常见3D打印工艺与缺陷

发布时间:2021-06-24浏览次数:14

3D打印正在逐渐成为各个领域的主要工具。然而,可用的3D打印工艺种类繁多,并且每个工艺都有着不同的优点和缺陷。因此,在您选择相关技术或者购买3D打印机之前,有必要了解一些机器和技术背后的工艺知识。

 

材料挤出(Material Extrusion)

常见工艺:FFF、FDM(与FFF相同,只是它是Stratasys的商标术语)

描述:此过程使用压力喷出流体或凝胶材料。典型例子是FFF方法,将长丝推入热端以产生压力,并使柔软的长丝从喷嘴流出。

缺陷:层附着力差。材料分层放置,通常到第二层出现时,第一层已经冷却并且与新层结合的能力稍差。这导致部件在层间的强度远不如材料本身。

解决方案:一些制造商试图通过加热室、软件调整或特殊材料来解决这个问题,但这一问题始终存在于这项工艺之中。

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△挤出热塑性长丝

粉床融合(Powder Bed Fusion)

常用工艺:SLS、DMLS、SLM

描述:此技术在粉末材料床上进行高能量喷射,通常使用激光。利用激光选择性固化床层的一部分,然后逐层重复这个过程。常规激光器是一个尺寸较大的组件,需要安装在一个静态位置,利用构建室顶部的倾斜镜子将光束向下引导到粉末床。

缺陷:随着粉末床面积的增加,激光撞击粉末表面的角度变得越来越倾斜。当“点”形状发生变化时,会导致熔化不均匀。每个区域能量也会发生变化,可能会弄乱打印部件的边缘。

解决方案:一些供应商的解决方案是将激光升高,以减小倾斜角度,这使3D打印机高度增加。其他方案使用多个激光器,甚至移动激光源本身以将其直接保持在床上。

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△激光撞击粉末表面


光固化

常用工艺:MSLA、SLA、DLP、LCD

描述:此过程将光固化树脂选择性地暴露于能量之下,通常使用激光或LED面板的紫外线。固化材料层相互叠加,逐渐形成3D对象。

缺陷:通常使用紫外线来固化光聚合树脂,但是,部件从打印机中取出后,可能会暴露在其他额外的紫外线下,尤其是太阳。额外的紫外线照射会导致材料继续固化,最终材料会因变形而破裂。这使得这种类型的部件通常不太耐用,特别是对于户外应用。

解决方案:一些制造商试图用特

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△光固化聚合树脂


材料喷射(Material Jetting)

常用工艺:PolyJet

描述: 此过程从类似喷墨的喷嘴中逐层选择性地喷射液态光聚合树脂。每层都通过紫外线固化,随后的层构建在固化材料的顶部。支撑材料用于处理悬垂部分。

缺陷:此类系统使用“管道”设置,将树脂从墨盒流动到喷墨头。如果需要更换材料,则必须冲洗整个管道系统,去除旧材料的痕迹。冲洗过程用新材料完成,这意味着每次更换材料都会浪费大量昂贵的树脂。

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△PolyJet打印手机壳

粘合剂喷射(Binder Jetting)

常用工艺:MJF、NPJ

描述:这项技术使用喷墨将一种粘合剂选择性滴在平坦的粉末床上。接收液滴的区域将被固化,其余粉末保持松散。逐层进行以上步骤,直到生成整个对象。

缺陷:这些过程通常需要进行后处理以接合粘合剂。在某些情况下,需要巨大的热量来激活粘合剂,而这种热量可能需要很长时间(有时长达一天)才能冷却,然后才能尝试进一步加工而不使部件变形。这可能会拖累机器的生产率。

解决方案:一些供应商使用可更换构建室。当一个正在冷却时,另一个可以被激活以进行第二个打印作业。

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△MJF流程

直接能量沉积(Direct Energy Deposition)

常用工艺:DED、WAAM

描述:这种方法通过挤压金属,无论是金属粉末还是金属线,然后立即受到高能量的撞击。能量熔化金属,熔池立即下降到3D空间,通过机械臂进行位置操作。

缺陷:虽然这种方法通常高效且高度可扩展,但DED的表面分辨率质量相当差。产品往往看起来很粗糙。

解决方案:一些制造商使用CNC铣削工具以在打印过程中或打印后打磨表面。

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△DED金属3D打印表面

片材层压(Sheet Lamination)

常用工艺:CleanGreen、Solido

描述:这种过程需要将材料片一张一张地层压在一起。随着每张材料片叠加,切割器在特定层高度切掉物体边缘的形状。打印完成后,将切片区域拉开以显示最终部分。

缺陷:在某些几何形状中,废料会被困在物体内部并且无法去除。这限制了工艺可能制造的几何形状。

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△3D打印片材层压(纸)

工艺互补及配合在线监控系统是当下最好的方法

现在的市场上能看到不同工艺的多种3D打印机,这些机器具有不同的功能,使用不同的材料,拥有不同的定价。然而,这些打印机也有各自的局限。例如,小巧的3D打印机无法制造大零件;FFF设备无法打印光滑的表面;金属3D打印机无法生产聚合物产品。因此,如果想要尽可能多地丰富制造能力,最好的办法是在预算充足的情况下利用多个机器,起到工艺互补作用。

另外,在线监控技术能够及时探测3D打印成形状态和缺陷,提升成形的效率与质量。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线检测方法,设计开发出激光增材过程监控系统,它包含激光功率、粉末床、熔池等多个模块,分别从热源输入、铺粉质量、冶金过程稳定性全方位立体去监测和评价工艺过程状态及成形件质量,通过对工艺过程监控、过程信息分析处理,实现了工艺稳定性的提高和质量一致性的保障,目前已经投入市场使用。


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