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3D打印大剧透(一):增材与主流制造工艺解析

2015-08-03 10:17
冷血の爱
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  作为新时代的高新科技,3D打印在世界各个领域都越来越占据着日益重要的地位,同时在各大领域都掀起了一阵阵波澜。然而至今还没有一篇文章能够全面、完整地对这些名词进行解析,让人们真正认识和了解“什么是3D打印”、“什么是快速制造”。

  解析一:概念

  快速成型(Rapid Prototyping,简称RP),诞生于20世纪80年代后期,是基于材料堆积法的一种新型技术,被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。目前国内传媒界习惯把快速成型技术叫做“3D打印”或者“三维打印”,显得比较生动形象,但是实际上,“3D打印”或者“三维打印”只是快速成型的一个分支,只能代表部分快速成型工艺。

  快速制造(Rapid Manufacturing,简称RM),有狭义和广义之分,狭义上是基于激光粉末烧结快速成型技术的全新制造理念,实际上属于RP快速成型技术的其中一个分支,它是指从电子数据直接自动地进行快速的、柔性并具有较低成本的制造方式。快速制造它与一般的快速成型技术相比,在于可以直接生产最终产品,能够适应从单件产品制造到批量的个性化产品制造;而广义上,RM快速制造可以包括“快速模具”技术和CNC数控加工技术在内,因此可以与RP快速成型技术分庭抗礼,各擅胜场。

  国际上喜欢用“Additive Manufacturing”(简称AM)来囊括RP和RM技术,国内翻译为增量制造、增材制造或添加制造。2009年美国ASTM成立了F42委员会,将AM定义为: “Process of joining mat-erials to make objects from 3d model data, usua-lly layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies.” 即:一种与传统的材料去处加工方法截然相反的,通过增加材料、基于三维CAD模型数据,通常采用逐层制造方式,直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。

  解析二:几种主流快速成型工艺的成型原理及优缺点

  1. 激光光固化(SLA——Stereolithography)

  该技术以光敏树脂为原料,将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂连点扫描,便被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应,从而形成零件的一个薄层截面。当层固化完毕,移动工作台,在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上,如此重复直到整个零件原型制造完毕。美国3DSYSTEMS 公司是最早推出这种工艺的公司。该项技术特点是精度和光洁度高,但是材料比较脆,运行成本太高,后处理复杂,对操作人员要求较高。适合验证装配设计过程中用。

  2. 三维打印成型(3DP——3Dimension Printer)

  其最大特点是小型化和易操作,多用于商业、办公、科研和个人工作室等环境。而根据打印方式的不同,3DP三维打印技术又可以分为热爆式三维打印(代表:美国3D Systems公司的 Zprinter系列——原属ZCorporation公司,已被3D Systems公司收购)、压电式三维打印(代表:美国3D Systems公司的ProJet系列和前不久被Stratasys公司收购的以色列Objet公司的三维打印设备)、DLP投影式三维打印(代表:德国Envisiontec公司的Ultra、Perfactory系列)等。

  热爆式三维打印工艺的原理是将粉末由储存桶送出一定分量,再以滚筒将送出之粉末在加工平台上铺上一层很薄的原料,打印头依照3D 电脑模型切片后获得的二维层片信息喷出站着剂,粘住粉末。做完一层,加工平台自动下降一点,储存桶上升一点,刮刀由升高了的储存桶把粉末推至工作平台并把粉末推平,如此循环便可得到所要的形状。该项技术的特点是速度快(是其他工艺的6倍),成本低(是其它工艺的1/6)。缺点是精度和表面光洁度较低。Zprinter系列是全球唯一能够打印全彩色零件的三维打印设备。

  压电式三维打印,类似于传统的二维喷墨打印,可以打印超高精细度的样件,适用于小型精细零件的快速成型。相对SLA,设备维护更加简单;表面质量好,Z轴精度高。

  DLP投影式三维打印工艺的成型原理是利用直接照灯成型技术(DLPR)把感光树脂成型,CAD的数据由计算机软件进行分层及建立支撑,再输出黑白色的Bitmap档。每一层的Bitmap档会由DLPR投影机投射到工作台上的感光树脂,使其固化成型。DLP投影式三维打印的优点: 利用机器出厂时配备的软件,可以自动生成支撑结构并打印出完美的三维部件。相比于快速成型领域其他的设备,独有的voxelisation专利技术保证了成型产品的精度与表面光洁度。

  3. 熔融沉积造型(FDM——Fused Deposition Modeling)

  FDM工艺,也叫挤出成型,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 0C左右)。 FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的熔丝材料(丝材直径般在1.5mm 以上)从啧头中挤压出来,凝固形成轮廓形状的薄层,一层叠一层最后形成整个零件模型。美国3DSYSTEMS 公司的BFB系列和Rapman系列产品全部采用了FDM技术,其工艺特点是直接采用工程材料ABS 、PC等材料进行制作,适合设计的不同阶段。缺点是表面光洁度较差。

  4. 造择性激光烧结(SLS——Se1ected Laser Sintering)

  该法采用C02激光器作能源,目前使用的造型材料多为各种粉未材料。在工作台上均匀铺上一层很薄的(100μ-200μ) 粉未,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,一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉未,再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前,工艺材料为尼龙粉及塑料粉,还有使用金属粉进行烧结的。德国EOS公司的P系列塑料成型机和M系列金属成型机产品,是全球最好的SLS技术设备。

  SLS技术既可以归入快速成型的范畴,也可以归入快速制造的范畴,因为使用SLS技术可以直接快速制造最终产品。

  4.多层激光熔覆(DED,Direct Metal Deposition)

  相当于多层激光熔覆,利用激光或其它能源在材料从喷嘴输出时同步熔化材料,凝固后形成实体层,逐层叠加,最终形成三维实体零件。DED的成型精度较低,但是成型空间不受限制,因而常用于制作大型金属零件的毛坯。

  5.薄板层压成型(LOM,Layered Object Manufacturing)

  基本原理:利用激光等工具逐层切割、堆积薄板材料,最终形成三维实体。利用纸板、塑料板和金属板可分别制造出木纹状零件、塑料零件和金属零件。各层纸板或塑料板之间的结合常用粘接剂实现,而各层金属板直接的结合常用焊接(如热钎焊、熔化焊或超声焊接)和螺栓连接来实现。最大缺点:做不了太复杂的零件,材料范围很窄,每层厚度不可调整,精度有限。

  解析三:几种主流的快速制造工艺的原理及优缺点

  1. 造择性激光烧结(SLS——Se1ected Laser Sintering)

  使用SLS设备,可以直接制造金属模具和注塑模具的异形热流道系统,其硬度可达较高洛氏硬度,性能达到锻件级别, 也可以直接制造特殊、复杂功能零件。正是由于SLS技术的小批量特殊、复杂功能件的快速制造能力,且可以多个零件一次性成型制造,实现多品种、个性化的小批量快速制造,使该种技术在航空航天、军工、汽车发动机测试和开发、医疗领域得到了广泛的认可和应用。

  2. 真空灌注成型快速模具(VCM——Se1ected Laser Sintering)

  也叫“真空注型复模”,即利用原有的样板, 在真空状态下制作出硅胶模具,并在真空状态下采用PU 材料进行浇注,从而克隆出与原样板相同的复制件,是一种最常用的快速模具技术,通过这种技术,可以生产出满足各种功能特性的类似工程塑料的产品,同时可以进行小批量生产。

  一般一套VCM硅胶模具可以复制20套产品,尤其适合中小型、精细件的复制,比如仪器仪表、汽车零配件制造行业。这种加工工艺可以满足在产品试制过程中的应用,时间短,成本低,速度快。

  通常工艺流程是:3DP/SLA快速成型(手板、原型制作)-----VCM真空注型机(快速模具制作)------小批量复制、生产

  3. 低压反应注射成型 (Reaction Injection Moulding,RIM)

  又名“低压灌注”,是应用于快速模制品生产的一项新工艺,它将双组份聚氨酯材料经混合后,在常温、低压环境下注入快速模具内,通过材料的聚合、交联、固化等化学和物理过程形成制品。由于所用原料是液体,用较小压力即能快速充满模腔,所以降低了合模力和模具造价,特别适用于生产大尺寸、大面积的制件,比如汽车保险杠、仪表台、尾翼等。 一套RIM模具可以复制200件产品,已在汽车研发试制、仪器仪表、雕塑创意、建筑设计等领域得到运用。

  一般工艺流程是:SLS/CNC快速成型(手板、原型制作)------RIM快速模具制作------注射成型(小批量复制、生产)

  4. 数控机床(Computer Numerical Control,CNC)

  CNC是一种由程序控制的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序,通过计算机将其译码,从而使机床执行规定好了的动作,通过刀具切削将毛坯料加工成半成品成品零件。自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来,数控机床在制造工业,特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用,数控技术无论在硬件和软件方面,都有飞速发展。(来自百度百科)

  CNC相比于传统机床,它具备数字化、高效、批量化的特点,除了结构形状复杂的工件,基本都能应付,因此虽说不是严格意义上的快速成型技术,但是业界通常还是把它归入快速制造的范畴。

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