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干貨篇|如何選擇3D打印工藝和材料?

發布時間:2019-11-15

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3D打印,也被稱為增材制造,已經在各個行業產生了重大影響。那么,該如何選擇適合您需求的3D打印工藝和材料呢?

在過去的幾十年里,3D打印的發展證明了這項技術給消費者、設計師、工程師和制造商帶來了巨大的優勢。傳統的生產方法在可制造性方面存在局限性,而3D打印得益于逐層構建零件的增材方法,具有無可比擬的設計自由度。由于增材制造不需要工具,它成為了非常快速的生產方法,能夠在數小時或數天內周轉零件。縮短的供應鏈和提高的生產效率是從初創企業到財富500強企業等眾多企業將其納入工作流程的原因所在。

然而,在使用3D打印技術的過程中,可能會出現關于各種增材制造系統、它們的固有質量、相關的材料以及內部操作與外包給合同制造商的成本等問題。接下來,我們將分析增材制造的常見類型、相關流程和系統,以及如何確定哪種增材制造解決方案最適合您的項目。

3D打印技術類型

3D打印有四種主要技術類型,并且經常出現更新的流程。每一種增材制造工藝都使用不同的材料,生產出具有獨特性能的組件,這些組件可以很好地應用于特定的應用。

光聚合(Vat Polymerization)

液態光聚合物經光敏聚合固化的還原聚合是最早開發的增材制造工藝之一。精確的紫外線逐層固化和凝固光敏性樹脂的薄層。這種方法以立體光刻而廣為人知,并在80年代中期實現商業化。考慮到原始的3D打印技術,立體平版印刷部件被用于投資鑄造圖案、原型和概念模型等應用。另一個值得注意的技術就是數字化光處理(Digital Light Processing)過程。

材料擠壓(Material Extrusion)

這種增材制造類型通過加熱噴嘴或擠出機頭來分配材料。鋪好一層后,下降搭建平臺,或者向上移動擠壓頭,下一層打印到上一層上面。原材料通常是熱塑性長絲,纏繞在線軸上,在擠壓時熔化。利用該方法的常見技術是熔融沉積(Fused Deposition Modelling)。由于具備了使用普通熱塑性材料進行構建的能力,該類型的增材制造可用于制造生產部件、制造工具和功能原型。

粉末層熔合(Powder Bed Fusion)

粉末層熔合利用熱能熔融粉體的截面區域。熱能使粉狀材料熔化,冷卻后凝固。對于聚合物來說,部件周圍未使用的粉末用來固定零件,所以通常不需要額外的支撐。對于金屬部件而言,通常需要錨將部件連接到打印床,并支持朝下的結構。激光燒結(又名選擇性激光燒結Selective Laser Sintering)于1992年實現商業化,隨后是高速燒結技術,以及最近的多噴射熔接(MJF)。在金屬制造中,直接金屬激光燒結(DMLS)和電子束熔化成型(EBM)是目前非常熱門的工業系統。

材料噴射(Material Jetting)

利用多噴嘴打印頭,材料噴射目前是較快的增材制造方法之一。增材制造法逐層地沉積構建材料的液滴。材料噴射系統可以打印多材料和分級材料部件。使用每種材料的不同比例生產部件,從而產生各種顏色和多種材料性能。通常,這些系統使用光聚合物、蠟和數字材料,其中多個光聚合物體同時進行混合和噴射。多噴射建模和噴射等技術被用于創建快速原型、概念模型、投資鑄造圖案和解剖現實醫學模型。

3D打印材料

在傳統的制造方法中,可供選擇的材料種類幾乎是無限的,有別于傳統的制造方法,3D打印與每個特定的系統和機器所使用的材料綁定在一起。目前,大多數增材制造部件可以是塑料或金屬,這也取決于具備一些復合可選材料的技術。

生產材料需要滿足行業特定要求的認證和機械性能,如航空航天火焰等級和醫療生物相容性。不同行業對耐久性、外觀和耐受性都有不同的要求。

選擇工藝的考慮事項

為了確保最合適的結果,在為您的項目選擇技術時,存在幾個關鍵的考慮因素:

使用場景

從原型到生產質量,產品的任一部件都可以使用3D打印部件來代替。每個應用程序的要求都是獨一無二的,需要仔細檢查和規劃,以確定合適的3D打印過程和材料,從而滿足項目的需要。例如,在創建原型時,設計團隊通常需要使用性價比高的材料進行快速周轉,同時仍然需要精確的呈現出最終產品的形式和功能。另一方面,生產部件必須作為最終產品加以制作,并且需要滿足一定的質量、測試、化學和結構要求。

打印件性能需求

根據3D打印部件的性能需求,合適的工藝和材料將有所不同。如果部件需要在外觀上與最終產品相似,或者需要保持其形狀為靜態模型,那么噴射技術可能是最好的方法,因為它的周轉速度快,其表面光滑、自然。立體光刻對于如娛樂道具或大型概念模型等部件也是很好的選擇,它們需要輕量的后期處理來拋光表面。如果打印功能原型組件需要能抵御沖擊或高溫,可以利用FDM,從高性能材料中獲取功能強大,耐用的部件。如果零件的設計需要復雜的底切,實現空氣流動或耐用的活鉸鏈,激光系統熱塑性塑料可能是理想之選。以上因素需要復雜的整合在一起,但是仔細考慮部件性能需求有助于簡化選擇適當的3D打印工藝。

打印件所處環境

許多3D打印部件需要在高溫或潮濕的環境下進行作業。一些3D打印工藝和材料很快被這些參數排除在外。例如,戶外應用可能需要紫外線穩定的材料,但是光聚合物在紫外線照射下會迅速降解。水分會對某些材料產生不利影響,導致部件翹曲、卷曲或尺寸精度下降。這是由于某些3D打印材料固有的吸水性。在某些應用中,該部件可能需要食品安全級材料。在這種情況下,熱塑性塑料將是最好的選擇。

耐久度

3D打印的夾具或固定裝置可能要經歷數千個周期,并承受巨大的壓力,而合適的測試原型可能只需要運行一次。工程級熱塑性塑料可以承受巨大的壓力,使其成為功能原型或生產部件的理想材料。另一方面,光聚合物材料在短期低壓力應用中更為有效。

后期處理

采用材料噴射系統所制造的部件顯得更光滑,更容易手工完成后期處理,達到理想的美觀狀態。采用材料擠出機所制造的塑料部件由于層次分辨率較厚,導致后處理難度較大,需要更多的人工和技巧以實現光滑的表面,這增加了人工成本,延長了交貨時間。增材金屬和合金需要更多的時間,精力和專業知識來實現拋光產品。金屬部件通常需要機械加工,從打印床拆除,支架拆下、滾磨或拋光。提前弄清楚最終需求和關鍵部位的特點將縮短后期處理時間,以保證交貨日期。

預算、時間和質量

取決于產品的質量,成本以及交付周期,質量和成本可以相互權衡;快速的周轉和高質量的后期處理需求則相互排斥。平衡預算,制作周期和最終需求的品質,您才可以正確的找到的平衡點,從而選擇合適的3D打印方案。

優先級

“一刀切”的方法并不適用于3D打印。以上列舉的因素需要考量不同的優先級,考慮每個可用工藝、材料和裝飾選項的優缺點和細微差別,將幫助您確定最適合于項目的方法。


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