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干货|如何选择3D打印工艺和材料?

3D打印,也被称为增材制造,已经在各个行业产生了重大影响。那么,该如何选择适合您需求的3D打印工艺和材料呢?

在过去的几十年里,3D打印的发展证明了这项技术给消费者、设计师、工程师和制造商带来了巨大的优势。传统的生产方法在可制造性方面存在局限性,而3D打印得益于逐层构建零件的增材方法,具有无可比拟的设计自由度。由于增材制造不需要工具,它成为了非常快速的生产方法,能够在数小时或数天内周转零件。缩短的供应链和提高的生产效率是从初创企业到财富500强企业等众多企业将其纳入工作流程的原因所在。
 

然而,在使用3D打印技术的过程中,可能会出现关于各种增材制造系统、它们的固有质量、相关的材料以及内部操作与外包给合同制造商的成本等问题。接下来,我们将分析增材制造的常见类型、相关流程和系统,以及如何确定哪种增材制造解决方案最适合您的项目。




















3D打印技术类型

3D打印有四种主要技术类型,并且经常出现更新的流程。每一种增材制造工艺都使用不同的材料,生产出具有独特性能的组件,这些组件可以很好地应用于特定的应用。






















光聚合(Vat Polymerization)


液态光聚合物经光敏聚合固化的还原聚合是最早开发的增材制造工艺之一。精确的紫外线逐层固化和凝固光敏性树脂的薄层。这种方法以立体光刻而广为人知,并在80年代中期实现商业化。考虑到原始的3D打印技术,立体平版印刷部件被用于投资铸造图案、原型和概念模型等应用。另一个值得注意的技术就是数字化光处理(Digital Light Processing)过程。

材料挤压(Material Extrusion)

这种增材制造类型通过加热喷嘴或挤出机头来分配材料。铺好一层后,下降搭建平台,或者向上移动挤压头,下一层打印到上一层上面。原材料通常是热塑性长丝,缠绕在线轴上,在挤压时熔化。利用该方法的常见技术是熔融沉积(Fused Deposition Modelling)。由于具备了使用普通热塑性材料进行构建的能力,该类型的增材制造可用于制造生产部件、制造工具和功能原型。

粉末层熔合(Powder Bed Fusion)

粉末层熔合利用热能熔融粉体的截面区域。热能使粉状材料熔化,冷却后凝固。对于聚合物来说,部件周围未使用的粉末用来固定零件,所以通常不需要额外的支撑。对于金属部件而言,通常需要锚将部件连接到打印床,并支持朝下的结构。激光烧结(又名选择性激光烧结Selective Laser Sintering)于1992年实现商业化,随后是高速烧结技术,以及最近的多喷射熔接(MJF)。在金属制造中,直接金属激光烧结(DMLS)和电子束熔化成型(EBM)是目前非常热门的工业系统。

材料喷射(Material Jetting)

利用多喷嘴打印头,材料喷射目前是较快的增材制造方法之一。增材制造法逐层地沉积构建材料的液滴。材料喷射系统可以打印多材料和分级材料部件。使用每种材料的不同比例生产部件,从而产生各种颜色和多种材料性能。通常,这些系统使用光聚合物、蜡和数字材料,其中多个光聚合物体同时进行混合和喷射。多喷射建模和喷射等技术被用于创建快速原型、概念模型、投资铸造图案和解剖现实医学模型。


3D打印材料


在传统的制造方法中,可供选择的材料种类几乎是无限的,有别于传统的制造方法,3D打印与每个特定的系统和机器所使用的材料绑定在一起。目前,大多数增材制造部件可以是塑料或金属,这也取决于具备一些复合可选材料的技术。

 

生产材料需要满足行业特定要求的认证和机械性能,如航空航天火焰等级和医疗生物相容性。不同行业对耐久性、外观和耐受性都有不同的要求。

选择工艺的考虑事项

为了确保最合适的结果,在为您的项目选择技术时,存在几个关键的考虑因素:

使用场景
从原型到生产质量,产品的任一部件都可以使用3D打印部件来代替。每个应用程序的要求都是独一无二的,需要仔细检查和规划,以确定合适的3D打印过程和材料,从而满足项目的需要。例如,在创建原型时,设计团队通常需要使用性价比高的材料进行快速周转,同时仍然需要精确的呈现出最终产品的形式和功能。另一方面,生产部件必须作为最终产品加以制作,并且需要满足一定的质量、测试、化学和结构要求。

打印件性能需求
根据3D打印部件的性能需求,合适的工艺和材料将有所不同。如果部件需要在外观上与最终产品相似,或者需要保持其形状为静态模型,那么喷射技术可能是最好的方法,因为它的周转速度快,其表面光滑、自然。立体光刻对于如娱乐道具或大型概念模型等部件也是很好的选择,它们需要轻量的后期处理来抛光表面。如果打印功能原型组件需要能抵御冲击或高温,可以利用FDM,从高性能材料中获取功能强大,耐用的部件。如果零件的设计需要复杂的底切,实现空气流动或耐用的活铰链,激光系统热塑性塑料可能是理想之选。以上因素需要复杂的整合在一起,但是仔细考虑部件性能需求有助于简化选择适当的3D打印工艺。

打印件所处环境
许多3D打印部件需要在高温或潮湿的环境下进行作业。一些3D打印工艺和材料很快被这些参数排除在外。例如,户外应用可能需要紫外线稳定的材料,但是光聚合物在紫外线照射下会迅速降解。水分会对某些材料产生不利影响,导致部件翘曲、卷曲或尺寸精度下降。这是由于某些3D打印材料固有的吸水性。在某些应用中,该部件可能需要食品安全级材料。在这种情况下,热塑性塑料将是最好的选择。

耐久度
3D打印的夹具或固定装置可能要经历数千个周期,并承受巨大的压力,而合适的测试原型可能只需要运行一次。工程级热塑性塑料可以承受巨大的压力,使其成为功能原型或生产部件的理想材料。另一方面,光聚合物材料在短期低压力应用中更为有效。



















后期处理
采用材料喷射系统所制造的部件显得更光滑,更容易手工完成后期处理,达到理想的美观状态。采用材料挤出机所制造的塑料部件由于层次分辨率较厚,导致后处理难度较大,需要更多的人工和技巧以实现光滑的表面,这增加了人工成本,延长了交货时间。增材金属和合金需要更多的时间,精力和专业知识来实现抛光产品。金属部件通常需要机械加工,从打印床拆除,支架拆下、滚磨或抛光。提前弄清楚最终需求和关键部位的特点将缩短后期处理时间,以保证交货日期。

预算、时间和质量
取决于产品的质量,成本以及交付周期,质量和成本可以相互权衡;快速的周转和高质量的后期处理需求则相互排斥。平衡预算,制作周期和最终需求的品质,您才可以正确的找到的平衡点,从而选择合适的3D打印方案。

优先级

 “一刀切”的方法并不适用于3D打印。以上列举的因素需要考量不同的优先级,考虑每个可用工艺、材料和装饰选项的优缺点和细微差别,将帮助您确定最适合于项目的方法。

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