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    主流3D打印技術簡介

    來源:制造業經理人網     發布時間:2013-08-22

    熔融沉積快速成型(Fused Deposition Modeling,FDM)

        熔融沉積又叫熔絲沉積,它是將絲狀熱熔性材料加熱融化,通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來。熱熔材料融化后從噴嘴噴出,沉積在制作面板或者前一層已固化的材料上,溫度低于固化溫度后開始固化,通過材料的層層堆積形成最終成品。大致結構如下圖所示:

    FDM結構示意圖
    圖1 FDM結構示意圖

        在3D打印技術中,FDM的機械結構最簡單,設計也最容易,制造成本、維護成本和材料成本也最低,因此也是在家用的桌面級3D打印機中使用得最多的技術,而工業級FDM機器,主要以Stratasys公司產品為代表。

    Stratasys工業級3D打印機
    圖2 Stratasys工業級3D打印機

        FDM技術的桌面級3D打印機主要以ABS和PLA為材料,ABS強度較高,但是有毒性,制作時臭味嚴重,必須擁有良好通風環境,此外熱收縮性較大,影響成品精度;PLA是一種生物可分解塑料,無毒性,環保,制作時幾乎無味,成品形變也較小,所以目前國外主流桌面級3D打印機均以轉為使用PLA作為材料。

        FDM技術的優勢在于制造簡單,成本低廉,但是桌面級的FDM打印機,由于出料結構簡單,難以精確控制出料形態與成型效果,同時溫度對于FDM成型效果影響非常大,而桌面級FDM 3D打印機通常都缺乏恒溫設備,因此基于FDM的桌面級3D打印機的成品精度通常為0.3mm-0.2mm,少數高端機型能夠支持0.1mm層厚,但是受溫度影響非常大,成品效果依然不夠穩定。此外,大部分FDM機型制作的產品邊緣都有分層沉積產生的“臺階效應”,較難達到所見即所得的3D打印效果,所以在對精度要求較高的快速成型領域較少采用FDM。

    光固化成型(Stereolithigraphy Apparatus,SLA)

        光固化技術是最早發展起來的快速成型技術,也是目前研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的快速成型技術之一。光固化技術,主要使用光敏樹脂為材料,通過紫外光或者其他光源照射凝固成型,逐層固化,最終得到完整的產品。大致結構如下圖所示:

    光固化原理圖
    圖3 光固化原理圖

        光固化技術優勢在于成型速度快、原型精度高,非常適合制作精度要求高,結構復雜的原型。使用光固化技術的工業級3D打印機,最著名的是objet,該制造商的3D打印機提供超過123種感光材料,是目前支持材料最多的3D打印設備。

    Objet材料分類
    圖4 Objet材料分類

        光固化快速成型應該是目前3D打印技術中精度最高,表面也最光滑的,objet系列最低材料層厚可以達到16微米(0.016毫米)。但是光固化快速成型技術也有兩個不足,首先光敏樹脂原料有一定毒性,操作人員使用時需要注意防護,其次光固化成型的原型在外觀方面非常好,但是強度方面尚不能與真正的制成品相比,一般主要用于原型設計驗證方面,然后通過一系列后續處理工序將快速原型轉化為工業級產品。此外,SLA技術的設備成本、維護成本和材料成本都遠遠高于FDM,因此,目前基于光固化技術的3D打印機主要應用在專業領域,桌面領域目前已有兩個桌面級別SLA技術3D打印機項目啟動,一個是Form1,一個是B9,相信不久的將來會有更多低成本的SLA桌面3D打印機面世。

    三維粉末粘接(Three Dimensional Printing and Gluing,3DP)

        3DP技術由美國麻省理工大學開發成功,原料使用粉末材料,如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等,3DP技術工作原理是,先鋪一層粉末,然后使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區域,讓材料粉末粘接,形成零件截面,然后不斷重復鋪粉、噴涂、粘接的過程,層層疊加,獲得最終打印出來的零件。大致結構如下圖所示:

    3DP(三維打印)工藝原理
    圖5 3DP(三維打印)工藝原理

        3DP技術的優勢在于成型速度快、無需支撐結構,而且能夠輸出彩色打印產品,這是目前其他技術都比較難以實現的。3DP技術的典型設備,是3DS旗下zcorp的zprinter系列,也是3D照相館使用的設備,zprinter的z650打印出來的產品最大可以輸出39萬色,色彩方面非常豐富,也是在色彩外觀方面,打印產品最接近于成品的3D打印技術。

    3DP技術打印的成品
    圖6 3DP技術打印的成品

        但是3DP技術也有不足,首先粉末粘接的直接成品強度并不高,只能作為測試原型,其次由于粉末粘接的工作原理,成品表面不如SLA光潔,精細度也有劣勢,所以一般為了產生擁有足夠強度的產品,還需要一系列的后續處理工序。此外,由于制造相關材料粉末的技術比較復雜,成本較高,所以目前3DP技術主要應用在專業領域,桌面級別目前僅有一個PWDR項目在啟動,但仍然處于0.1狀態,尚需觀察后續進展。

    選擇性激光燒結(Selecting Laser Sintering,SLS)

        該工藝由美國德克薩斯大學提出,于1992年開發了商業成型機。SLS利用粉末材料在激光照射下燒結的原理,由計算機控制層層堆結成型。SLS技術同樣是使用層疊堆積成型,所不同的是,它首先鋪一層粉末材料,將材料預熱到接近熔化點,再使用激光在該層截面上掃描,使粉末溫度升至熔化點,然后燒結形成粘接,接著不斷重復鋪粉、燒結的過程,直至完成整個模型成型。大致結構如下:

    SLS工藝原理圖
    圖7 SLS工藝原理圖

        激光燒結技術可以使用非常多的粉末材料,并制成相應材質的成品,激光燒結的成品精度好、強度高,但是最主要的優勢還是在于金屬成品的制作。激光燒結可以直接燒結金屬零件,也可以間接燒結金屬零件,最終成品的強度遠遠優于其他3D打印技術。SLS家族最知名的是德國EOS的M系列,成品效果圖:

    圖8 SLS成品效果圖
    圖8 SLS成品效果圖

        激光燒結技術雖然優勢非常明顯,但是也同樣存在缺陷,首先粉末燒結的表面粗糙,需要后期處理,其次使用大功率激光器,除了本身的設備成本,還需要很多輔助保護工藝,整體技術難度較大,制造和維護成本非常高,普通用戶無法承受,所以目前應用范圍主要集中在高端制造領域,而目前尚未有桌面級SLS 3D打印機開發的消息,要進入普通民用領域,可能還需要一段時間。

    結語

        3D打印領域發展迅猛,從巨型的房屋打印機到微型的納米級細胞打印機,各種新技術層出不窮,但是目前主要還是集中在專業領域,民用市場還是以簡單架構的FDM為主,無論效果還是精度都差強人意,我們期待著隨著技術發展和成本降低,桌面級3D打印機也能夠真正實現所見即所得的打印效果,那時候3D打印改變世界將不再是一個夢想。

    責任編輯:趙棟
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