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2019年10大3D打印技术、材料和应用突破

2019年即将过去,3D打印技术的革新继续获得突破,从打印速度提升到打印材料扩展,从应用深入到生产流程的全自动化,新突破和新技术引领2019年度3D打印行业的发展。在此,盘点一下本年度3D打印技术突破和应用。

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1. 轴向光刻技术

如果传统上提到的3D打印还只是二维打印的纵向叠加,那轴向光刻则能称得上是真正的三维成型。1月31日,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)与加州大学伯克利分校的研究人员于《Science》发表最新成果,其采用多激光在轴向旋转过程中实现不同角度同时曝光,使材料能够从模型的“内核”逐渐向外部固化,实现了真正的立体打印。

3.2.gif轴向光刻体积打印

轴向光刻技术比现有的聚合物3D打印技术快很多倍,通常只需几分钟就可以完成打印,生产的零件具有良好的表面粗糙度,并且可以做到更大的尺寸。此外,轴向光刻技术所打印的零件受周围液体浮力的支撑,首次实现真正无支撑3D打印。未固化的光敏材料也几乎零浪费,100%可重复利用。

2. 3D打印会生长的骨、会呼吸的肺,会跳动的心脏

2019年,生物和医学3D打印取得重要突破。4月15日,以色列特拉维夫大学在Advanced Science上刊文,宣布成功用人体细胞制造出世界上首颗3D打印心脏。这颗人工心脏大约两厘米长,不仅有心脏细胞,还有血管和其他支撑结构,甚至能像真实的心脏一样跳动。最关键的是,这颗心脏的“打印原料”和“粘合胶水”,均来自患者本人体细胞,不会在进行器官移植时产生任何排异反应。这项研究为器官移植带来新的可能。

3.3.gif心脏3D打印过程

4月18日,西北工业大学汪焰恩教授团队3D打印活性仿生骨技术取得突破性进展,团队研制的3D打印活性仿生骨可以做到与自然骨的成份、结构、力学性能达到高度一致,可在生物体内“发育”,甚至使自体细胞在人造骨中生长,最终,人造骨与自然骨很好地生长在一起。


3D打印的活性仿生骨

5月3日,《Science》最新一期封面文章带来了美国莱斯大学与华盛顿大学的研究团队的一项里程碑式发明,他们采用立体光刻3D打印技术制造了肺部错综交缠的血管网络以及用于运输空气、淋巴液等物质的管道。这枚3D打印的肺具有完整的血管结构,能够朝周围的血管输送氧气,完成“呼吸”过程。

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3D打印的可呼吸肺泡组织

8月2日,美国卡内基梅隆大学Feinberg教授团队提出了一种利用悬浮水凝胶自由可逆嵌入(FRESH)来对胶原蛋白进行3D生物打印,这种方法能够从毛细血管到整个器官的不同尺度上直接获得具有精确控制组成和微观结构的人体心脏组织成分。相关论文以“3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart”为题,发表在《Science》上。

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用人类心肌细胞打印的心室显示同步收缩

从这四项重要进展可以看出,3D打印对于医疗的贡献是巨大的。在未来10年,人们有可能会采用自身的组织细胞制造出活性的组织和器官,这无疑能够最大程度解决移植器官的供体短缺问题。

3. 新型大尺寸、高速、光固化技术,突破Carbon打印速度最高纪录

2019年10月18日,《Science》发表美国西北大学关于一种大尺寸、高速、光固化(DLP)3D打印机的最新成果,其改进的重点与Carbon的CLIP技术类似,即通过树脂槽的改进(创建隔离层)防止打印过程中零件与树脂槽的黏连,从而可连续性实现快速打印;同时,该方法还可消除固化过程中产生的热量,最终突破了Carbon  CLIP技术打印速度的最高纪录。

3.7.gifHARP快速打印过程

得益于良好的散热技术,HARP技术打印的零件不会出现破裂和变形,可打印高强度、弹性以及陶瓷零件。这些连续打印的零件机械性能很好,可用于汽车、飞机、牙科、矫形器、时尚等领域。HARP原型机尺寸为610*380*3960mm,每小时连续垂直打印高度超过430mm,固化树脂100升,具有3D打印创纪录的吞吐量。HARP技术有望在未来18个月内进行商业化应用。

4. 高强铝合金材料屡获突破

本年度,国际范围内有多个牌号的高强铝合金获得上市和应用。

3月,中国长沙新材料产业研究院通过添加稀土元素及化学成分调整、后处理工艺摸索等手段,成功研制出了一种高强铝合金粉末材料。通过在多家用户不同型号设备上机使用验证,此种合金粉末材料的成型零件室温拉伸强度达到535MPa以上,屈服强度达到510MPa以上,延伸率达到12%以上。与空客公司研发的高强铝合金粉末产品性能相当,目前已被航空航天用户采购应用。

8月,莫纳什大学吴鑫华院士领导的研究团队成功开发出了牌号为Al250C的高强高韧增材制造专用铝合金材料,为3D打印铝合金材料再添一名明星成员,其拉伸强度目前已超过600Mpa,屈服强度可达580MPa,延伸率11%,制备的构件在250℃高温下通过了持续5000小时的稳定试验,相当于发动机常规服役25年的要求。此举受到了包括美国通用、波音、雷神、赛峰等多家航空巨头的重视。同月,英国铸造专家Aeromet International宣布,其获得专利的铝合金A20X已超过500 MPa的极限拉伸强度,这一成就将这种材料确立为“市售最强的铝增材制造粉末之一”。A20X是一种铝铜合金材料,已经被领先的航空铸造供应商的全球网络所采用。

3.8.jpg当前高强铝合金的性能对比(具体成分数据上传至QQ群)

10月,美国休斯研究实验室(HRL)开发的3D打印用高强7A77.60L铝合金正式投放市场。该材料因使用锆基纳米颗粒作为成核剂,避免了7075和6061铝合金在采用激光进行打印时出现的易开裂问题,并可实现细晶粒微观结构,强度超过600 Mpa,成为首个可用于增材制造的锻造等效高强度铝合金。

据SmarTech介绍,铝合金占金属3D打印中所有金属粉末的消耗量(按体积计算)将从2014年的5.1%逐渐提高到2026年的11.7%左右。铝合金正在追赶上钛、镍和钢等材料,成为支持增材制造下一代发展的重要机遇。

5. 哈佛大学开发多材料多喷嘴,高频无缝切换3D打印系统

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11月13日,哈佛大学工程与应用科学学院研究团队在国际顶级期刊《Nature》在线发表研究文章,涉及一种新型的多材料全彩3D打印系统,为3D打印功能材料制造提供了一种新的途径。


研究团队采用该技术开发的16脚软硬质弹性体功能机器人

该团队设计的多材料多喷嘴3D打印系统通过使用高速压力阀控制并行排列的多达128个喷嘴,能够在极短时间内实现八种不同材料无缝高频切换,实现对材料组成、几何形状和结构性质的体素级别控制,从而大大拓宽了可以设计和制造复杂图案的体素化材料的范围,推动了增材制造可达到的速度和材料界限。这一突破不仅仅是实践应用的进步,更具备改变设计、制造功能器件的潜力。

6. eos金属3D打印批量生产全自动化试点取得全面成功

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自2017年5月以来,EOS联合戴姆勒汽车、Premium Aerotec(飞机零配件制造商)发起名为“NextGenAM”的新一代增材制造试验性生产线项目,旨在探索金属3D打印在批量生产中的自动化潜力。今年5月,该项目成功完成,11月,该项目成果在法兰克福3D打印展会期间面世。


金属打印无人干预、全自动化的生产流程

“NextGenAM”致力于无人干预、全自动化的生产流程,所有机器网络化,全部由中央自动控制站发出命令并控制,集成质量管理的连续3D数据链使该生产系统成为未来工业4.0基准的首批案例之一。自动化的生产线可被轻松复制,以扩大工厂的产能。该项目的成功证明,金属3D打印完全可以自动化的实现经济、高效的批量生产,同时也证明了数字化制造的可行性。

7. 激光烧结技术开启光源性改变

传统上,激光烧结技术一直使用CO2激光器作为能量来源,即EOS于去年推出基于近百万个二极管激光器阵列的LaserProFusion技术之后,SLS技术的光源开始发生多样性改变。

3月,中国华曙高科推出高分子光纤激光烧结技术,在效率、产能、打印细节品质方面刷新现有同类技术的记录,把SLS工艺带到了新的发展阶段。

3.11.jpgSLS光源改变,打破常规

11月,EOS再次革新SLS技术—第一次将CO激光器用于工业级粉末床3D打印。相比于CO2激光器,CO激光具有前者一半的输出波长,更高的材料吸收率和更小的聚焦光斑,从而可以更高的粉层厚度和更低的功率进行更高细节表现力的加工。

SLS技术光源形式的改变,均在于提升生产效率和降低生产成本,对丰富技术多样性和促进3D打印应用大有裨益。

8. 飞秒投影双光子光刻,将3D打印提速1000倍

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基于双光子光刻(TPL)的亚微米增材制造技术有望实现量产制备具有纳米尺度的复杂三维结构。然而,对于工业应用而言,TPL的连续逐点扫描速度太慢。同时使用多个单光电无法达到亚微米分辨率,或者无法模拟复杂的结构。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和香港中文大学合作提出一种通过超快激光打印亚微米结构的技术,通过投影2D聚焦平面构筑3D模型。这种方法在不牺牲分辨率的情况下将传统方法的产率提高了三个数量级,能够在8分钟的时间内打印出传统TPL方法几个小时才能完成的结构。


制备纳米尺度复杂三维结构

该技术的打印量、分辨率和模式灵活性使其成为一项有吸引力的技术,可实现微纳米结构的批量制造,可用于机械和光学超材料,微光学、生物支架,电化学接口和柔性电子器件多种领域,是一项具有实用性的革新技术。相关研究成果刊发在《Science》上。

9. 中国国产大尺寸SLM设备爆发

此前,基于SLM的大尺寸金属打印机几乎全部为欧美公司所垄断,如SLM Solutions (SLM800)、concept laser (X line 2000R、1000R),以及3D Systems(DMP Factory 500)等。随着中国国内航空航天等领域应用需求的增加,中国国产金属打印品牌不仅在技术上快速跟进,在设备研发能力上也弥补了尺寸不足带来的应用受限情况。

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2019年,金属打印品牌如铂力特、探真、易加三维、华曙高科等推出的大尺寸SLM打印机技术逐渐成熟,江苏永年激光全球最大的粉床SLM设备已经完成设计,即将在2020年上半年推出,这意味着中国国产设备商已完成技术积累,跳出对标欧美产品的设计局限,开始了更高级别的自主创新,而应用市场也表现出对国产品牌的信赖。大尺寸 SLM 设备将解决中国大型航空航天精密复杂构件的生产制造瓶颈问题。

10. 应用常态化、广泛化、深入化

今年四月,惠普发布公告称,其采用MJF技术打印的零部件总量已超过1000万个,其中50%是功能原型,另外50%是最终产品,然而这一数据并未引起太大反响。从航空航天、汽车到医疗,3D打印的应用案例已经很难再作为一项让人惊异的新闻进行深入报道,这体现出业内用户整体认知水平的提升以及3D打印应用的常态化和广泛化。

3.14.gif中国3D打印在轨应用已非首次

与此同时,一些细分领域的应用表现出特殊的活力,如生物3D打印,鞋类、眼镜和矫形领域的材料和工艺突破,以及面向特殊应用(如制冷行业、火箭燃烧室等)的新研究等等。研究和应用的深入化主要体现在新型功能器件的开发,如柔性电子器件、(微型)机器人、器件嵌入式打印等等。此外,应用端的变化还包括用户已经不仅仅是尝试使用3D打印,而是考虑如何用好3D打印。

END

2019年,3D打印技术的突破最直接体现在各类顶刊文章的发表上, 从science、nature到其他专业期刊,3D打印研究成果在今年呈现井喷趋势。这些突破既包含材料、工艺,也包含技术应用,这体现出3D打印研究和应用的深入,3D打印的发展不仅走向常态化更向此前未曾触及的细分领域发展。

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