在全球3D打印行業(yè)中，我們偶爾會遇到一些初創(chuàng)公司，他們的技術看似微不足道，但潛力巨大。這不僅僅需要有一個好的想法，更重要的是要找到真正的制造痛點。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。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會。而C3DM的方法中最值得稱道的是，全世界眾多的擠出式3D打印機制造商，每一個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的，與硬件無關。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，從汽車到消費產(chǎn)品，幾乎有無限的潛在應用。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。她曾在陶氏化學研發(fā)和聚氨酯專項研發(fā)部門工作了十年。

Leibig博士解釋說："要想在材料界推出一項新技術，你必須證明它有價值數(shù)億英鎊的潛力。材料行業(yè)供應鏈非常長。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)新材料所需的動力。我認為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？

在更仔細地觀察適合3D打印的材料時，Cora Leibig注意到，材料范圍確實受到了限制。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，同時也很難進行3D打印。但困難并不意味著不可能。與其他任何制造領域一樣，這需要研究。與任何熱固性應用或工藝一樣，3D打印聚氨酯最大的挑戰(zhàn)是：化學反應決定了它的加工方式，而不是加工系統(tǒng)的力學原理。

Leibig博士解釋道：“在熱塑性長絲打印機中，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)整化學成分，這就更復雜了。在Chromatic 3D Materials公司，我們改進了生產(chǎn)方法，比如擠壓材料的反應密度，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打印應用中使用了幾十年。它們可以被反復彎曲、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公司的團隊找到了一種不犧牲高性能聚氨酯彈性體強度和耐久性的3D打印方法。

化學與力學

Chromatic實現(xiàn)的具體3D打印工藝可以說是結(jié)合了噴墨和擠出技術。在打印過程中，兩種液體成分在打印頭中混合，引發(fā)化學反應。當液體離開噴頭并沉積在印刷表面時，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。整個過程是在室溫下進行的。

換句話說，在熱塑性塑料擠出過程中，材料被熔化和重組，而熱固性材料實際上是在擠出過程中被 "生產(chǎn)"出來的。這樣一來，整個零件的化學鍵就很牢固，更加各向同性。Leibig解釋道："這意味著在本質(zhì)上，你所做的那個部件是一個單分子。另一個優(yōu)勢是我們的設計方式：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。"

這是一個化學挑戰(zhàn)，不是機械挑戰(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方面所有的知識。Leibig認為，業(yè)界之所以沒有取得更多的進展，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的公司名為Carbon，其數(shù)字光合成技術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。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打印機上，只需用熱固性打印頭更換熱打印頭。Chromatic的團隊使用的是標準的大型Juggerbot 3D打印機。Chromatic提供材料以及必要的軟件（后面會有更多的介紹）。對于許多硬件制造商來說，Chromatic 3D材料系統(tǒng)可以代表一個獨特的機會，大大擴展他們的市場范圍。

尋找痛點零件

利用這種通用性，Chromatic將重點放在工業(yè)設備的密封件和墊片等應用上，這些都是供應鏈成本極高的零部件。一個只需要幾分錢材料的零件，最終可能因為物流相關成本而花費幾十美元。

Leibig博士解釋："密封件和墊片的供應鏈上有很多專業(yè)設備，可能一整年只需要不到五百個零件。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，與這類零件相關的物流成本占零件成本的90%之多，主要是倉儲和配送。年加工數(shù)百萬個零件的注塑商不希望為了設置五百個零件的運行而中斷生產(chǎn)。"

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

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在材料中傳播，所以Chromatic開發(fā)了一種AI技術來補償任何缺陷，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："設備升級有機會讓我們的打印速度甚至再快五倍。，我們零件的另一個主要特點是，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優(yōu)勢。"

Chromatic的客戶似乎很欣賞該技術的另一個主要特點---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。"

熱固性3D打印服務

Chromatic 3D materials是一個專業(yè)的服務提供商和咨詢公司。Leibig解釋說："我們的許多客戶不想?yún)⑴c打印過程。我們的業(yè)務模式針對那些需要維護龐大備件庫的制造商。他們正在努力維護五百個或以上不同彈性部件的物理庫。"

例如德國鐵路服務公司Deutsche Bahn。火車的運行年限多達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進行3D打印的零件。然后，我們通過一個程序?qū)α慵M行鑒定。我們快速修改材料化學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)建立了一個包含500種基于不同化學變化的材料庫。Cora解釋道："在短短四周左右時間里，我們就可以開發(fā)出一種新的可打印材料，可以滿足熱、機械強度或耐燃的要求。從這個意義上說，我們做咨詢服務。"

現(xiàn)在，該公司正在尋求擴大內(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。業(yè)務發(fā)展的一個關鍵領域是零部件供應商，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為對整個生產(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)時間。"

隨著需求的增長，快速鑒定零件使用的能力將是一個新的挑戰(zhàn)。與公司合作鑒定一種新材料的應用可能需要長達6個月的時間，但聚氨酯已經(jīng)在許多傳統(tǒng)的制造應用中使用，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打印它的潛在機會如此重要。