)新的粘結(jié)劑,可以使燒結(jié)過程更快、成本更低。在金屬注射成型過程中,通常需要燒掉10%以上重量的粘結(jié)劑,而新技術(shù)的比例不到1%,一個(gè)數(shù)量級(jí)的降低使燒結(jié)過程更簡單、速度更快、成本更低。 Metal Jet技術(shù)原理 通過將這些先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合,惠普希望將金屬3D打印實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)技術(shù)相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率。同時(shí),粘結(jié)劑噴射成型技術(shù)可能不僅有助于實(shí)現(xiàn)金屬3D打印的批量化生產(chǎn),還可能實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)性等可持續(xù)發(fā)展的價(jià)值主張。 大眾汽車使用Metal Jet技術(shù)3D打印定制的變速桿 目前,惠普金屬3D打印機(jī)已經(jīng)推出了零件生產(chǎn)服務(wù),不過設(shè)備的商業(yè)化需要等到2021年??梢灶A(yù)見的是,汽車行業(yè)可能會(huì)特別受益于該技術(shù)。大眾汽車已經(jīng)與惠普在金屬3D打印技術(shù)方面進(jìn)行了兩年的合作,希望將Metal Jet技術(shù)打印的結(jié)構(gòu)部件(例如變速桿和后視鏡支架)集成到其下一代汽車中。
05 總結(jié)語
惠普雖不是3D打印行業(yè)中的傳統(tǒng)玩家,但事實(shí)證明它給本領(lǐng)域帶來了極大改變,一是產(chǎn)品競爭格局,二是推動(dòng)了技術(shù)向生產(chǎn)級(jí)方向的改變,外媒更是聲稱惠普致力于成為3D打印市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。 惠普對(duì)其技術(shù)充滿信心,目前它已將3D打印作為其供應(yīng)鏈的一部分,并為其3D打印機(jī)生產(chǎn)大量零件。該公司自首次試水3D打印行業(yè)以來,一直押注于3D打印作為一種數(shù)字制造技術(shù),未來,惠普將加大其在3D打印領(lǐng)域的發(fā)展勢(shì)頭,以保持其在行業(yè)中的領(lǐng)先地位。
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