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3D打印技术有哪些:几种常见的3D打印技术比较分析

2022-01-11文章来源:易制科技

  什么是3D打印?

  提及3D打印,多数人可能知道又可能不知道,这种似是而非的模糊感,使得3D打印蒙上了一层神秘面纱。其实3D打印这个词,分开来看比合在一起要更亲民些。

  对于3D电影,大家肯定是不陌生的。最娱乐化的3D推广应该就是3D电影了,带上眼镜,感觉整个人身临其境了。3D即三维,通俗的来说就是立体。点是一维,线、面是两维,体(比如圆柱体)是三维。打印大家都知道,就是指把电脑或其他电子设备中的文字或图片等可见数据,通过打印机等输出在纸张等记录物上。我们的试卷就是打印的成品。

  1)3D打印名词解释

  3D打印,望文生义就是打印立体的东西,严谨的说,3D打印(3DP)即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

  2)3D打印和普通打印的区别

  那么3D打印跟普通的打印有什么关系呢?

  “3D打印”的名称源于其使用喷墨打印机喷嘴的方法。与一般打印机一样,3D打印机也是使用喷嘴制作截面形状,有从喷嘴直接喷射立体模型材料(光硬化性树脂、蜡),以及喷射粘合剂使粉末材料固化这两种方法。

  3)3D打印的物品是什么样的?

  咬文嚼字这么多,易制小编随手给大家找了几件3D打印的实物方便大家直观的理解。

3d打印的鞋模

3d打印的人型玩具

3d打印的建筑模型

  这些东西只是3D技术应用的连冰山一小角。3D打印的应用领域十分宽泛,它涉及海军舰艇、航天科技、医学领域、房屋建筑、汽车行业、电子行业、食品等诸多行业,甚至毫不客气地说,只有想不到没有做不到,它能让创意漫天风舞,让梦想落地生根。<<<点击查看更多3D打印应用案例

  3D打印技术有哪些?它们有什么区别?

  接下来,易制小编摸石头过河的方式,搜集并整理了主要的几种3D打印技术比较如下。

  1)什么是3D打印技术之FDM

FDM工作流程

  【FDM技术原理】

  该技术是快速原型工艺是一种,是目前市场最为常见的一种3D成型技术,不依靠激光作为成型能源而将各种丝材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC 等)加热熔化进而堆积成型方法,简称FDM。丝状材料选择性熔覆的原理如下:加热喷头在计算机的控制下,根据产品零件的截面轮廓信息,作X-Y 平面运动,热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头,并在喷头中加热和熔化成半液态,然后被挤压出来,有选择性的涂覆在工作台上,快速冷却后形成一层大约0.127mm 厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后作台下降一定高度,再进行下一层的熔覆,好像一层层"画出"截面轮廓,如此循环,最终形成三维产品零件。

FDM打印的产品

  【FDM技术的优点】

  (1)成本低。熔融沉积造型技术用液化器代替了激光器,设备费用低;另外原 材料的利用效率高且没有毒气或化学物质的污染,使得成型成本大大降低。

  (2)采用水溶性支撑材料,使得去除支架结构简单易行,可快速构建复杂的内腔、中空零件以及一次成型的装配结构件。

  (3)原材料以材料卷得的形式提供,易于搬运和快速更换。

  (4)可选多种材料,如各种色彩的工程塑料ABS、PC、PPS及医用ABS等。

  (5)原材料在成型过程中无化学变化,制件的翘曲变形小。

  【FDM技术的缺点】

  (1)原型的表面有较明显的条纹,成型精度相对国外先进的SLA 工艺较低。

  (2)沿着成型轴垂直方向的强度比较强。

  (3)需要设计和制作支撑结构。

  (4)需要对整个截面进行扫描涂覆,成型时间较长。

  (5)原材料价格昂贵。

  2)什么是3D打印技术之SLS

  【SLS技术原理】

  该技术采用铺粉将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面,并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度,控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描,使粉末的温度升到熔化点,进行烧结并与下面已成型的部分实现粘结。一层完成后,工作台下降一层厚度,铺料辊在上面铺上一层均匀密实粉末,进行新一层截面的烧结,直至完成整个模型。

SLS打印流程图

  【SLS技术的优点】

  1)可用多种材料。其可用材料包括高分子、金属、陶瓷、石膏、尼龙等多种粉末材料。特别是金属粉末材料,是目前3D打印技术中最热门的发展方向之一。

  2)制造工艺简单。由于可用材料比较多,该工艺按材料的不同可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构建或部件及工具。

  3)高精度。一般能够达到工件整体范围内(0.05-2.5)mm的公差。

  4)无需支撑结构。叠层过程出现的悬空层可直接由未烧结的粉末来支撑。

  5)材料利用率高。由于不需要支撑,无需添加底座,为常见几种3D打印技术中材料利用率最高的,且价格相对便宜。

SLS打印的产品

  【SLS技术的缺点】

  1)表面粗糙。由于原材料是粉状的,原型建造是由材料粉层经过加热熔化实现逐层粘结的,因此,原型表面严格讲是粉粒状的,因而表面质量不高。

  2)烧结过程有异味。 SLS工艺中粉层需要激光使其加热达到熔化状态,高分子材料或者粉粒在激光烧结时会挥发异味气体。

  3)无法直接成型高性能的金属盒陶瓷零件,成型大尺寸零件时容易发生翘曲变形。

  4)加工时间长。加工前,要有2小时的预热时间;零件构建后,要花5~10小时时间冷却,才能从粉末缸中取出。

  5)由于使用了大功率激光器,除了本身的设备成本,还需要很多辅助保护工艺,整体技术难度大,制造和维护成本非常高,普通用户无法承受。

  3)什么是3D打印技术之SLA

  【SLA技术原理】

  在树脂槽中盛满液态光敏树脂,它在紫外激光束的照射下会快速固化。成型过程开始时,可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度,聚焦后的激光束,在计算机的控制下,按照截面轮廓的要求,沿液面进行扫描,使被扫描区域的树脂固化,从而得到该截面轮廓的树脂薄片。然后,工作台下降一层薄片的高度,以固化的树脂薄片就被一层新的液态树脂所覆盖,以便进行第二层激光扫描固化,新固化的一层牢粘结在前一层上,如此重复不已,直到整个产品成型完毕。最后升降台升出液体树脂表面,取出工件,进行清洗、去处支撑、二次固化以及表面光洁处理等。光敏树脂选择性固化快速成型技术适合于制作中小形工件,能直接得到树脂或类似工程塑料的产品主要用于概念模型的原型制作,或用来做简单装配检验和工艺规划。

  【SLA技术的优点】

  (1)尺寸精度高,SLA原型的尺寸精度可以达到±0.1mm。

  (2)表面质量好。虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶,但上表面仍可以得到玻璃状的效果。

  (3)可以制作结构十分复杂的模型。

  (4)可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型。

  【SLA技术的缺点】

  (1)尺寸的稳定性差。成型过程中伴随着物理和化学变化,导致软薄部分易产生翘曲变形,因而极大地影响成型件的整体尺寸精度。

  (2)需要设计成型件的支撑结构,否则会引起成型件的变形。支撑结构需

  在成型件未完全固化时手工去除,容易破坏成形性。

  (3)设备运转及维护成本高。由于液态树脂材料和激光器的价格较高,并且为了使光学元件处于理想的工作状态,需要进行定期的调整和维护,费用较高。

  (4)可使用的材料种类较小。

  目前可使用材料主要为感光性液态树脂材料,

  并且在太多情况下,不能对成型件进行抗力和热量的测试。

  (5)液态树脂具有气味和毒性,并且需要避光保护,以防止其提前发生聚合反应,选择时有局限性。

  (6)需要二次固化。在很多情况下,经过快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化,所以通常需要二次固化。

  (7)液态树脂固化后的性能不如常用的工业塑料,一般较脆,易断裂,不便进行机加工。

  4)什么是3D打印技术之DLP

  【DLP技术原理】

  与SLA光固化成型技术相似,都是利用感光聚合材料(主要是光敏树脂)在紫外光照射下会快速凝固的特性。不同的是,DLP技术使用高分辨率的数字光处理器投影仪来投射紫外光,每次投射可成型一个截面。因此,从理论上,速度也比同类的SLA快很多。

DLP3d打印流程

  【DLP技术的优点】

  1) 精度高。其在材料属性、细节和表面光洁度方面可以坯体注塑成型的耐用塑料部件。

  2) 速度快。由于每次投射直接成型一个面,工件的长度(X轴长度)和宽度(Y轴长度)尺寸并不影响成型速度,成型速度仅受工件高度(Z轴长度)的影响。理论上,要比SLA快很多。

  3) 造价低。由于无需激光头发射激光来固化成形,仅使用成本极低的灯泡进行照射即可满足成型要求。整个系统没有喷射部件,所以没有传统成型系统喷头堵塞的问题,使得维护成本大大降低。

  4) 开源。国外一名叫Tristram Budel的创客发布了一款DLP3D桌面打印机,并将所有技术细节免费共享。开源和创客运动能有效帮助该技术往更高质量和更低成本上发展。

  【DLP技术的缺点】(与SLA相似)

  1) 需要设计支撑结构。

  2) 树脂材料价格贵,但成型后强度、刚度、耐热性都有限,不利于长时间保存。

  3) 由于材料是树脂,温度过高会熔化,工作温度不能超过100℃。且固化后较脆,易断裂,可加工性不好。成型件易吸湿膨胀,抗腐蚀能力不强。

DLP打印的产品

  5)什么是3D打印技术之粘合剂喷射(BJ,也叫3DP)

  【粘合剂喷射BJ技术原理】

  首先把工作槽中填上粉末并铺平,接着喷头会按照指定的路径将液态粘合剂喷射在预先指定区域中,来固定一层,升降台下移,不断重复直到工件完成,最后除去模型上多余的粉末材料即可。

粘合剂喷射3d打印流程

  【粘合剂喷射技术的优点】

  1) 无需激光器等高成本元器件。成本较低,且易操作易维护。

  2) 加工速度快,可以25毫米/小时的垂直构建速度打印模型。

  3) 可打印彩色原型。这是这项技术的最大优点,它打印彩色原型后,无需后期上色,目前市面上的3D体验馆中3D打印人像基本采用此技术。

  4) 没有支撑结构。与SLS一样,粉末可以支撑悬空部分,而且打印完成后,粉末可以回收利用,环保且节省开支。

  5) 耗材和成形材料的价格相对便宜,打印成本低。

武汉易制科技粘合剂喷射金属3d打印机图片
武汉易制科技粘合剂喷射金属3d打印机

  【粘合剂喷射技术的缺点】

  1) 石膏强度较低,不能做功能性材料。且打印成品易碎。

  2) 表面手感略显粗糙,这是以粉末为成形材料的工艺都有的缺点。

武汉易制科技粘合剂喷射3D打印的样品
武汉易制科技粘合剂喷射3D打印的样品

  目前易制科技有三款基于粘合剂喷射技术的设备,全彩粘合剂喷射3D打印机工业覆膜砂粘合剂喷射3D打印机以及金属粘合剂喷射3D打印机,能实现低成本全彩打印和工业砂型砂芯及复杂铸件打印和金属零件大批量生产。其中粘合剂喷射3D打印技术是国内唯一实现商业化的公司。

 

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