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卢秉恒院士团队成功研发工业级3D打印机挤出成形工艺EDP系列设备

   2021-01-25 国家增材制造创新中心国家增材制造创新中心0
核心提示:西安增材制造国家研究院卢秉恒院士团队汽车组成功设计和研发了挤出成形工艺(EDP)系列设备。
     在工业制造领域,产品竞争愈演愈烈。如何缩短产品设计和开发周期,是当前加工制造业发展的一大痛点。而3D打印技术可在短时间内直接制造出设计原型,以便开发人员快速优化结构和完善设计。尤其在一些小批量非通用零部件、工装夹具方面,3D打印技术以其超高的制造效率和极低的生产成本,给传统加工行业带来新出路。
 
    桌面级3D打印常常采用FDM设备,即利用熔融沉积成型原理,加热喷头沿零件截面轮廓作X-Y平面运动,同时将熔化的材料挤出,在工作台上迅速冷却成一层薄片轮廓。如此循环,层层堆积,最终形成三维产品零件。但面对工业级尺寸零部件时,FDM设备的打印效率低下,不能完美地对打印材料续料,且打印件性能较差,层间结合力仅为注塑件的30%—50%,极大地限制了FDM设备在工业领域的应用。
 
    西安增材制造国家研究院卢秉恒院士团队汽车组着眼于实现低成本、真正工业级熔融沉积(FDM)打印,以商业化颗粒料为打印原材料,以打印制造应用终端产品为目标,使用螺杆转动作为树脂熔融和送进的动力来源,达到树脂材料快速熔融和高效率挤出的目的,最终成功设计和研发了挤出成形工艺(EDP)系列设备。

 
EDP3D打印机
 
 
    该系列设备打印效率高、成型尺寸大、层间结合力强,同时拥有从底层开发的控制系统,设备带打印仓保温系统等优势。目前,增材院研发的EDP系列设备如上图所示。
 
 
 
    设备特点
 
    01.超高的打印效率
 
    EDP-P006最大挤出速度1Kg/h
 
    EDP-P01最大挤出速度3.2Kg/h
 
    EDP-P02最大挤出速度15Kg/h
 
    EDP-P04最大挤出速度25Kg/h
 
    综合而言,EDP系列设备的打印效率约为传统FDM设备的30-200倍。
 
    02.螺杆结构打印头+自动上料
 
    EDP设备采用螺杆结构的打印头设计,对打印材料进行有效塑化,保证出料稳定、流畅、不堵头,同时配合自动上料设计,既可提高打印效率,亦可提升打印件层间结合力。
 
    03.打印件性能佳
 
    使用EDP设备制作的打印件层间结合力强,其性能接近注塑件,满足工业领域需求。
 
    EDP3D打印机
 
    上图是不同ABS材料制造方式力学性能对比。其中试样未加工,表示从EDP打印成板后直接剪裁下来的标准试样,而试样加工后,表示按照相关国标要求裁剪后,对试样的表面进行了精加工,保证试样表面符合国标要求。通过此图可以看到,EDP打印试样的力学性能远超传统桌面机FDM设备打印件,基本接近注塑件性能的,特别重要的一点,是EDP打印件的层间结合力得到了极大改善,从而解决了传统桌面机FDM设备打印产品一个巨大的痛点。
 
    04.多变的材料适应能力
 
    EDP设备打印材料分为两类:
 
    一类是传统商用热塑性树脂颗粒料,其优势在于材料易得且成本低廉,极大地降低了打印制造的成本;
 
    另一类是针对不同领域和产品专门开发的特种材料,如耐高温打印材料、高强度打印材料、医疗支具专用材料等,以满足不同领域的打印制造需求。多种类型材料的使用和开发,既满足了多领域的不同制造需求,也印证了EDP设备优异的多材料适应能力。
 
    设备应用
 
    目前,增材院工业级EDP设备已完成核心关键零部件的设计和制造工作,同时配备专属的控制软件,可实现在线监控、连续打印及断电续打功能,在模具制造、大尺寸工业产品制造、文创雕塑产品等领域均有应用。另外,增材院还可提供多种材料体系工艺包的制定,包括ABS、PLA、PC、PP、PMMA及其加玻纤或碳纤材料体系工艺方案,可针对不同领域需求制定完整的产品解决方案。
 
    01.快速模具制造
 
    02.大尺寸零部件的直接打印
 
    这包括产品预研期间的零部件验证,以及展车的制造等,使用EDP-P01和EDP-P04设备对其所需的汽车外形零部件进行打印,随后根据需求对打印件进行机加工和表面处理,最终获得其所需的零部件。
 
    03.医疗支具快速定制
 
      矫形支具尺寸约210×180×310mm,重约250g,打印耗时约45min。由于材料特殊,导致该件打印效率相对较低,这也印证了EDP系列设备对打印材料极大的适用性。
 
    只需要经过简单的处理和加装相应的配件,该打印支具就可成为一个成品的矫形辅具。因其柔韧性较好,患者可多次穿戴和脱取,且佩戴上身后无明显配重感。同时也可实现个人定制设计,以便更好地贴合病人身体结构,特别是针对如脊柱侧弯和先天性髋关节脱位这类需要阶段性调整治疗方案的身体畸形,3D技术打印有着不可替代的优势。
 
    04.文创雕塑快速制作
 
    传统外景雕塑制造采用泡沫精雕加玻璃钢外表面覆盖的方式,但泡沫精雕制造成本较高,同时面对超大尺寸雕塑件时,泡沫也无法承受较大的外覆盖玻璃钢的重量。而EDP设备恰好为大型雕塑的制造提供了新思路。左图为用EDP设备打印的雕塑牛,打印时长仅为40h。
   定制创意家具之所以成本极高,主要由单件单模的制造流程导致。而采用EDP设备可实现创意定制家具的无模化生产,既可快速一体成型,又可突破传统工艺限制,打造优美曲面造型,满足消费者个性化需求。
 
    05.电力防护行业的应用
 
    由于EDP设备拥有极高的打印效率,可满足电力行业紧急情况的防护产品的制作需求。下图为EDP设备在电力行业的应用,其中左图为传统屏蔽罩,右图为使用EDP设备快速制造的屏蔽罩产品。
 
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