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1.2 3D打印机分类及常见的3D打印机

现阶段3D打印存在着许多不同的技术,因此出现了基于不同技术的3D打印机,它们的不同之处在于使用打印材料的方式,并以不同层来构建创建部件。每种技术都有各自的优缺点,有些技术利用熔化或软化可塑性材料的方法来制造打印的“墨水”,例如选择性激光烧结(SLS)和熔融沉积制造技术(FDM);还有一些技术是用液体材料作为打印的“墨水”的,例如立体光刻成型(SLA)、数字光处理(DLP)。部分打印机采用的技术和材料见表1-1。

表1-1 部分打印机采用的技术和材料

①又被称为Three Dimensional Printing and Gluing(三维喷涂粘结成型)。

常见的3D打印机介绍如下:

1.FDM (熔融挤压堆积成型) 3D打印机 (图1-4)

FDM 3D打印机工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上(通常控制在比熔点高1℃左右)。FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的熔丝材料(丝材直径一般在1.5mm以上)从喷头中挤压出来,凝固形成轮廓形状的薄层。每层厚度范围在0.025~0.762mm,一层叠一层最后形成整个零件模型。此种工艺应用较广,因此本书以组装FDM3D打印机为例。

FDM工艺使用的原材料是热塑性材料,如ABS、PC、PLA等丝状供料,精度为0.025~0.762mm。

FDM 3D打印机的特点:

1)系统构造原理和操作简单。

2)维护成本低,系统运行安全。

3)可以直接用于失蜡铸造。

4)可以成型任意复杂程度的零件。

5)支撑去除简单,无须化学清洗。

图1-4 FDM机型——Prusa i3

2.SLS (选择性激光烧结) 3D打印机 (图1-5)

SLS 3D打印机采用CO 2 激光器作为烧结光源,目前使用的造型材料多为各种粉末材料。在工作台上均匀铺上一层很薄(100~200μm)的粉末,激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结,一层烧结完成后再进行下一层。全部烧结完成后去掉多余的粉末,再进行打磨、烘干等处理,便获得零件。目前,成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉、金属粉、陶瓷粉,如尼龙、ABS、树脂裹覆砂(覆膜砂)、聚碳酸酯等。

SLS 3D打印机的特点:

1)可制作金属制品。

2)可采用多种材料。

3)制作工艺比较简单。

4)无须支撑结构。

5)材料利用率高。

图1-5 SLS机型——德国EOS

3.3DP (粉末层喷头) 3D打印机 (图1-6)

3DP成型工艺的原理是将粉末由储存桶送出一定分量,再以滚筒将送出的粉末在加工平台上铺一层很薄的原料,喷嘴依照3D计算机模型切片后获得的二维层片信息喷出粘结剂,粘接粉末。打印完一层,加工平台自动下降一层,储存桶上升一层,刮刀由升高的储存桶把粉末推至工作平台并把粉末推平,再喷粘结剂,如此循环便可得到所要的形状。该种工艺是目前唯一可打印全彩色样件的3D打印工艺。3DP 3D打印机使用的材料为粉末材料,如石膏粉末;精度为0.013~0.1mm。

3DP 3D打印机的特点:

1)成型速度快。

2)可以制作彩色原型。

3)粉末在成型过程中起支撑作用,且成型结束后,比较容易去除。

图1-6 3DP机型——Project660

4.SLA (立体光固化成型) 3D打印机 (图1-7)

SLA 3D打印机用特定波长与强度的激光束聚焦到光固化材料表面,使之由点到线,由线到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面,这样层层堆叠构成一个三维实体。

SLA 3D打印机的特点:

1)发展时间最长,工艺最成熟,应用最广泛。在全世界安装的快速成型3D打印机中,光固化成型系统约占60%。

2)成型速度较快,系统工作稳定。

3)具有高度柔性。

4)精度很高,可以做到微米级别,比如25μm。

5)表面质量好,比较光滑,适合做精细零件。

5.DLP (数字光处理) 3D打印机

DLP数字光处理工艺的成型原理与SLA光固化成型技术相似,都是利用感光聚合材料(主要是光敏树脂)在紫外光照射下会快速凝固的特性。不同的是,DLP技术使用高分辨率的数字光处理器投影仪来投射紫外光,每次投射可成型一个截面。因此,从理论上,速度也比同类的SLA快很多。精度为0.1~0.2mm。

DLP 3D打印机的特点:

1)成型过程自动化程度高。

2)尺寸精度高。

3)优良的表面质量。

4)使CAD数字模型直观化,降低错误修复的成本。

5)加工结构和外形复杂或使用传统手段难以成型的原型和模具。

图1-7 DLP机型——国产UM1+

6.CLIP (ContinuousLiquidInterfaceProduction,持续液态界面生产) 3D打印机 (图1-8)

CLIP 3D打印机是应用最新出现的持续液态界面生产技术,此技术依赖于特殊的透明透气“窗户”,供光和氧气进入。这些“窗户”类似于大型隐形眼镜。打印机可以控制氧气进入树脂池的总量及时间。进入树脂池的氧气会抑制某部分树脂固化,与此同时,光会固化剩余的液态树脂。树脂池中有氧气的地方会形成几十微米厚的“死水区域”(为2~3个血红细胞的直径),此处无法发生光聚合反应。然后,打印机用紫外线光照使剩余树脂固化,从液体中“生长”出来。

图1-8 CLIP3D打印机

CLIP 3D打印机的特点:

1)CLIP技术更像注塑零件,能保证稳定、可预测的力学性能,外表光滑,内部结实。

2)比目前市场上的其他光固化技术3D打印机打印速度快25~100倍。 7CkEVgst9gNjIXxdA5lQFWlNdVJonOz+ZTX+cqqUBPotgFrAfcBNQDl6/f6gTELJ

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