新思路：從化學上大幅提升3D打印物理性能，雙組分聚氨酯材料Chromatic 3D

整理《2020年全球3D打印企業(yè)融資事件匯總》的時候，南極熊發(fā)現(xiàn)一些新興公司，他們很小，但潛力巨大。這不僅是擁有一個好主意就了事，不僅僅是找到制造的痛點，更重要的是，是擁有解決這些難題的專業(yè)知識。Chromatic 3D材料與熱固性塑料（尤其是聚氨酯）的FDM擠出加工是一個很好的例子。成為3D打印常用的材料，并且容易操作、經濟高效，那么它就會誕生巨大的市場機會。C3DM公司，就是可以適配全球眾多FDM 3D打印機制造商的設備。據南極熊統(tǒng)計數(shù)據，2020年全球FDM 3D打印機將出貨數(shù)百萬臺，玩家用戶遍布全球。

C3DM的解決方案是基于材料和軟件的，并且與硬件無關。Chromatic 3D的FlexTune™3D打印聚氨酯，屬于橡膠彈性體，可提供高性能和高柔韌性，從汽車到消費品，幾乎都可以適用。其CEO Cora Leibig在材料行業(yè)工作了20年,于2016年創(chuàng)立了公司。其中在陶氏化學公司，她從事企業(yè)研發(fā)和特殊聚氨酯的研發(fā)工作，有十年之久。

“要在材料領域推出一項新技術，您必須證明它具有巨大的應用潛力，” Leibig博士解釋道，“其原因在于供應鏈很深。在獲得最終產品之前，你必須完成許多步驟，解決大量問題�！�

這就是為什么最初她被3D打印所吸引的原因。“讓我感興趣的是，”她解釋道，“你正在將材料帶到與最終用戶更近的地方，改變了交付的創(chuàng)新動力，縮短了應用鏈條。我認為將會有從未見過的、功能更高的創(chuàng)新材料，會出現(xiàn)在3D打印領域�！�

熱固性塑料3D打印之路

仔細研究了可用于3D打印的材料之后，Cora Leibig注意到，目前有些熱固性塑料很難打印，包括聚氨酯、有機硅、環(huán)氧樹脂。

這是由于熱固性材料的固有特性，這些特性非常有用，但3D打印起來也非常困難。雖有困難卻不意味著不可能，需要加以研究。對于任何熱固性應用或工藝而言，3D打印聚氨酯的最大挑戰(zhàn)在于，需要從化學角度來解決問題，而不只是去解決3D打印機的設備力學設計。


在熱塑性長絲FDM 3D打印機中，您必須調整打印頭和床的溫度。在熱固性塑料中，您必須調整化學性質，有點復雜。在Chromatic 3D Materials中，他們修改了各個方面，例如擠出材料的反應密度，或混合機制�！�

FlexTune™系列聚氨酯橡膠彈性體的邵氏硬度是A40-90。這些材料已經在要求耐用性的非3D打印應用中使用了數(shù)十年。它們可以一遍又一遍地彎曲、拉伸、扭曲、擠壓。包括鞋的鞋跟和外底，輪滑刀片輪和液壓密封墊中的墊片。Chromatic 3D 的團隊找到了一種使用這些高性能聚氨酯彈性體進行3D打印的方法，而又不會犧牲其強度和耐用性。

化學與機械的配合

Chromatic改進的3D打印，可描述為噴墨技術和擠出技術的交叉結合。在打印過程中，兩種液體成分在打印頭中混合�；旌蟿幼饔|發(fā)化學反應。當液體離開打印頭并沉積在打印零件上時，材料變成部分聚合的凝膠。它在幾分鐘內固化成穩(wěn)定的粘性材料。整個過程在室溫下進行。

△視頻：聚氨酯材料3D打印材料

換句話說，在熱塑性擠出中，材料會熔化并重整，而實際上在擠出過程中會“產生”熱固性材料。這樣會在整個零件中產生牢固的化學鍵，并具有更各向同性的特性。“從本質上講，這就像由分子一個一個結合起來的，” Leibig解釋道，“另一個優(yōu)勢是我們設計的方式：從噴嘴出來的材料的粘度比普通絲材低約一萬倍，這意味著打印速度可以大大提高。”

化學比機械更具挑戰(zhàn)，但這并不意味著不可克服。優(yōu)點是，可以使用人們50多年來一直用于熱固性化學的所有工具，并將其應用于3D打印。Leibig認為，沒有取得太大進展的主要原因是，目前只有少數(shù)人在研究熱固性3D打印。

這其中最有名的美國Carbon，基于立體光刻技術的數(shù)字光合成技術，使用熱固性材料和光敏聚合物的混合物來觸發(fā)光固化過程。Chromatics的基于FDM擠壓的工藝可提供更多的多功能性。使用混合來觸發(fā)反應，使我們可以采用非常靈活的方式，加入添加劑，例如著色劑。

彩色擠出系統(tǒng)可以安裝在任何FDM 3D打印機上，并用熱固性換熱頭更換熱敏打印頭。Chromatic 3D團隊使用標準的大幅面Juggerbot 3D打印機，并提供資料以及必要的軟件。對于許多硬件制造商而言，Chromatic 3D材料系統(tǒng)可以幫助擴大市場機會。  


應用的落腳點

利用這種多功能性，Chromatic專注于工業(yè)設備的密封件和墊片等應用，其零件的供應鏈成本極高。由于物流相關的成本，僅需要幾美分材料的零件最終可能要花費數(shù)十美元。

“當我們查看密封件和墊圈的供應鏈時，有很多專門的設備，全年可能只需要不到五百個零件。都是定制的，從經濟成本角度上無法去注塑生產，” Leibig博士解釋說，“因此，與這類備件相關的物流成本高達零件成本的90％，消耗在倉儲和分銷上面。幾百個的量級，注塑廠商不愿接單�！�

如果材料足夠好，那么這些零件將非常適合3D打印來制造。無論是公共汽車、火車、拖拉機、老爺車還是工廠的機械、小型車隊，3D打印的這類零件取得很好的應用。


由于FlexTune™材料在3D打印過程中會固化，并且不需要加熱即可避免變形，因此零件高度可以達到20厘米以上。主要限制是一旦有缺陷，就會積累和放大，因此Chromatic開發(fā)了一種AI技術來補償出現(xiàn)的任何缺陷，他們大約50％的研發(fā)時間都花在專用軟件開發(fā)上。

在速度方面，F(xiàn)lexTune™材料的打印速度比熱塑性FDM工藝快約五倍。打印零件是100％致密的，滿足密封零件的壓力要求。

厲害的是，這個技術可在其他零件上進行打印。例如五軸機器人在金屬零件上進行3D打印。對于需要集成緩沖或密封的金屬零件，有著大量的市場機會。