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            常見3D打印工藝與缺陷

            發布時間:2021-06-24瀏覽次數:5

            3D打印正在逐漸成為各個領域的主要工具。然而,可用的3D打印工藝種類繁多,并且每個工藝都有著不同的優點和缺陷。因此,在您選擇相關技術或者購買3D打印機之前,有必要了解一些機器和技術背后的工藝知識。

             

            材料擠出(Material Extrusion)

            常見工藝:FFF、FDM(與FFF相同,只是它是Stratasys的商標術語)

            描述:此過程使用壓力噴出流體或凝膠材料。典型例子是FFF方法,將長絲推入熱端以產生壓力,并使柔軟的長絲從噴嘴流出。

            缺陷:層附著力差。材料分層放置,通常到第二層出現時,第一層已經冷卻并且與新層結合的能力稍差。這導致部件在層間的強度遠不如材料本身。

            解決方案:一些制造商試圖通過加熱室、軟件調整或特殊材料來解決這個問題,但這一問題始終存在于這項工藝之中。

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            △擠出熱塑性長絲

            粉床融合(Powder Bed Fusion)

            常用工藝:SLS、DMLS、SLM

            描述:此技術在粉末材料床上進行高能量噴射,通常使用激光。利用激光選擇性固化床層的一部分,然后逐層重復這個過程。常規激光器是一個尺寸較大的組件,需要安裝在一個靜態位置,利用構建室頂部的傾斜鏡子將光束向下引導到粉末床。

            缺陷:隨著粉末床面積的增加,激光撞擊粉末表面的角度變得越來越傾斜。當“點”形狀發生變化時,會導致熔化不均勻。每個區域能量也會發生變化,可能會弄亂打印部件的邊緣。

            解決方案:一些供應商的解決方案是將激光升高,以減小傾斜角度,這使3D打印機高度增加。其他方案使用多個激光器,甚至移動激光源本身以將其直接保持在床上。

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            △激光撞擊粉末表面


            光固化

            常用工藝:MSLA、SLA、DLP、LCD

            描述:此過程將光固化樹脂選擇性地暴露于能量之下,通常使用激光或LED面板的紫外線。固化材料層相互疊加,逐漸形成3D對象。

            缺陷:通常使用紫外線來固化光聚合樹脂,但是,部件從打印機中取出后,可能會暴露在其他額外的紫外線下,尤其是太陽。額外的紫外線照射會導致材料繼續固化,最終材料會因變形而破裂。這使得這種類型的部件通常不太耐用,特別是對于戶外應用。

            解決方案:一些制造商試圖用特

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            △光固化聚合樹脂


            材料噴射(Material Jetting)

            常用工藝:PolyJet

            描述: 此過程從類似噴墨的噴嘴中逐層選擇性地噴射液態光聚合樹脂。每層都通過紫外線固化,隨后的層構建在固化材料的頂部。支撐材料用于處理懸垂部分。

            缺陷:此類系統使用“管道”設置,將樹脂從墨盒流動到噴墨頭。如果需要更換材料,則必須沖洗整個管道系統,去除舊材料的痕跡。沖洗過程用新材料完成,這意味著每次更換材料都會浪費大量昂貴的樹脂。

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            △PolyJet打印手機殼

            粘合劑噴射(Binder Jetting)

            常用工藝:MJF、NPJ

            描述:這項技術使用噴墨將一種粘合劑選擇性滴在平坦的粉末床上。接收液滴的區域將被固化,其余粉末保持松散。逐層進行以上步驟,直到生成整個對象。

            缺陷:這些過程通常需要進行后處理以接合粘合劑。在某些情況下,需要巨大的熱量來激活粘合劑,而這種熱量可能需要很長時間(有時長達一天)才能冷卻,然后才能嘗試進一步加工而不使部件變形。這可能會拖累機器的生產率。

            解決方案:一些供應商使用可更換構建室。當一個正在冷卻時,另一個可以被激活以進行第二個打印作業。

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            △MJF流程

            直接能量沉積(Direct Energy Deposition)

            常用工藝:DED、WAAM

            描述:這種方法通過擠壓金屬,無論是金屬粉末還是金屬線,然后立即受到高能量的撞擊。能量熔化金屬,熔池立即下降到3D空間,通過機械臂進行位置操作。

            缺陷:雖然這種方法通常高效且高度可擴展,但DED的表面分辨率質量相當差。產品往往看起來很粗糙。

            解決方案:一些制造商使用CNC銑削工具以在打印過程中或打印后打磨表面。

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            △DED金屬3D打印表面

            片材層壓(Sheet Lamination)

            常用工藝:CleanGreen、Solido

            描述:這種過程需要將材料片一張一張地層壓在一起。隨著每張材料片疊加,切割器在特定層高度切掉物體邊緣的形狀。打印完成后,將切片區域拉開以顯示最終部分。

            缺陷:在某些幾何形狀中,廢料會被困在物體內部并且無法去除。這限制了工藝可能制造的幾何形狀。

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            △3D打印片材層壓(紙)

            工藝互補及配合在線監控系統是當下最好的方法

            現在的市場上能看到不同工藝的多種3D打印機,這些機器具有不同的功能,使用不同的材料,擁有不同的定價。然而,這些打印機也有各自的局限。例如,小巧的3D打印機無法制造大零件;FFF設備無法打印光滑的表面;金屬3D打印機無法生產聚合物產品。因此,如果想要盡可能多地豐富制造能力,最好的辦法是在預算充足的情況下利用多個機器,起到工藝互補作用。

            另外,在線監控技術能夠及時探測3D打印成形狀態和缺陷,提升成形的效率與質量。西安空天智造制造有限公司,基于粉末床形貌缺陷和熔池信息在線檢測方法,設計開發出激光增材過程監控系統,它包含激光功率、粉末床、熔池等多個模塊,分別從熱源輸入、鋪粉質量、冶金過程穩定性全方位立體去監測和評價工藝過程狀態及成形件質量,通過對工藝過程監控、過程信息分析處理,實現了工藝穩定性的提高和質量一致性的保障,目前已經投入市場使用。


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