在全球3D打印行業(yè)中，我們偶爾會(huì)遇到一些初創(chuàng)公司，他們的技術(shù)看似微不足道，但潛力巨大。這不僅僅需要有一個(gè)好的想法，更重要的是要找到真正的制造痛點(diǎn)。這并不像聽起來那么容易。更重要的是，公司要有解決這些問題的技術(shù)。Chromatic 3D Materials公司在熱固性材料，尤其是聚氨酯擠出方面的工作就是一個(gè)很好的例子。能夠熟練地、低成本地將世界上最常用的材料之一用于3D打印，將帶來巨大的市場機(jī)會(huì)。而C3DM的方法中最值得稱道的是，全世界眾多的擠出式3D打印機(jī)制造商，每一個(gè)人都可以使用這種方法。

該公司的方法是以材料和軟件為基礎(chǔ)的，與硬件無關(guān)。Chromatic 3D Materials公司的FlexTune? 3D打印聚氨酯是一系列橡膠彈性體，具有高性能和高回彈性，從汽車到消費(fèi)產(chǎn)品，幾乎有無限的潛在應(yīng)用。公司首席執(zhí)行官Cora Leibig，憑借其在材料行業(yè)20年的職業(yè)生涯，于2016年創(chuàng)立了該公司。她曾在陶氏化學(xué)研發(fā)和聚氨酯專項(xiàng)研發(fā)部門工作了十年。

Leibig博士解釋說："要想在材料界推出一項(xiàng)新技術(shù)，你必須證明它有價(jià)值數(shù)億英鎊的潛力。材料行業(yè)供應(yīng)鏈非常長。獲得最終產(chǎn)品之前需要經(jīng)歷許多步驟。"

這也是她最初被3D打印所吸引的原因，她解釋說："我感興趣的是使材料的選擇更接近最終用戶，這真正改變了向市場提供創(chuàng)新材料所需的動(dòng)力。我認(rèn)為3D打印將給世界帶來我們以前沒有見到過的創(chuàng)新材料，而且這些材料具有更高的功能性。"

熱固性材料在哪里？

在更仔細(xì)地觀察適合3D打印的材料時(shí)，Cora Leibig注意到，材料范圍確實(shí)受到了限制。而且過去（現(xiàn)在）最大的缺失部分是熱固性材料，包括聚氨酯以及硅酮和環(huán)氧樹脂。

由于熱固性材料的固有特性，它既非常有用，同時(shí)也很難進(jìn)行3D打印。但困難并不意味著不可能。與其他任何制造領(lǐng)域一樣，這需要研究。與任何熱固性應(yīng)用或工藝一樣，3D打印聚氨酯最大的挑戰(zhàn)是：化學(xué)反應(yīng)決定了它的加工方式，而不是加工系統(tǒng)的力學(xué)原理。

Leibig博士解釋道：“在熱塑性長絲打印機(jī)中，你必須調(diào)整打印頭的溫度和床的溫度。在熱固性材料中，你必須調(diào)整化學(xué)成分，這就更復(fù)雜了。在Chromatic 3D Materials公司，我們改進(jìn)了生產(chǎn)方法，比如擠壓材料的反應(yīng)密度，或者改變了它們的混合方式。"

FlexTune?系列聚氨酯橡膠彈性體可以打印出邵氏A范圍在40-90之間硬度的材料。這些耐久性材料在非3D打印應(yīng)用中使用了幾十年。它們可以被反復(fù)彎曲、拉伸、扭曲、擠壓。它們被用在鞋的后跟和外底、滾輪和液壓密封件的墊圈。Chromatic 3D Materials公司的團(tuán)隊(duì)找到了一種不犧牲高性能聚氨酯彈性體強(qiáng)度和耐久性的3D打印方法。

化學(xué)與力學(xué)

Chromatic實(shí)現(xiàn)的具體3D打印工藝可以說是結(jié)合了噴墨和擠出技術(shù)。在打印過程中，兩種液體成分在打印頭中混合，引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)液體離開噴頭并沉積在印刷表面時(shí)，材料是一種部分聚合的凝膠，在幾分鐘內(nèi)凝固成穩(wěn)定的粘性材料。整個(gè)過程是在室溫下進(jìn)行的。

換句話說，在熱塑性塑料擠出過程中，材料被熔化和重組，而熱固性材料實(shí)際上是在擠出過程中被 "生產(chǎn)"出來的。這樣一來，整個(gè)零件的化學(xué)鍵就很牢固，更加各向同性。Leibig解釋道："這意味著在本質(zhì)上，你所做的那個(gè)部件是一個(gè)單分子。另一個(gè)優(yōu)勢是我們的設(shè)計(jì)方式：打印出來的材料粘度比普通長絲低一萬倍左右，這意味著你可以更快地打印。"

這是一個(gè)化學(xué)挑戰(zhàn)，不是機(jī)械挑戰(zhàn)，但這并不意味著它是不可逾越的。而且3D打印這種材料的優(yōu)勢在于，人們可以使用50多年來在熱固性化學(xué)方面所有的知識(shí)。Leibig認(rèn)為，業(yè)界之所以沒有取得更多的進(jìn)展，主要原因是現(xiàn)今只有很少人在研究熱固性3D打印。

其中一家基于立體光刻技術(shù)的公司名為Carbon，其數(shù)字光合成技術(shù)使用熱固性材料和光聚合物的混合物來觸發(fā)光固化過程。Cora解釋說，Chromatics基于擠出的工藝提供了更多的通用性。"我們只是利用混合來觸發(fā)反應(yīng)。這使我們可以變得非常靈活，可以加入像著色劑之類的添加劑。"

Chromatic的擠出系統(tǒng)可以安裝在任何擠出式3D打印機(jī)上，只需用熱固性打印頭更換熱打印頭。Chromatic的團(tuán)隊(duì)使用的是標(biāo)準(zhǔn)的大型Juggerbot 3D打印機(jī)。Chromatic提供材料以及必要的軟件（后面會(huì)有更多的介紹）。對于許多硬件制造商來說，Chromatic 3D材料系統(tǒng)可以代表一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)，大大擴(kuò)展他們的市場范圍。

尋找痛點(diǎn)零件

利用這種通用性，Chromatic將重點(diǎn)放在工業(yè)設(shè)備的密封件和墊片等應(yīng)用上，這些都是供應(yīng)鏈成本極高的零部件。一個(gè)只需要幾分錢材料的零件，最終可能因?yàn)槲锪飨嚓P(guān)成本而花費(fèi)幾十美元。

Leibig博士解釋："密封件和墊片的供應(yīng)鏈上有很多專業(yè)設(shè)備，可能一整年只需要不到五百個(gè)零件。而且這些零件都是特殊形狀。對于注塑成型來說，這簡直是荒謬。所以，與這類零件相關(guān)的物流成本占零件成本的90%之多，主要是倉儲(chǔ)和配送。年加工數(shù)百萬個(gè)零件的注塑商不希望為了設(shè)置五百個(gè)零件的運(yùn)行而中斷生產(chǎn)。"

Leibig和她的團(tuán)隊(duì)做出的合理推斷是：如果材料足夠好，這些零件將是3D打印的理想選擇?！斑@確實(shí)是我們企業(yè)的重點(diǎn)所在，”她透露，“我們在小型車隊(duì)中發(fā)現(xiàn)了很多成功的案例，包括公共汽車、火車、拖拉機(jī)，還有老爺車，甚至只是工廠里的機(jī)械。"

由于FlexTune?材料在構(gòu)建過程中固化，不需要加熱避免變形，因此可以獲得20厘米以上的零件高度。但是這種方法的主要問題是缺陷會(huì)在材料中傳播，所以Chromatic開發(fā)了一種AI技術(shù)來補(bǔ)償任何缺陷，這意味著軟件開發(fā)占用了大約50%的研發(fā)時(shí)間。

在速度方面，F(xiàn)lexTune?材料的打印速度是熱塑性塑料擠出工藝的五倍左右。Leibig解釋說："設(shè)備升級(jí)有機(jī)會(huì)讓我們的打印速度甚至再快五倍。，我們零件的另一個(gè)主要特點(diǎn)是，他們是百分之百的固體，這使我們在必須密封以保持壓力的零件上幾項(xiàng)優(yōu)勢。"

Chromatic的客戶似乎很欣賞該技術(shù)的另一個(gè)主要特點(diǎn)---可以在其他材料上打印。這意味著我們最終可以在金屬零件上使用五軸機(jī)器人打印。Leibig說："我們在需要集成緩沖或密封的金屬零件方面看到了商機(jī)。"

熱固性3D打印服務(wù)

Chromatic 3D materials是一個(gè)專業(yè)的服務(wù)提供商和咨詢公司。Leibig解釋說："我們的許多客戶不想?yún)⑴c打印過程。我們的業(yè)務(wù)模式針對那些需要維護(hù)龐大備件庫的制造商。他們正在努力維護(hù)五百個(gè)或以上不同彈性部件的物理庫。"

例如德國鐵路服務(wù)公司Deutsche Bahn?；疖嚨倪\(yùn)行年限多達(dá)50年，很多備件已經(jīng)無法使用。"我們與他們合作，查看他們的資料庫，并確定可以使用我們的技術(shù)進(jìn)行3D打印的零件。然后，我們通過一個(gè)程序?qū)α慵M(jìn)行鑒定。我們快速修改材料化學(xué)成分的能力使我們能夠輕松滿足任何特定的零件要求。

到目前為止，Chromatic已經(jīng)建立了一個(gè)包含500種基于不同化學(xué)變化的材料庫。Cora解釋道："在短短四周左右時(shí)間里，我們就可以開發(fā)出一種新的可打印材料，可以滿足熱、機(jī)械強(qiáng)度或耐燃的要求。從這個(gè)意義上說，我們做咨詢服務(wù)。"

現(xiàn)在，該公司正在尋求擴(kuò)大內(nèi)部材料組合的數(shù)量，以便為更多的客戶提供大批量的零件服務(wù)。業(yè)務(wù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是零部件供應(yīng)商，并成為專業(yè)的熱固性3D打印提供商，生產(chǎn)中小批量難尋的零部件。"很多時(shí)候客戶甚至連零件的CAD圖紙都沒有了，這就是為什么我們認(rèn)為對整個(gè)生產(chǎn)形成控制很重要。所以，一旦我們在數(shù)據(jù)庫中為他們的零件建立了'數(shù)字模具'，我們就可以保證很短的周轉(zhuǎn)時(shí)間。"

隨著需求的增長，快速鑒定零件使用的能力將是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。與公司合作鑒定一種新材料的應(yīng)用可能需要長達(dá)6個(gè)月的時(shí)間，但聚氨酯已經(jīng)在許多傳統(tǒng)的制造應(yīng)用中使用，在許多情況下，它們已經(jīng)被國家和國際組織鑒定。這就是為什么3D打印它的潛在機(jī)會(huì)如此重要。