突破逐层打印的局限

作者:本刊记者 Heather Caliendo 文章来源:PT塑料网 点击数:21 发布时间:2019-07-12
众所周知,硅谷是新技术和科技进步的发源地。Carbon公司就是一家来自硅谷的创新型企业,该公司开发的一种DLS技术突破了传统3D打印以逐层方式制造的局限,能够从树脂池中通过连续向上拉动而一步生成打印部件。由于是单层结构,因此部件具有更好的各项同性。
突破逐层打印的局限

总部位于硅谷的Carbon公司成立于2013年,该公司专注于以工业规模生产部件,其口号之一是“停止原型开发,开始生产”。在成立后,Carbon公司首先推出了一种新的增材制造(AM)技术,该技术能利用光和O2从液体树脂池中快速生产出产品。

“我们正利用硅谷最好的数字技术为市场带来创新,以及更先进的材料科学和增材制造工艺。”Carbon公司首席执行官和联合创始人Joe DeSimone说,“创新有很多不同的方式。”

一种新的思维方式

Joe DeSimone的整个职业生涯一直处于科学、工程、医学和聚合物的交汇点上。在美国北卡罗来纳大学和北卡罗来纳州立大学进行学术研究期间,Joe DeSimone发表了300多篇文章,并以他的名字冠名了150多项专利,另外还有80多项正在申请中。Joe DeSimone之前还与其他人共同创立了多家公司,包括Micell Technologies、Bioabsorbable Vascular Solutions和Liquidia Technologies。

虽然Joe DeSimone一直对3D打印技术抱有浓厚的兴趣,但是他也看到了以逐层方式进行打印的局限性。他认为,这项技术本身没有合适的属性来生产真正的部件。换句话说,它只是一种适合于原型开发的特有技术。

Joe DeSimone(站立)和其他员工
Carbon公司的首席执行官和联合创始人Joe DeSimone(站立)和其他员工在进行开放办公设计,据称这样有利于创意的分享

此时,同样也在Liquidia Technologies公司工作的Alexander Ermoshkin(Carbon公司的联合创始人兼首席技术官)找到了Joe DeSimone,他认为可以更有效地完成3D打印。两人一拍即合,最终获得了一种新创意,这就是Carbon公司的DLS(Digital Light Synthesis)技术。

该技术通过一种CLIP(Continuous Liquid Interface Production)工艺而得以实现。它不像传统3D打印是以逐层的方式进行生产,而是通过从树脂池中连续向上拉动从而一步生成打印部件,就如同终结者2中的著名场景一样,杀手机器人T-1000从熔融金属中缓慢升起。生长中的部件其底部用紫外线(UV)固化。据报道,通过这项技术打印的部件具有优异的力学性能、分辨率和表面光洁度。另外,由于是单层结构,因此这些部件被认为要比逐层打印的部件拥有更好的各向同性。

Carbon公司的技术不仅可以生产最终部件,而且速度也更快。据报道,它的速度比其他AM工艺要快100倍。“这是制造方式的重大突破。” Joe DeSimone说。在初始成型之后,部件需要在强制通风的烘箱中进行后固化,以实现其全部性能。

M1打印机是Carbon公司推出的第一台采用DLS技术的3D打印系统,能生产不分层且拥有高分辨率、高表面光洁度的部件。更新的M2打印机其成型空间是M1的两倍,为打印更大的部件、实现更高的产量和更低的成本创造了条件,而所有这些都是建立在与M1打印机相同的高分辨(75μm)以及打印的各项同性基础之上。值得一提的是,在打印过程中,搭配经过优化的智能部件清洗机,可以将清洗每个部件所需的人工降至最低。

SpeedCell是连接生产单元的控制系统,它能以任何规模、可重复地生产出用于最终用途的部件。M系列打印机和自动化的智能部件清洗机是Carbon公司一系列模块化产品的首批成果,它们使得各行各业都可以采用一个通用的制造工作流程来设计、开发和生产最终部件。

Carbon公司的另一个与众不同之处是,它为其3D打印系统提供一种独特的基于订阅的模式。具体方法是将连接的、以数据为中心的硬件与大约每6周进行一次的定期无线软件更新升级相结合。

Carbon公司运行的M系列3D打印机
Carbon公司在硅谷运行的M系列3D打印机

Carbon公司的M系列打印机
Carbon公司的M系列打印机从液态树脂池中持续向上拉升一个部件,同时用紫外光固化生长中的部件的底部。M2打印机是Carbon公司的第二代3D打印机。它为更大的部件、更高的产量和更低的部件成本创造了条件。它的成型空间为7.4in×4.6in×12.8in(1in=2.54cm)

Joe DeSimone表示,订阅模式是Carbon公司业务领域的一个重要内容。“客户能以低价获得高性能的设备,而不用担心它会过时,这不仅对3D打印行业来说是全新的,对于许多制造设备也是如此。”他表示,“想象一下,如果你的注塑设备能够不断改进,这是不是令人十分欣喜,而这就是这个模式允许我们做的事情。”

这种基于网络的软件升级是不是特别容易让人想起电动汽车公司特斯拉?Carbon公司现任工程部门负责人Craig Carlson就曾担任过特斯拉的软件和电气集成业务副总裁。Carbon公司还聘请了其他几位前特斯拉员工,如软件工程总监Roy Goldman就是其中一位。他于2015年初加入Carbon公司,此前他在特斯拉的软件团队工作了四年多,负责Model S车载显示器、移动应用程序和基于云的系统。

“在特斯拉,我们曾雄心勃勃地要将人们认为没有关联设备的连接起来。不过,这种思维当时是用于汽车。”Goldman说,“但现在,对于制造设备来说,采用这种思维方式也是非常有益的。我们正在帮助设计师和工程师们重新思考我们技术的可能性。”

与阿迪达斯的伙伴关系

目前,Carbon公司最大的合作伙伴之一是阿迪达斯(美国俄勒冈州波特兰市)。两家公司于2017年宣布合作,并推出了Futurecraft 4D,这是第一款采用Carbon公司DLS技术生产的高性能运动鞋。

安装了Carbon公司软件的M系列打印机,可以从大量的可编程液体树脂中打印出带有格子的独特框架,以替代诸如鞋内中底的材料。其独一无二的地方是,Carbon公司能够根据客户的应用需求来设计和制作可调节的格子框架。工程师们第一次能在一个整体部件中3D打印出多个独特的功能区域,并根据应用要求调整每个功能区域内的力学性能。

阿迪达斯与Carbon公司合作开发了一款中底,它能够满足跑步者所要求的性能和舒适度。现在,阿迪达斯正在寻找一个平台,使其能够调整整个鞋子的缓冲性能,并最终提供订制的运动鞋。Carbon公司的DLS技术使阿迪达斯能够通过一个单独的部件精确满足每位运动员在运动、缓冲、稳定性和舒适性方面的需求。截止到2018年底,阿迪达斯已经生产了超过100000双这样的运动鞋。

数字化的鞋类部件开发过程消除了对传统原型制作或成型的需要。Carbon公司的技术使阿迪达斯实现了50多次设计升级。两家公司的工程师们密切合作,测试了近150种树脂。

阿迪达斯Futurecraft 4D跑鞋中底
Carbon公司在其3D打印设备上生产出的阿迪达斯Futurecraft 4D跑鞋中底,它拥有不同的格子框架结构

最终的中底材料是紫外线固化树脂和聚氨酯的混合物。它是一种坚硬的弹性体,能通过格子框架的形式打印出来,形成一个高性能的中底。

DLS技术的其他潜在应用还包括自行车座椅、矫形垫和耳机。“这将改变我们创造产品的方式,当然也会改变消费者体验产品的方式。” Joe DeSimone表示,“我想说这只是一个开始。”

创新速度

位于美国俄亥俄州克利夫兰的Vitamix公司专业生产用于家庭和商业用途的混合设备。最近,该公司与Carbon公司合作,重新设计了一种在商业环境中使用的专用喷嘴

旧的喷嘴由6个注塑部件组装而成。而Carbon公司通过3D打印的方式直接生产出了一款优化的Vitamix喷嘴,免去了组装步骤。该公司的数字化制造能力可以进行快速的设计验证以及最终的可制造性验证,这使得产品工程师在短短的4周内就完成了6~7次的喷嘴设计升级。与之相比,如果通过注塑成型的方式,单次设计升级和模具的制作可能就需要8~10周的时间。

“我认为注塑成型的限制在于开发新产品时的经济因素,因为你无法以数字化的方式进行前期工作,因此也没有办法很快地行动,这导致交货时间延长,而且高昂的模具成本也可能会为整个项目带来风险。” Joe DeSimone说。

Carbon公司参加了NPE 2018展会,该公司的联合创始人兼业务发展副总裁Phil DeSimone表示,这个展会让Carbon公司能够在成型商面前展示自己技术,并让成型商理解该技术可以成为他们工具箱中的一个工具,而不是传统成型技术的替代品。

Carbon公司聘请了几位在注塑成型方面有丰富经验的员工。Joe DeSimone表示,该公司渴望从注塑成型中学习更多的知识,并帮助成型商了解如何针对增材制造而进行重新设计。“这是对他们已有工作的补充,因为潜在的客户可能想更快地获得部件,或者他们只需要100个部件,而采用Carbon公司的这项技术,这些成型商们就可以和这些客户之间实现很好的合作。这使得成型商们能够在这个新的前沿中,用模拟和数字之间的平衡来补充现有的基础设施。”他说。

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