魔猴網(wǎng)3D打印工藝原理簡(jiǎn)介
魔猴君 知識(shí)堂 3510天前
3D打印是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱,其基本過程是:首先設(shè)計(jì)出所需零件的計(jì)算機(jī)三維模型(數(shù)字模型、CAD模型),然后由計(jì)算機(jī)對(duì)模型進(jìn)行切片處理,即按照一定的規(guī)律將該模型離散為一系列有序的單元,通常在Z向?qū)⑵浒匆欢ê穸葘⒃瓉淼娜SCAD模型變成一系列的層片;再根據(jù)每個(gè)層片的輪廓信息,輸入加工參數(shù),自動(dòng)生成數(shù)控代碼;最后由成形系統(tǒng)成形一系列層片并自動(dòng)將它們聯(lián)接起來,得到一個(gè)三維物理實(shí)體。
FDM熔融擠出成型
熔融擠出成型(FDM)工藝的材料一般是熱塑性材料,如蠟、ABS、PC、尼龍等,以絲狀線材供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng),同時(shí)將熔化的材料擠出,材料迅速固化,并與周圍的材料粘結(jié)。每一個(gè)層片都是在上一層上堆積而成,上一層對(duì)當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加,層片輪廓的面積和形狀都會(huì)發(fā)生變化,當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時(shí),上層輪廓就不能給當(dāng)前層提供充分的定位和支撐作用,這就需要設(shè)計(jì)一些輔助結(jié)構(gòu)-“支撐”,對(duì)后續(xù)層提供定位和支撐,以保證成形過程的順利實(shí)現(xiàn)。
FDM工藝原理,原型及支撐
這種工藝不用激光,使用、維護(hù)簡(jiǎn)單,成本較低。由于這種工藝具有一些顯著優(yōu)點(diǎn),該工藝發(fā)展極為迅速,目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝快速成形系統(tǒng)中的份額大約為30%
FDM打印的優(yōu)勢(shì)
成本低。不使用激光,維護(hù)簡(jiǎn)單,成本低:價(jià)格是成型工藝是否適于3D打印的一個(gè)重要因素。多用于概念設(shè)計(jì)的三維打印機(jī)對(duì)原型精度和物理化學(xué)特性要求不高,便宜的價(jià)格是其能否推廣開來的決定性因素。
塑料絲材,清潔,更換容易:與其他使用粉末和液態(tài)材料的工藝相比,絲材更加清潔,易于更換、保存,不會(huì)在設(shè)備中或附近形成粉末或液體污染。
后處理簡(jiǎn)單:僅需要幾分鐘到一刻鐘的時(shí)間剝離支撐后,原型即可使用。而現(xiàn)在應(yīng)用較多的SL,SLS,3DP等工藝均存在清理殘余液體和粉末的步驟,并且需要進(jìn)行后固化處理,需要額外的輔助設(shè)備。這些額外的后處理工序一是容易造成粉末或液體污染,二是增加了幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間,不能在成型完成后立刻使用。
成型速度較快:一般來講,FDM工藝相對(duì)于SL,SLS,3DP工藝來說,速度是比較慢的。但針對(duì)三維打印應(yīng)用,其也有一定的優(yōu)勢(shì)。首先,SL,SLS,3DP都有層間過程(鋪粉/液,掛平),因而它們一次成型多個(gè)原型是速度很快,例如3DP可以做到一小時(shí)成型25mm左右高度的原型。三維打印機(jī)成型空間小,一次多成型1至2個(gè)原型,相對(duì)來講,他們的速度優(yōu)點(diǎn)就不甚明顯了。其次三維打印機(jī)對(duì)原型強(qiáng)度要求不高,所以FDM工藝可通過減小原型密實(shí)程度的方法提高成型速度。通過試驗(yàn),具有某些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的模型,最高成型速度已經(jīng)可以達(dá)到60立方厘米/小時(shí)。通過軟件優(yōu)化及技術(shù)進(jìn)步,預(yù)計(jì)可以達(dá)到200立方厘米/小時(shí)的高速度。
立體光刻工藝
SLA工藝,又叫立體光刻或光固化工藝,由美國(guó)人Charles Hull于1984年發(fā)明。1986年美國(guó)3D Systems公司推出世界上第一臺(tái)立體光刻機(jī)SLA—1,此后,SLA系列成形機(jī)占據(jù)著3D打印設(shè)備市場(chǎng)的較大份額。
SLA工藝是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長(zhǎng)(325或355nm)和強(qiáng)度(w=10~400mw)的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng), 分子量急劇增大, 材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。液槽中盛滿液態(tài)光固化樹脂,激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下, 能在液態(tài)表面上掃描, 掃描的軌跡及激光的有無均由計(jì)算機(jī)控制, 光點(diǎn)掃描到的地方, 液體就固化。成型開始時(shí),工作平臺(tái)在液面下一個(gè)確定的深度,液面始終處于激光的焦平面,聚焦后的光斑在液面上按計(jì)算機(jī)的指令逐點(diǎn)掃描,即逐點(diǎn)固化。當(dāng)一層掃描完成后,未被照射的地方仍是液態(tài)樹脂。然后升降臺(tái)帶動(dòng)平臺(tái)下降一層高度,已成型的層面上又布滿一層樹脂,刮平器將粘度較大的樹脂液面刮平,然后再進(jìn)行下一層的掃描,新固化的一層牢固地粘在前一層上,如此重復(fù)直到整個(gè)零件制造完畢, 得到一個(gè)三維實(shí)體模型。
SLA方法是3D打印領(lǐng)域中被研究得最多的方法,也是技術(shù)上最為成熟的方法。一般層厚在0.1到0.15mm,成形的零件精度較高。多年的研究改進(jìn)了截面掃描方式和樹脂成形性能,使該工藝的加工精度能達(dá)到0.05mm。但這種方法也有自身的局限性,比如需要支撐、樹脂收縮導(dǎo)致精度下降、光固化樹脂有一定的毒性等。
三維印刷(3DP)工藝是美國(guó)麻省理工學(xué)院Emanual Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申請(qǐng)了3DP(Three-Dimensional Printing)專利,該專利是非成形材料微滴噴射成形范疇的核心專利之一。3DP工藝與SLS工藝類似,采用粉末材料成形,如陶瓷粉末,金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的,而是通過噴頭用粘接劑(如硅膠)將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強(qiáng)度較低,還須后處理。具體工藝過程如下:上一層粘結(jié)完畢后,成型缸下降一個(gè)距離(等于層厚:0.013~0.1mm),供粉缸上升一高度,推出若干粉末,并被鋪粉輥推到成型缸,鋪平并被壓實(shí)。噴頭在計(jì)算機(jī)控制下,按下一建造截面的成形數(shù)據(jù)有選擇地噴射粘結(jié)劑建造層面。鋪粉輥鋪粉時(shí)多余的粉末被集粉裝置收集。如此周而復(fù)始地送粉、鋪粉和噴射粘結(jié)劑,最終完成一個(gè)三維粉體的粘結(jié)。未被噴射粘結(jié)劑的地方為干粉,在成形過程中起支撐作用,且成形結(jié)束后,比較容易去除。
3DP工藝原理
該工藝的特點(diǎn)是成形速度快,成形材料價(jià)格低,適合做桌面型的快速成形設(shè)備。并且可以在粘結(jié)劑中添加顏料,可以制作彩色原型,這是該工藝最具競(jìng)爭(zhēng)力的特點(diǎn)之一,有限元分析模型和多部件裝配體非常適合用該工藝制造。缺點(diǎn)是成形件的強(qiáng)度較低,只能做概念型使用,而不能做功能性試驗(yàn)。