3D打印機(jī)的主要技術(shù)平臺及優(yōu)缺點全解

1、3D打印機(jī)的主要技術(shù)平臺及優(yōu)缺點3D打印技術(shù)從狹義上來說主要是指增材成型技術(shù),從成型工藝上看,3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)成型方法,通過快速自動成型系統(tǒng)與計算機(jī)數(shù)據(jù)模型結(jié)合,無需任何附加的傳統(tǒng)模具制造和機(jī)械加工就能夠制造出各種形狀復(fù)雜的原型,這使得產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)周期大大縮短,生產(chǎn)本錢大幅下降.3D打印,俗稱“三維打印技術(shù)"或“快速制造技術(shù),是對一系列“增材 制造技術(shù)的總稱.那么,3D打印技術(shù)主要分為哪幾種,優(yōu)缺點是什么呢？以下詳細(xì)說明：一、FDM熔融沉積成型工藝熔融沉積成型工藝(Fused Deposition Model -ing, FDM)是繼LOM工藝和SLA工藝之 后開展起來的一種

2、 3D打印技術(shù).該技術(shù)于1988年創(chuàng)造,隨后Stratasys公司成立并在1992 年推出了世界上第一臺基于FDM支術(shù)的3D打印機(jī) “ 3D造型者(3DModeler) ",這也標(biāo)志著FDM技術(shù)步入商用階段.國內(nèi)的清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京殷華公司、中科院廣州電子技術(shù)都是較早引進(jìn)FDM術(shù)并進(jìn)行研究的科研單位 .FDM工藝無需激光系統(tǒng)的支持,所用的成型材料也相對低廉,總體性價比高,這也是眾多開源桌面 3D打印機(jī)主要采用的技術(shù)TzT 7K oFDM成型原理：熔融沉積有時候又被稱為熔絲沉積,它將絲狀的熱熔性材料進(jìn)行加熱融 化,通過帶有微細(xì)噴嘴的擠出機(jī)把材料擠出來.噴頭可以沿X軸的方向進(jìn)行移動

3、,工作臺那么沿Y軸和Z軸方向移動(當(dāng)然不同的設(shè)備其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計也許不一樣),熔融的絲材被擠出后隨即會和前一層材料粘合在一起.一層材料沉積后工作臺將按預(yù)定的增量下降一個厚度, 然后重復(fù)以上的步驟直到工件完全成型.下面我們一起來看看 FDM勺詳細(xì)技術(shù)原理(如圖1).導(dǎo)向套FDM成型技術(shù)的優(yōu)點：(1)本錢低.熔融沉積造型技術(shù)用液化器代替了激光器,設(shè)備費(fèi)用低；另外原材料的利用效率高且沒有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的污染,使得成型本錢大大降低.(2)原材料以材料卷得的形式提供,易于粉末材料搬運(yùn)和儲存以及快速更換；(3)原材料在成型過程中無化學(xué)變化,相對金屬粉末,樹脂固化制件成型的變形小 .FDM成型技術(shù)的缺點：(

4、1)需要配合支撐結(jié)構(gòu)打內(nèi)腔模型時,支撐面效果欠佳.(2)需要對整個截面進(jìn)行逐步打印,成型時間較長,成型速度相對SLA慢7%左右.二、SLA與DLP立體光固化成型工藝SLA立體光固化成型工藝又稱立體光刻成型,該工藝最早于1984年提出并獲得美國國家專利,是最早開展起來的 3D打印技術(shù)之一.該專利申請兩年后便成立了3DSystems公司,并于1988年發(fā)布了世界上第一臺商用3D打印機(jī)SLA- 250.SLA工藝以光敏樹脂作為材料,在計算機(jī)的限制下紫外激光將對液態(tài)的光敏樹脂進(jìn)行掃描從而讓其逐層凝固成型,SLA工藝能以簡潔且全自動的方式制造出精度極高的幾何立體模型；DLP 投影成型技術(shù)導(dǎo)引：為了提升光

5、固化成型速度,由之前激光掃描固化提升到固化更 快面積更大的投影固化技術(shù)；SLA 激光光固化成型原理:液槽中會先盛滿液態(tài)的光敏樹脂,氯-鎘激光器或僦離子激光器發(fā)射出的紫外激光束在 計算機(jī)的操縱下按工件的分層截面數(shù)據(jù)在液態(tài)的光敏樹脂外表進(jìn)行逐行逐點掃描,這使掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反響而固化形成工件的一個薄層當(dāng)一層樹脂固化完畢后,工作臺將下移一個層厚的距離以使在原先固化好的樹脂外表上 再覆蓋一層新的液態(tài)樹脂,刮板將黏度較大的樹脂液面刮平然后再進(jìn)行下一層的激光掃描固 化.由于液態(tài)樹脂具有高黏性而導(dǎo)致流動性較差,在每層固化之后液面很難在短時間內(nèi)迅速撫平,這樣將會影響到實體的成型精度.采用刮板刮平后,

6、所需要的液態(tài)樹脂將會均勻地涂在上一疊層上,這樣經(jīng)過激光固化后將可以得到較好的精度,也能使成型工件的外表更加光滑平整.新固化的一層將牢固地粘合在前一層上,如此重復(fù)直至整個工件層疊完畢 ,這樣最后就能得到一個完整的立體模型.當(dāng)工件完全成型后,首先需要把工件取出并把多余的樹脂清 理干凈,接著還需要把支撐結(jié)構(gòu)去除掉,最后還需要把工件放到紫外燈下進(jìn)行二次固化.SLA工藝成型效率高,系統(tǒng)運(yùn)行相對穩(wěn)定,成型工件外表光滑精度也有保證,適合制作結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜的模型,能夠直接制作面向熔模精密鑄造的中間模.盡管SLA的成型精度高,但成型尺寸也有較大的限制而不適合制作體積龐大的工件,成型過程中伴隨的物理變化和化學(xué)變化可

7、能會導(dǎo)致工件變形,因此成型工件需要有支撐結(jié)構(gòu).目前SLA工藝所支持的材料還相當(dāng)有限且價格昂貴,液態(tài)的光敏樹脂具有一定的毒性和氣味,材料需要避光保存以預(yù)防提前 發(fā)生聚合反響.SLA成型的成品硬度很低而相對脆弱 筆者在一次3D打印體驗活動中看到了 SLA成品觸地碎裂的情況.此外,使用SLA成型的模型還需要進(jìn)行二次固化,后期處理相對復(fù)雜.DLP投影固化成型原理：光源透過聚光鏡,使光源均勻分布 ,菲涅爾鏡是光源垂直照射在液晶屏上,液晶屏兩面分別有偏振膜,偏振膜是液晶顯示成像的根底,任何液晶屏自身都有偏振膜,液晶屏的成像顯示就是透明顯示的,圖像就會通過液晶屏照射到光敏樹脂上,托板與底模之間固定高度的樹脂

8、通過投影的光發(fā)生固化成形并附著在托板上,再由托板將固化成形的局部拉起,讓液體再次補(bǔ)充進(jìn)來,托板在下降,從而托板與底模之間的薄層樹脂再次發(fā)生固化并附著在之前成 形的固化樹脂上,周而復(fù)始,逐層固化直到完成模型整體成形.原理國商介如下;1.光源2.聚焦透鏡3.菲涅爾透鏡4.偏振膜5.液晶屏6.偏振膜7.儲液槽底模8.光 固化樹脂9.光固化成型托板紫外線光源采用半導(dǎo)體 LED光源,或者輔助增加高壓鈉燈來提升光源強(qiáng)度,縮短曝光固 化時間.液晶屏上放著的是儲液槽,儲液槽下方是透明薄膜結(jié)構(gòu),要比擬松弛,不要過于繃 緊,不利于固化脫模.光固化成型優(yōu)點：(1)外表質(zhì)量好；(2)整面固化,成型速度快；光固化成型缺

9、點：(1)尺寸的穩(wěn)定性差.成型過程中伴隨著物理和化學(xué)變化,導(dǎo)致軟薄局部易產(chǎn)生翹曲變形, 因而極大地影響成型件的整體尺寸精度.所以需要設(shè)計成型件的支撐結(jié)構(gòu),否那么會引起成型件的變形.(2)可使用的材料種類較小.目前可使用材料主要為感光性液態(tài)樹脂材料,并且由于材料本身特性問題,不能對成型件進(jìn)行抗力和熱量的測試.(3)液態(tài)樹脂具有氣味和毒性,并且需要避光保護(hù), 以預(yù)防其提前發(fā)生聚合反響,選擇時有局限性.(4)需要二次固化.在很多情況下,經(jīng)過快速成型系統(tǒng)光固化后的原型樹脂并未完全被激光 固化,所以通常需要二次固化.三、SLS:選擇性激光燒結(jié)工藝SLS技術(shù)起源于1986年,于1988年研制成功了第一臺

10、SLS成形機(jī).隨后,由美國的DTM 公司將其商業(yè)化,于1992年推出了該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備SinterStation 2000 成形機(jī).在過去的20多年里,SLS技術(shù)在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,研究選擇性激光燒結(jié)設(shè)備工藝 的單位有美國的 DTM公司、3D Systems公司、德國的 EO然司,在國內(nèi)也有許多科研單位 開展了對SLS工藝的研究,如南京航空航天大學(xué)、中北大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢濱湖機(jī)電產(chǎn)業(yè)、北京隆源自動成型、湖南華曙高科等；圖所示為SLS的成型原理激光束粉末SLS選擇性激光燒結(jié)工藝成型原理:選擇性激光燒結(jié)加工的過程先采用壓輻將一層粉末平鋪到已成型工件的上外表,數(shù)控系統(tǒng)操控激光束根據(jù)

11、該層截面輪廓在粉層上進(jìn)行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點,從而進(jìn)行燒結(jié)并于下面已成型的局部實現(xiàn)粘合.當(dāng)一層截面燒結(jié)完后工作臺將下降一個層厚,這時壓輻又會均勻地在上面鋪上一層粉末并開始新一層截面的燒結(jié),如此反復(fù)操作直接工件完全成型.在成型的過程中,未經(jīng)燒結(jié)的粉末對模型的空腔和懸臂起著支撐的作用,因此SLS成型的工件不需要像 SLA成型的工件那樣需要支撐結(jié)構(gòu).SLS工藝使用的材料與 SLA相比相對豐富些,主要有石蠟、聚碳酸酯、尼龍、纖細(xì)尼龍、合成尼龍、陶瓷,甚至還可以是金屬.當(dāng)工件完全成型并完全冷卻后,工作臺將上升至原來的高度,此時需要把工件取出使用刷子或壓縮空氣把模型表層的粉末去掉.SLS選擇性

12、激光燒結(jié)優(yōu)點：(1 )可以采用多種材料.從理論上說,任何加熱后能夠形成原子間粘結(jié)的粉末材料都可以作 為SLS的成型材料.(2)過程與零件復(fù)雜程度無關(guān),無須支撐結(jié)構(gòu),且制件的強(qiáng)度高.(3)材料利用率高,為燒結(jié)的粉末可重復(fù)使用,材料無浪費(fèi).SLS選擇性激光燒結(jié)缺點：(1)原型結(jié)構(gòu)疏松、多孔,且有內(nèi)應(yīng)力 ,制作易變性；(2)需要預(yù)熱和冷卻浪費(fèi)很長時間一(4)且制成陶瓷、金屬制件的成型外表粗糙多孔,后期較難處理；(5)材料不易存儲,且材料成型過程產(chǎn)生有毒氣體及粉塵,污染環(huán)境.四、PolyJet聚合物噴射工藝PolyJet聚合物噴射技術(shù)是以色列Objet公司于2000年初推出的專利技術(shù),PolyJet技

13、術(shù)也是當(dāng)前最為先進(jìn)的 3D打印技術(shù)之一,2022年Stratasys 和Objet宣布進(jìn)行合并,交易額為 14億美元,合并后的公司名仍為 Stratasys.此項合作也將Polyjet技術(shù)推向了更高更廣的 3D打印市場,令3D打印熱進(jìn)一步升溫,且會加快數(shù)字制造商用化的進(jìn)程；PolyJet聚合物噴射技術(shù)成型原理:PolyJet的噴射打印頭沿 X軸方向往返運(yùn)動,工作原理與噴墨打印機(jī)十分類似,不同的是噴頭噴射的不是墨水而是光敏聚合物.當(dāng)光敏聚合材料被噴射到工作臺上后,UV紫外光燈將沿著噴頭工作的方向發(fā)射出UV紫外光對光敏聚合材料進(jìn)行固化.完成一層的噴射打印和固化后,設(shè)備內(nèi)置的工作臺會極其精準(zhǔn)地下降一

14、個成型層厚,噴頭繼續(xù)噴射光敏聚合材料進(jìn)行下一層的打印和固化.就這樣一層接一層, 直到整個工件打印制作完成.工件成型的過程中將使用兩種不同類型的光敏樹脂材料,一種是用來生成實際的模型的材料,另一種是類似膠狀的用來作為支撐的樹脂材料.這種支撐材料由過程限制被精確地添加到復(fù)雜成型結(jié)構(gòu) 模型的所需位置,例如是一些懸空、凹槽、復(fù)雜細(xì)節(jié)和薄壁等結(jié)構(gòu).當(dāng)完成整個打印成型過程后,只需要使用 Water Jet水槍就可以十分容易地把這些支撐材料去除,而最后留下的是擁有整潔光滑外表的成型工件.PolyJet聚合物噴射優(yōu)點：(1)質(zhì)量高：領(lǐng)最薄層厚能到達(dá)16微米； 可以保證獲得復(fù)雜、精確的部件與模型；(2)清潔：適

15、合于辦公室環(huán)境,采用非接觸樹脂載入/卸載,容易去除支持材料；(3)多彩多樣：FullCure材料品種多樣,可適用于不同幾何形狀、機(jī)械性能及顏色的部件,所有類型的模型均使用相同的支持材料,因此可快速便捷地變換材料.PolyJet聚合物噴射缺點：(1) Polyjet打印使用費(fèi)用較高,如果要考慮本錢因素,就要斟酌了；(2)光敏聚合物類材料打印模型適合試驗設(shè)計性,而不適合功能性和耐用性成品,如果需要對模型成品的強(qiáng)度和穩(wěn)定性有較高要求,就不太適宜；五、3DP三維印刷成型工藝3DP三維印刷成型技術(shù)導(dǎo)引：三維印刷工藝(Three Dimension Printing , 3DP)由美國麻省理工大學(xué)的Emanual Sachs教授創(chuàng)造于1993年,3DP的工作原理類似于噴墨打印機(jī),是形 式上最為貼合" 3D打印概念的成型技術(shù)之一.3DP工藝與SLS工藝也有著類似的地方,采 用的都是粉末狀的材料,如陶瓷、金屬、塑料,但與其不同的是3DP使用的粉末并不是通過激光燒結(jié)粘合在一起的,而是通過噴頭噴射膠粘劑將工件的截面“打印出來并一層層堆積成型的；3DP三維印刷成型工藝成型原理:鈾股粉末噴“墨粘站升降臺下移反復(fù)的環(huán)打卬中最后一層打印成件首先設(shè)備會把工作槽中的粉末鋪平,接著噴頭會根據(jù)指定的路徑將液態(tài)膠粘劑(如硅膠)噴射在預(yù)先粉層上的指定