3D打印技术分类及行业应用

作为一系列快速成型技术统称的3D打印(3DP),是基于数字模型文件通过使用粉末状金属或者是塑料等能够粘合的材料,凭借快速原型机在X-Y平面内以扫描的形式完成物件的截面形状,利用逐层打印的方法来构造物体的技术。到目前为止市场上常见的技术就有SLS(粉末材料选择性激光烧结)技术、和SLA相似的DLP(数字光投影)技术、SLA(光敏树脂选择性固化,简称光固化)、FDM(熔融沉积)技术等,在这些技术当中SLA和SLS与激光技术是密不可分的。

粉末烧结技术

SLS技术采用铺粉将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面,并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度,控制系统控制激光束(一般采用红外激光)按照该层的截面轮廓在粉层上扫描,使粉末的温度升到熔化点,进行烧结并与下面已成型的部分实现粘结。一层完成后,工作台下降一层厚度,铺料辊在上面铺上一层均匀密实粉末,进行新一层截面的烧结,直至完成整个模型。

这种技术可以采用多种材料,其中金属粉末材料加工是目前3D打印技术中最热门的发展方向之一,而且它的材料利用率是几种常见3D打印技术中最高的。但也存在成品表面粗糙、烧结过程有异味、无法直接成型高性能的金属盒陶瓷零件,成型大尺寸零件时容易发生翘曲变形的优点。尤其是加工前需要2小时的预热时间;零件构建后更要花5至10小时时间冷却,才能从粉末缸中取出,这大大降低了加工效率。

熔融技术

FDM技术是通过加热装置,将ABS、PLA等丝状的热熔性材料加热融化,同时三维喷头在计算机的控制下,根据截面轮廓信息,将材料选择性地涂敷在工作台上,快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后,机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层,直至形成整个实体造型。

这种技术不需要激光器等贵重元器件,因此价格便宜。同时其最大的优点在于加工过程中无毒无异味,对健康没有负面影响。但加工效率低,精度差,表面粗糙是他无法解决的问题。

光固化技术

SLA技术是在液槽中充满液态光敏树脂,其在激光器所发射的紫外激光束照射下,会快速固化。在成型开始时,可升降工作台处于液面以下,刚好一个截面层厚的高度。通过透镜聚焦后的激光束,按照机器指令将截面轮廓沿液面进行扫描。扫描区域的树脂快速固化,从而完成一层截面的加工过程,得到一层塑料薄片。然后,工作台下降一层截面层厚的高度,再固化另一层截面。这样层层叠加构成建构三维实体。

这一技术发展时间最长,工艺最成熟,应用最广泛,且加工精度最高,表面也比较光滑。但需要设计支撑结构,而支撑结构需要在未完全固化时去除,容易破坏成型件。同时,由于SLA系统是需要对液体进行操作的精密设备,因此对周围环境要求严苛。其加工的树脂材料存在价格贵,固化后较脆、易断裂,可加工性差、不利于长时间保存的缺陷。

DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术相似,都是利用外部光源逐层固化液态的光聚合物,不过它使用的光源是高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪。由于DLP在每层固化时是整片固化,而SLA技术是利用激光从点到线,从线到面,因此DLP的速度比SLA技术速度快得多。该技术成型精度较高,在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。

DLP较其它类型的3D打印技术有其独特的优势。首先,没有移动光束,振动偏差小没有活动喷头,完全没有材料阻塞问题,没有加热部件,提高了电气安全性,打印准备时间短,节省能源,首次耗材添加量远少于其它设备,节省用户成本。其次,可制造较为精细的零部件,以珠宝为例,量产的打印戒指可在一定程度上降低生产成本,并且打印完成后可直接进行失蜡铸造,产品的生产周期相对于传统工艺,缩短了一倍以上的时间。受价格越来越低、打印成本越来越低、操作越来越简单等因素,基于DLP成型技术的3D打印机越来越被消费者所接受。目前,DLP 3D打印技术应用领域较多,医疗、建筑、运输、航天、考古、教育、工业制造、珠宝首饰、玩具等领域都有涉及。

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