3D打印知识

发布时间:
2017-09-05
来源:
云3D打印

3D打印


就是在普通的二维打印的基础上再加一维。打印机先像普通打印一样在一个平面上将塑料、金属等粉末状材料打印出一层,然后再将这些可黏合的打印层一层一层的粘起来。通过每一层不同的“图形”的累积,最后就形成了一个三维物体。就像盖房子一样,砖块是一层一层的,但累积起来后,就成一个立体的房子了。


材料种类


聚合物材料


1、 工程塑料

(1)ABS材料

ABS材料具有良好的热熔性和冲击强度,是熔融沉积成型技术,应用于日用品、工程用品和部分机械用品。ABS材料的颜色种类很多,如象牙白、白色、深灰色;应用于汽车、家电、电子消费品行业为多。

(2)PC材料

PC(聚碳酸酯)材料算得上是一种真正的热塑性材料,具有高强度、耐高温、抗冲击、抗弯曲等特点,强度比ABS材料还要高60%,可以作为最终零部件使用。

PC工程塑料的三大应用领域是玻璃装配业、汽车工业和电子、电器工业。

(3)PA材料

PA材料虽然强度高,但也具备一定的柔韧性,因此,可以直接利用3D打印制造设备零件。利用3D打印制造的PA碳纤维复合塑料树脂零件,具有很高的韧度,可用于机械工具代替金属工具。

PA材料广泛应用于制造燃料滤网、燃料过滤器、罐、捕集器、储油槽、发动机汽缸盖罩、散热器水缸、平衡旋转轴齿轮。另外,它还可用作驱动、控制部件等。

(4)PPSF材料

PPSF材料是所有热塑性材料里面强度最高,耐热性最好,抗腐蚀性最高的材料。广泛用于航空航天,交通工具及医疗行业。通常作为最终零部件使用。

可用于3D打印制造该承受负荷的制品,成为替代金属、陶瓷的首选材料。

(5)PEEK材料

PEEK(聚醚醚酮)是一种具有耐高温、自润滑、易加工和高机械强度等优异性能的特种工程塑料。

可制造加工成各种机械零部件,如汽车齿轮、油筛、换档启动盘;飞机发动机零部件、自动洗衣机转轮、医疗器械零部件等。通过与PEEK材料结合制造仿生人工骨。

(6)EP材料

EP(Elasto Plastic)即弹性塑料, EP材料非常柔软,在进行塑形时,跟ABS一样采用“逐层烧结”原理,但打印的产品弹性却相当好,变形后也容易复原。这种材料可用于制作像3D打印鞋、手机壳和3D打印衣物等产品。

(7)Ender材料

Ender材料是具有高强度、柔韧度好和耐高温性能,用其打印的产品表面质量佳,且尺寸稳定性好,不易收缩。Endur具有出色的仿聚丙烯性能,能够用于打印运动部件、咬合啮合部件以及小型盒子和容器。


2.生物塑料 

(1)PLA材料 

PLA(Poly Lactic Acid)即聚乳酸,它是从玉米淀粉和甘蔗中提取的,而不是化石燃料。

一种新型的生物基及可生物降解材料,其具有良好的生物可降解性,使用后能被自然界中微生物在特定条件下完全降解,最终生成二氧化碳和水,不污染环境,这对保护环境非常有利,是公认的环境友好材料。

(2)PETG材料 

PETG材料是一种透明塑料, 采用甘蔗乙烯生产的生物基乙二醇为原料合成的生物基塑料。

这种材料具有较好的热成型、坚韧性和耐候性,热成型周期短、温度低、成品率高。在3D打印时,材料的收缩率非常小,并且具有良好的疏水性,无需在密闭空间里贮存。

(3)PCL材料 

PCL(聚己内酯)具有良好的生物降解性、生物相容性和无毒性,而被广泛用作医用生物降解材料及药物控制释放体系,可运用于组织工程已经作为药物缓释系统。

同时,PCL还具有形状记忆性。在3D打印中,由于它熔点低,所以并不需要很高的打印温度,从而达到节能的目的。在医学领域,可用来打印心脏支架等。


3.热固性塑料

热固性塑料以热固性树脂为主要成分,配合以各种必要的添加剂通过交联固化过程成形成制品的塑料。

热固性塑料比如环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、芳杂环树脂等具有强度高、耐火性特点,非常适合利用3D打印的粉末激光烧结成型工艺。


4.光敏树脂

光固化树脂又称光敏树脂,是一种受光线照射后,能在较短的时间内迅速发生物理和化学变化,进而交联固化的低聚物。

光敏树脂固化速度快、表干性能优异,成型后产品外观平滑,可呈现透明或半透明磨砂状态。光敏树脂具有气味低、刺激性成分低等特征,非常适合个人桌面3D打印系统。


5.高分子凝胶

高分子凝胶,在一定的温度及引发剂、交联剂的作用下进行聚合后,形成特殊的网状高分子凝胶制品。如受离子强度、温度、电场和化学物质变化时,凝胶的体积也会相应地变化,用于形状记忆材料。凝胶溶胀或收缩发生体积转变,用于传感材料。


金属材料


1.  黑色金属

(1) 不锈钢

不锈钢(Stainless Steel)是不锈耐酸钢的简称,耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢; 

不锈钢是最廉价的金属打印材料,经3D打印出的高强度不锈钢制品表面略显粗糙,且存在麻点。不锈钢具有各种不同的光面和磨砂面,常被用作珠宝、功能构件和小型雕刻品等的3D打印。

(2)高温合金

高温合金具有优异的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能,已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。

高温合金因其强度高、化学性质稳定、不易成型加工和传统加工工艺成本高等因素已成为航空工业应用的主要3D打印材料。


2.  有色金属

(1)钛

钛金属外观似钢,具有银灰光译,在金属世界里排行第七,含钛的矿物多达70多种。钛的强度大,密度小,硬度大,熔点高,抗腐蚀性很强;高纯度钛具有良好的可塑性,但当有杂质存在时变得脆而硬。

采用3D打印技术制造的钛合金零部件,强度非常高,尺寸精确,能制作的最小尺寸可达1mm,而且其零部件机械性能优于锻造工艺。在3D打印汽车、航空航天和国防工业上都将有很广阔的应用前景。

(2)镁铝合金

镁铝合金因其质轻、强度高的优越性能,在制造业的轻量化需求中得到了大量应用,在3D打印技术中,它也毫不例外地成为各大制造商所中意的备选材料。

(3)镓

镓(Ga)主要用作液态金属合金的3D打印材料,它具有金属导电性,其粘度类似于水,不同于汞(Hg),镓既不含毒性,也不会蒸发。镓可用于柔性和伸缩性的电子产品,液态金属在可变形天线的软伸缩部件、软存储设备、超伸缩电线和软光学部件上已得到了应用。

(4)稀贵金属

3D打印的产品在时尚界的影响力越来越大。世界各地的珠宝设计师受益最大的就是将3D打印快速原型技术作为一种强大且可以方便替代其他制造方式的创意产业。

在饰品3D打印材料领域,常用的有金、纯银、黄铜等。


陶瓷材料

陶瓷材料具有高强度、高硬度。耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性,在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。

硅酸铝陶瓷粉末能够用于3D打印陶瓷产品,3D打印的该陶瓷制品不透水、耐热温度可达600摄氏度,可回收、五毒,但其强度不高,可作为理想的炊具、餐具(杯、盘子、和杯垫)和烛台、艺术品等家居装饰材料。


复合材料

碳纤维 

相比于传统的挤出或注塑定型方法,3D打印时通过精确控制碳纤维的取向,优化特定机械、电和热性能,能够严格设定其综合性能。由于3D打印的复合材料零件一次只能制造一层,每一层可以实现任何所需的纤维取向。结合增强聚合物材料打印的复杂形状零部件具有出色的耐高温和抗化学性能。


技术

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。


FDM(熔融沉积)

加热头把热熔性材料(ABS、树脂、尼龙、蜡等)加热到临界状态,使其呈现半流体状态,然后加热头会在软件控制下沿CAD确定的二维几何轨迹运动,同时喷头将半流动状态的材料挤压出来,材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层。


SLA(光固化)

电脑控制下,紫外激光会沿着零部件各分层截面轮廓,对液态树脂进行逐点扫描。被扫描到的树脂薄层会产生聚会反应,由点逐渐形成线,最终形成零件的一个薄层的固化截面,而未被扫描到的树脂保持原来的液态。

当一层固化完毕,升降工作台移动一个层片厚度的距离,在上一层已经固化的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂,用以进行再一次的扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上,如此循环往复,直到整个零件原型制造完毕。

SLA 工艺的特点是,能够呈现较高的精度和较好的表面质量,并能制造形状特别复杂的零件。如空心零件、工艺品、首饰。


SLS(选择性激光烧结)

先将一层很薄(亚毫米级)的原料粉未铺在工作台上,接着在电脑控制下的激光束通过扫描器以一定的速度和能量密度,按分层面的二维数据扫描。激光扫描过的粉末就烧结成一定厚度的实体片层,未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。

一层扫描完毕,随后对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度升降工作台,铺粉滚筒再次将粉末铺平,然后再开始新一层的扫描。如此反复,直至扫描完所有层面。去掉多余粉末,再经过打磨、烘干等适当的后处理,即可获得零件。


LOM(层片叠加)

在层片叠加制造工艺中,机器会将单面涂有热溶胶的箔材通过热辊加热,热溶胶在加热状态下可产生粘性,所以由纸、陶瓷箔、金属箔等构成的材料就会粘接在一起。接着,上方的激光器按照CAD 模型分层数据,用激光束将箔材切割成所制零件的内外轮廓。然后再铺上新的一层箔材,通过热压装置将其与下面已切割层粘合在一起,激光束再次切割。然后重复这个过程,直至整个零部件打印完成。

不难发现,LOM 工艺还是有传统切削的影子。


3DP(三维印刷)

三维印刷,也称三维打印。从工作方式来看,三维印刷与传统二维喷墨打印最接近。与SLS 工艺一样,3DP 也是通过将粉末粘结成整体来制作零部件,不同之处在于,它不是通过激光熔融的方式粘结,而是通过喷头喷出的粘结剂。

喷头在电脑控制下,按照模型截面的二维数据运行,选择性地在相应位置喷射粘结剂,最终构成层。在每一层粘结完毕后,成型缸下降一个等于层厚度的距离,供粉缸上升一段高度,推出多余粉末,并由铺粉辊推到成型缸,铺平再被压实。如此循环,直至完成整个物体的粘结。


3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式,并以不同层构建创建部件。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、金、银、橡胶类材料。

3D打印机级别


桌面级


工业级

桌面级与工业级的差别

1)  打印精度

由于桌面机目前只有FDM, SLA 两种技术,从数据上看,工业机和桌面机差别不大, FDM 的最小分辨率由打印挤出口的大小决定,基本都在0.3-0.6MM之间,层厚由Z轴决定,由于桌面机多用步进电机,工业3D打印机则采用伺服电机,在实际打印过程中避免了失步等导致精度失真的问题。

2)  打印速度

打印速度是区分工业机和桌面机另一重要区别,由于桌面机在成本上的限制,多采用16位和32位芯片作为主控芯片,数据处理速度难以和64位的CPU相比,在FDM 上由于精度的原因,差别不大,但在SLA技术上前者扫描速度最多为1m/秒, 而后者可达7m-15m/秒。

3)  打印支撑的设计和去除质量

打印支撑和打印实体可分参数打印的设计是区分工业机和桌面机的最重要标志,为什么呢? 因为工业机是应用在实际生产领域,对最后打印的效果要有很高的可控性要求, 用过桌面机的朋友都知道,无论是FDM,还是SLA设备,由于支撑和实体在打印过程中是不区分的,打印结束后支撑的剥离是个非常不可控的因数, 最后往往会导致剥离失败,破坏实体。

而工业机就根本性解决了这个问题,通过软件算法,对实体和支撑采用不同的速率和激光能量打印,使支撑和实体固化为不同的材料, 从而达到易剥离的目的。

4)  打印尺寸

一般来说,支持的打印尺寸越大,打印机的价格越昂贵。如果你需要一个能打印微波炉大小的3D打印机,恐怕在至少要把价格定位要3000美元这个级别。现在市场上绝大部分的桌面3D打印机,都只能打比较小的东西。即使要打印像iPad底面大小的物体,恐怕很多打印机就不能胜任了。但是如果只需要打印茶杯大小的物体,市面上几乎所有的打印机都能做得到。

工业打印机一般打印体积都很大,以适合于规模化的生产。但是相应地,大的体积导致系统复杂性成倍提高,材料成本增加,测试、安装、运输、维护费用高昂;尤其是在保持可靠性的前提下,基本上每个零部件的指标都更加苛刻,才能保证整机的打印精度和稳定性。这些因素都会成倍地提高打印机造价。另外工业打印机不象家用打印机设计那么简单,一般还有各种关于合规(compliance)的设计,以符合不同工业的要求,这些也都会很大程度上增加造价。

5)  打印可靠性。

打印可靠性,通俗来说,就是打印成功率。打印成功率才是真正考验设计团队功力的指标,也是区分桌面和工业级别3D打印机的重要指标,毕竟工业级打印机是用来量产的。打印过程通常很漫长,一般至少要几个小时,而只要有一个细节没有处理好,打印就算失败了。这个时候,别的细节打印精度再高,又如何?毕竟整个材料都浪费了。现在即使号称业界最稳定的桌面3D打印机,打印成功率也只有70%多一些。这也意味着,打印一百次,由于种种原因,至少有30次使用的材料是废掉的。而这些材料用户都是无法回收的,只能扔掉,所以每次打印失败,都是一件费时、费钱又窝火的事情。而对用户来说,可靠性毕竟不是客观指标,本身也很难量化。而工业机的打印成功率几乎能做到100%,大大提高了生产效率,降低了包括人力,时间等综合成本。

6)  打印过程的自检测功能

基于成本及体积原因,桌面机几乎对打印过程没有自动校正和检测功能,而此项设计有液面自动监测和调平,激光功率在线监测和自动修复,以及光斑尺寸监测及调整,以保证打印过程平稳顺畅。

7)  应用领域

工业机器广泛的运用于航空, 航天,汽车制造,医疗,模具,珠宝制作等行业,购买者大多集中在大型企业,以及制造分包商,而桌面机市场更多地集中在教育,创客,和简单模型制作,客户主要是大中小学,MAKER, 以及创意个人。

8)  价格

工业机是3D打印行业的真正的白富美,技术含量高,专利等竞争门槛把大多数排出在外,目前还属于卖方市场,SLA,SLS,SLM,3DP,INKJET等,普通设备一般在人民币60万到1000万不等。

  桌面机在国内经过多年的竞争,市场已陷入红海,价格从2000 元到10万元不等,销售主要依靠招投标,以及淘宝,京东等零售市场。