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3D打印機(jī)技術(shù)總結(jié)

2022-02-10

1、選擇性激光燒結(jié)(SLS) 

其原理是,激光選擇地逐層燒結(jié)固體粉末(材料除了主體金屬粉末外還需要添加一定比例 的熔點(diǎn)較低的粘結(jié)劑粉末,粘結(jié)劑粉末一般為熔點(diǎn)較低的金屬粉末或是有機(jī)樹脂等),同 時(shí)將燒結(jié)成型的粉末疊加至已固化的粉末層上,最終形成所需形狀的零件。這種技術(shù)依賴 的核心器件是紅外激光器,能源工作環(huán)境為氬氣或氮?dú)鈿夥铡>哂兄圃旃に嚭唵?、生產(chǎn)效 率較高、成型材料種類多、材料利用率高、成品用途廣泛、無需考慮支撐系統(tǒng)等優(yōu)勢。缺 點(diǎn)是由于粘接劑的作用,實(shí)體存在孔隙,力學(xué)性能差,需要高溫重熔再加工。此外,當(dāng)產(chǎn) 品存儲(chǔ)時(shí)間過長時(shí),會(huì)因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力釋放而變形,表面質(zhì)量一般。運(yùn)營成本較高,設(shè)備費(fèi)用 較貴。 

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2、選擇性激光熔化(SLM) 

該技術(shù)與 SLS 技術(shù)主要區(qū)別在于 SLM 通過激光器對金屬粉末直接進(jìn)行熱作用,不依賴粘結(jié) 劑粉末,金屬粉末通過熔化、凝固從而達(dá)到冶金結(jié)合的效果,最終獲得所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的金屬 零件。SLM 技術(shù)為了更好的融化金屬需要使用金屬有較高吸收率的激光束,所以一般使用 的是 Nd-YAG 激光器(1.064 微米)和光纖激光器(1.09 微米)等波長較短的激光束。優(yōu) 點(diǎn)是 SLM 技術(shù)使用純金屬粉末,成型的金屬零件致密度可達(dá)接近 100%;抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性 能指標(biāo)優(yōu)于鑄件,甚至可達(dá)到鍛件水平;致密度力學(xué)性能與成型精度上都要比SLS好一些。 另一種技術(shù)——選區(qū)電子束熔煉技術(shù)(EBM)與 SLM 技術(shù)相似,不同之處是 EBM 利用高速 電子束流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能作為熱源來進(jìn)行金屬熔煉,工作環(huán)境為真空。電子束做熱源, 相比于激光可實(shí)現(xiàn)更高的熔煉溫度,且爐子功率和加熱速度可調(diào),能熔煉難熔金屬,并且 能將不同的金屬熔合。但是也存在金屬收得率較低、比電耗較大、嚴(yán)格真空要求等缺點(diǎn)。 

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3、定向能量沉積(DED) 這項(xiàng)技術(shù)工作原理類似 SLM

由激光或其他能量源在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動(dòng),材料 以粉末或絲狀通過噴嘴直接噴射到高功率激光器的焦點(diǎn)上,熔化后逐層沉積,形成所需零 件。相比于 SLM 技術(shù)的優(yōu)勢之處在于,第一,該技術(shù)允許激光頭和工件更靈活地移動(dòng),從 而增加設(shè)計(jì)自由度。第二,在 DED 設(shè)備運(yùn)行中,惰性氣體直接從激光頭流出并包圍粉末流 和熔池,不依賴于充滿惰性氣體的壓力室,3D 打印加工過程可以立即開始,大大壓縮了生 產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。第三,能生產(chǎn)大型零件,且不需要任何支撐結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)在于熔化過程不如 SLM 精確,成品部件通常必須進(jìn)行再加工。 

4、微噴射粘結(jié)技術(shù)(3DP)

 3DP 技術(shù)與 SLS 工藝類似,采用陶瓷、石膏粉末成形。不同之處在于,材料粉末不是通過 激光器燒結(jié)固體粉末連接起來的,而是通過粘接劑打印頭沿零件截面路徑噴射透明或者彩 色粘結(jié)劑并將粉末凝固,其他位置的粉末作為支撐,之后再鋪設(shè)一層粉末,循環(huán)該過程直 至打印完成。3DP 技術(shù)主要依賴的核心器件是粘接劑打印頭,優(yōu)點(diǎn)在于成型材料范圍廣, 能耗小,設(shè)備體積小。但是缺點(diǎn)也顯而易見,粘接劑粘接的零件強(qiáng)度較低,需要后處理, 產(chǎn)品疏松多孔。 以色列 Objet 公司研制的 Polyjet3D 技術(shù)與 3DP 類似,不過噴射的不是粘合劑而是光敏聚 合成型材料。目前,Polyjet3D 技術(shù)已經(jīng)成為美國 Stratasys 公司的亮點(diǎn)。首先,多種基礎(chǔ) 材料可在機(jī)外混合,組合可得到性能更為優(yōu)異的新材料。其次,產(chǎn)品精確度可達(dá) 16 微米 的分辨率,可獲得流暢且非常精細(xì)的部件與模型。最后,該技術(shù)用途廣泛,可適用于不同 幾何形狀、機(jī)械性能及顏色部件的打印,例如:Polyjet Matrix 技術(shù)還支持多種型號(hào)、多種 顏色材料同時(shí)噴射。

 5、熔積成型法(FDM) 

其工作原理是將絲狀原材料(一般為熱塑性材料)通過送絲機(jī)送入熱熔噴頭,然后在噴頭 內(nèi)加熱熔化,熔化的熱塑材料絲通過噴頭擠出,擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng), 擠出半流動(dòng)的熱塑材料沉積固化成精確的實(shí)際部件薄層,覆蓋于已建造的零件之上,這樣 逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個(gè)實(shí)體模型或零件。 該項(xiàng)技術(shù)主要依賴微細(xì)噴嘴(直徑一般為 0.2~0.6mm)以及加熱器(保持半流動(dòng)成型材 料的溫度剛好在熔點(diǎn)之上 1℃)。

其優(yōu)點(diǎn)是 1、無需激光器等貴重原件,成本低、速度快。 2、對使用環(huán)境沒有限制,可以放在辦公室或者家庭環(huán)境使用,維護(hù)簡單、體積小無污染 3、材料易更換、強(qiáng)度韌性較高,極大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期,從而能夠快速響應(yīng)市場變 化,滿足顧客的個(gè)性化需求。但是也存在零件精度低以及難以形成復(fù)雜構(gòu)件和大型零件等 缺陷。 

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6、分層實(shí)體制造法(LOM) 

這種方法以片材(如紙或塑料薄膜等)為原材料,根據(jù)計(jì)算機(jī)掃描得出的零件橫截面,通 過激光裁剪,將背面涂有熱熔膠的片材按零件的輪廓裁剪,之后將裁剪好的片層疊加至已 裁好的片層上,利用熱壓裝置將其粘結(jié)在一起,然后再進(jìn)行下一層零件橫截面的裁剪、粘 合,最終形成實(shí)體零件。 LOM 技術(shù)主要依賴熱熔膠的性能,具有模型支撐性好,廢料易剝離,制件尺寸大,成本 低,效率高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度和彈性差,不能制造中空件;受制于材料影響,利用 LOM 技術(shù)打印的零件易吸濕膨脹,表面有臺(tái)階紋。

7、立體光固化成型法(SLA)

 SLA 技術(shù)的原理是,在計(jì)算機(jī)控制下,紫外激光按零件各分層截面數(shù)據(jù)對液態(tài)光敏樹脂表 面逐點(diǎn)掃描,使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化,形成零件的一個(gè)薄層,一 層層固化直到整個(gè)零件制作完畢。該技術(shù)主要依賴紫外激光器和適合的光敏材料。 一方面,液態(tài)樹脂材料成型,固化方式由點(diǎn)到線,由線到面,制作的產(chǎn)品精度較高,表面 質(zhì)量較好。另一方面,樹脂類材料本身存在一些缺陷,例如:強(qiáng)度,剛度,耐熱性有限, 不利于長時(shí)間保存,樹脂固化過程中產(chǎn)生收縮,不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。雖然 SLA 技術(shù)發(fā)展較早,目前較為成熟,但是 SLA 設(shè)備造價(jià)依舊高昂,維護(hù)和使用成本高, 而且需要設(shè)計(jì)工件的支撐結(jié)構(gòu)。 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織轄下增材制造技術(shù)委員會(huì)發(fā)布 ISO/ASTM 52900:2015 標(biāo)準(zhǔn)將增材技術(shù) 分為 7 大類,分別是:立體光固化(SLA)、粘結(jié)劑噴射(3DP)、定向能量沉積(DED)、薄 材疊層(LOM)、材料擠出(FDM)、材料噴射(PloyJet)、粉末床熔融(SLM、SLS、EBM)。 


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