《3D打印技术变革传统注塑》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2021-03-16
  • 南极熊获悉,丹麦Freeform Injection Molding(FIM)的发明者AddiFab已于2021年3月10日宣布在超额认购的新一轮融资中成功筹集到了450万英镑(约4千1百万人民币),这将大大帮助这家公司提高FIM的可用性和供应。这轮融资由领先的私募股权公司West Hill Capital牵头,并且超额认购了2倍。整个过程仅用了48小时就完成了融资。

    Freedom Injection Molding自由注塑成型技术

    FIM技术大体上分为三个步骤,从3D打印开始,到注塑成型结束:

    1. 使用高端的Add-Line 3D打印机和AddiFab树脂打印注塑模具

    2. 使用传统的注塑成型机和常用的注塑材料填充3D打印的注塑模具

    3. 溶解或者拆开注塑模具

    使用可溶性3D打印材料是Add-Line生产链中最重要的创新点之一,并且能够使注塑成型技术能够像3D打印一样设计自由。

    资金到位,FIM技术加速产业化

    这一轮融资之后,AddiFab将会在以下几个方面加速FIM技术在国际市场的发展:

    增强FIM的可用性和全球化:南极熊曾报道过在2019年,AddiFab与三菱化学(Mitsubishi Chemical)合作,准备在美国、欧盟和日本提供自由注塑成型服务。现在,AddiFab将进一步加强FIM在这些市场和其他潜在市场的合作,保持良好的发展势头。

    增强FIM的影响和沟通:在过去的18个月中,FIM已经逐渐涉及到了一些高端行业的产品开发。这些行业包括:医疗设备、个人防护设备、汽车、包装、消费级电子产品、个性化假肢和主要公用设施。FIM在按需小批量注塑成型方面表现出了强大的能力,同时也为可循环材料和其他无法3D打印材料的提供了被使用的可能。

    增强FIM系统的供应:为了满足市场对FIM不断增长的需求,AddiFab打算将生产系统的数量迅速增加三倍。为此,AddiFab已将总部搬迁至哥本哈根,并拥有了更宽敞的新工厂。

    AddiFab的首席执行官兼联合创始人Lasse Staal表示:“自由注塑成型已迅速成为公认的3D打印模具技术的最佳选择。出色的设计自由度和不受限制的材料选择是推动注塑成型的关键因素。通过FIM,模型商可以减少注塑产品的上市时间和市场成本,同时还能够提高创新、定制和按需交付的标准。此轮融资将使我们能够加快国际自由注塑成型的进一步推广,以适应市场不断增长的需求。”

    目前,南极熊获悉,AddiFab已搬迁至新总部。新总部位于哥本哈根机场、地铁和高速公路附近,交通方便,并提供了两倍以上的增长空间。LasseStaal解释说:“在AddiFab,我们致力于为客户提供自由注塑成型技术的支持。新总部使我们能够将这种支持带到一个完全不同的水平。无论是可行性研究、现场研发项目还是更大的FIM系统软件包的交付,我们都将能够满足客户的需求。”

    有了新的资金和新的总部,随着世界从COVID-19的阴影中走出,AddiFab有望加速发展。Lasse Staal总结说:“去年证明了弹性供应链的重要性,这些供应链易于重新配置并且可以快速扩展。通过借助FreeformInjection Moulding技术,我们在灵活性和可扩展性之间取得了理想的平衡,我们渴望将这个强大的平台带给更多的高性能团队。”

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    • 第四次工业革命已经到来,随之而来的将是前所未有的变革和机遇。 作为此次革命的核心驱动力——数字技术正在变得越来越快捷和经济,带给更多人看得见、摸得着的切实利益。随着人工智能 (AI)、机器学习、生成式设计和大数据等新兴技术正在加速各行各业的发展, 3D 打印技术也正在一步一步地颠覆传统制造业。 数字化转型带来的深远影响是不可估量的,这一点无可厚非。但工业4.0时代不仅需要新的技术,还需要新的技能和新的思维与工作方式。 对许多企业来说,这一变革非同小可,因为这意味着要注入新的投资、实施组织变革和提升员工技能。而为了增强客户关系和吸纳新业务,这种变革是必须的。企业必须作出积极转变,拥抱工业 4.0。 解锁新的可能性,需要思维上的转变 以 3D 打印为例:3D打印技术,即增材制造技术,可以通过不断叠加和粘合材料层,从无到有地构建出一个完整的功能部件,而无需建造注塑模具。这一转变对制造流程和产品形态所产生的影响是巨大的。3D打印带来了整体效率的提升——不但缩短了设计周期,降低了总生产成本,还缩短了从生产到交付的时间。 影响还不仅于此:3D打印技术还改变了设计师和制造商的工作方式,他们所采用的技术以及所需的培训也完全不同以往。 首先,3D打印技术可以说为设计师和工程师们打开了一扇全新的大门,让他们有充分的自由空间,发挥自己的创意灵感,摆脱以往的限制和束缚。 因为无需再使用注塑成型的模具,即使是为大批量生产而设计,设计师也不再需要考虑拔模角度或接缝的问题。简而言之,他们需要摒弃种种来自传统制造业的桎梏。工业4.0时代需要的是全新的思维模式、设计思路和技能,因为增材制造可以允许设计师创造出更复杂、甚至前所未有的新部件,固守传统的设计思维会渐落人后。 其次,不同于传统制造业的线性工作流程,3D 打印要求设计师和工程师在流程的每个节点都要更紧密地协作。传统的制造流程中,设计师和工程师之间的互动十分有限,设计师完成产品设计后,交由工程师开展原型构建和测试工作,之后再构建注塑成型的摸具并进行批量生产。然而,这也意味着针对功能方面的考量仅仅出现在开发周期的后半阶段,包括材料性能、结构完整性和设计耐用性等。 而 3D 打印生态系统则鼓励构建一个集成度更高、互动性更强的流程。设计师必须从设计周期伊始就考虑一个零部件是如何制造出来的。全新的 CAD 技术(即计算机辅助设计技术)已经可以支持在设计视觉构建期间就将功能因素也纳入考量,因此工程师也必须在设计初期就参与进来。 新的数字技术带来新的机遇 3D打印还为设计师和制造商带来了学习和应用新技术的机会。生成式设计和机器学习这两大创新技术是促成这个机遇的关键。 随着数字化制造的普及,CAD技术也在不断发展和更新。现在的 CAD 软件已经可以与虚拟现实 (VR) 或增强现实 (AR) 技术结合使用,支持设计师将计算机生成的任一图像叠加到真实场景中。而且 CAD 软件的操作也变得更加简单易懂,有些甚至是专为非专业程序员打造的。这些趋势正在推制造业的大众化,让每一个具有设计创造力的人都有机会成为一个制造者。 自动化的生成式设计软件能支持设计师快速查看零部件设计,并基于所选材料、生产方法和成本约束等数据参数生成多种设计排列方式。工程设计领域的领导者欧特克(Autodesk)提出,AI 系统可通过应用生成式设计原则,从单一设计中自动生成多种高性能的产品选择。这对设计师来说大有裨益,因为他们可以举一反三,在AI系统生成的成百上千个更多的设计作品中挑选出一个最符合其重要标准的设计。此外,原始三维设计文件还能够直接连接到 3D 打印机,计算出精确的材料使用量并快速地进行原型构建,避免浪费。 企业如何帮助员工更从容地应对转变 面对众多可供选择的新工具和新技术,如何打造合适的工作环境和员工支持系统是企业迈向数字化制造转型的关键一步。 首先是鼓励工程师接触新技术并进行积极尝试。这些工程师们已经习惯于传统的注塑成型工作流程,在面临学习新技能时可能会感到有些挑战。但在尝试新工具、学习新技能的过程中,他们会体验到全新的设计力量。探索新功能,发现自身局限,将有助于激发新的思维方式。 在工程师尝试熟悉 3D 打印技术时,持续性的培训必不可少。在惠普,30% 的 Indigo 打印机工程师都接受了增材制造设计 (DFAM) 培训。从麻省理工学院到南洋理工大学,一些世界知名的高校也推出了在线课程和短期课堂培训,向处于职业生涯中期的工程师介绍 3D 打印的基础知识、应用和商业意义。 惠普还为处于数字化转型的客户提供诸多帮助。为了更好地了解客户的需求及其当前的制造方式,我们从生产线入手,去查看生产线上的不同组件,了解每个零部件的应用和标准。这样,我们可以识别出能用3D打印技术更优化、更快捷地生产的部件,从而最大限度地降低成本或减少对现有生产周期的影响。以这样的方式,我们与各个公司合作,帮助他们确定在制造流程中哪些零部件的生产可以用3D打印技术替换。 让下一代做好迎接数字化制造的准备 随着工程和设计变得越来越密不可分,混合高等教育课程也将在下一代工程师中越来越普及。帝国理工学院和宾夕法尼亚州立大学等高校已分别开始提供设计工程综合硕士学位和增材制造与设计工程硕士学位。惠普去年 10 月推出的 HP-NTU 企业实验室也将专注于开发关于增材制造设计的教育课程,涵盖数据管理、安全性、用户体验和业务模式等领域。 这些课程将设计思维、工程知识和实践相结合,能够为毕业生提供促进数字化制造发展所需的技能。在短短几年内,他们将成为加速和规范数字化制造的主力军。 行业的发展日新月异,如果制造商能够采用正确的工具和技术并激励员工探索创造性解决方案来应对业务挑战,那我们将有机会解锁无数崭新的商机。
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    • 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生产中去。很多人惊呼“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?是不是意味着所有的汽车零部件都可以用3D打印来生产? 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,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? 假如现在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,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,比如让直接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,每天至少可以产几百件。 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,既不牢靠,也不能直接投入使用。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3维数据均分成X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相比,他们是在二维空间工作,3D打印机是需要在三维空间来工作。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很容易打印出产品呢,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,因为层与层直接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.能非常方便地被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; 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。这个转化考虑到实用性,又不能有太高的成本,太高的环境条件。 于是科学家们根据这一特点开发出了感光性树脂这种材料。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移动,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,但是实际加工完第一层后,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一旦遇到氧气就会迅速固化,因此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。这种技术的原理是将要使用的原材料先加工成非常细的丝,丝的一端与马达相连,另一端通过加热后与喷嘴相连,转动的马达不断将丝推向喷嘴,喷嘴在程序下控制移动,就堆积在指定位置,凝固后就相当于打印出了这一层。再通过工作台的上下移动,就可以堆积出每一层,最终实现我们的成品。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、体积又比较小的零件。 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,要大规模应用在汽车上,如果去生产外观要求比较高,轮廓体积比较大的保险杠、门板、仪表台还不太现实,或者去生产外观要求不高,尺寸比较精密,结构比较复杂的连接件、紧固件、轴承等也还不太成熟,所以他还暂时不能取代传统工艺去生产对应的汽车零部件。