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3D打印機(jī)技術(shù)總結(jié)

2022-02-10

1、選擇性激光燒結(jié)（SLS)

其原理是，激光選擇地逐層燒結(jié)固體粉末（材料除了主體金屬粉末外還需要添加一定比例的熔點(diǎn)較低的粘結(jié)劑粉末，粘結(jié)劑粉末一般為熔點(diǎn)較低的金屬粉末或是有機(jī)樹脂等），同時(shí)將燒結(jié)成型的粉末疊加至已固化的粉末層上，最終形成所需形狀的零件。這種技術(shù)依賴的核心器件是紅外激光器，能源工作環(huán)境為氬氣或氮?dú)鈿夥铡＞哂兄圃旃に嚭唵巍⑸a(chǎn)效率較高、成型材料種類多、材料利用率高、成品用途廣泛、無需考慮支撐系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是由于粘接劑的作用，實(shí)體存在孔隙，力學(xué)性能差，需要高溫重熔再加工。此外，當(dāng)產(chǎn) 品存儲(chǔ)時(shí)間過長時(shí)，會(huì)因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力釋放而變形，表面質(zhì)量一般。運(yùn)營成本較高，設(shè)備費(fèi)用較貴。

2、選擇性激光熔化(SLM)

該技術(shù)與 SLS 技術(shù)主要區(qū)別在于 SLM 通過激光器對(duì)金屬粉末直接進(jìn)行熱作用，不依賴粘結(jié) 劑粉末，金屬粉末通過熔化、凝固從而達(dá)到冶金結(jié)合的效果，最終獲得所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的金屬零件。SLM 技術(shù)為了更好的融化金屬需要使用金屬有較高吸收率的激光束，所以一般使用的是 Nd-YAG 激光器（1.064 微米）和光纖激光器（1.09 微米）等波長較短的激光束。優(yōu) 點(diǎn)是 SLM 技術(shù)使用純金屬粉末，成型的金屬零件致密度可達(dá)接近 100%；抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性能指標(biāo)優(yōu)于鑄件，甚至可達(dá)到鍛件水平；致密度力學(xué)性能與成型精度上都要比SLS好一些。另一種技術(shù)——選區(qū)電子束熔煉技術(shù)（EBM）與 SLM 技術(shù)相似，不同之處是 EBM 利用高速電子束流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能作為熱源來進(jìn)行金屬熔煉，工作環(huán)境為真空。電子束做熱源，相比于激光可實(shí)現(xiàn)更高的熔煉溫度，且爐子功率和加熱速度可調(diào)，能熔煉難熔金屬，并且能將不同的金屬熔合。但是也存在金屬收得率較低、比電耗較大、嚴(yán)格真空要求等缺點(diǎn)。

3、定向能量沉積(DED) 這項(xiàng)技術(shù)工作原理類似 SLM

由激光或其他能量源在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動(dòng)，材料以粉末或絲狀通過噴嘴直接噴射到高功率激光器的焦點(diǎn)上，熔化后逐層沉積，形成所需零件。相比于 SLM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之處在于，第一，該技術(shù)允許激光頭和工件更靈活地移動(dòng)，從而增加設(shè)計(jì)自由度。第二，在 DED 設(shè)備運(yùn)行中，惰性氣體直接從激光頭流出并包圍粉末流和熔池，不依賴于充滿惰性氣體的壓力室，3D 打印加工過程可以立即開始，大大壓縮了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。第三，能生產(chǎn)大型零件，且不需要任何支撐結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)在于熔化過程不如 SLM 精確，成品部件通常必須進(jìn)行再加工。

4、微噴射粘結(jié)技術(shù)（3DP）

3DP 技術(shù)與 SLS 工藝類似，采用陶瓷、石膏粉末成形。不同之處在于，材料粉末不是通過激光器燒結(jié)固體粉末連接起來的，而是通過粘接劑打印頭沿零件截面路徑噴射透明或者彩色粘結(jié)劑并將粉末凝固，其他位置的粉末作為支撐，之后再鋪設(shè)一層粉末，循環(huán)該過程直至打印完成。3DP 技術(shù)主要依賴的核心器件是粘接劑打印頭，優(yōu)點(diǎn)在于成型材料范圍廣，能耗小，設(shè)備體積小。但是缺點(diǎn)也顯而易見，粘接劑粘接的零件強(qiáng)度較低，需要后處理，產(chǎn)品疏松多孔。以色列 Objet 公司研制的 Polyjet3D 技術(shù)與 3DP 類似，不過噴射的不是粘合劑而是光敏聚合成型材料。目前，Polyjet3D 技術(shù)已經(jīng)成為美國 Stratasys 公司的亮點(diǎn)。首先，多種基礎(chǔ) 材料可在機(jī)外混合，組合可得到性能更為優(yōu)異的新材料。其次，產(chǎn)品精確度可達(dá) 16 微米的分辨率，可獲得流暢且非常精細(xì)的部件與模型。最后，該技術(shù)用途廣泛，可適用于不同幾何形狀、機(jī)械性能及顏色部件的打印，例如：Polyjet Matrix 技術(shù)還支持多種型號(hào)、多種顏色材料同時(shí)噴射。

5、熔積成型法（FDM）

其工作原理是將絲狀原材料（一般為熱塑性材料）通過送絲機(jī)送入熱熔噴頭，然后在噴頭內(nèi)加熱熔化，熔化的熱塑材料絲通過噴頭擠出，擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，擠出半流動(dòng)的熱塑材料沉積固化成精確的實(shí)際部件薄層，覆蓋于已建造的零件之上，這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個(gè)實(shí)體模型或零件。該項(xiàng)技術(shù)主要依賴微細(xì)噴嘴（直徑一般為 0.2～0.6mm）以及加熱器（保持半流動(dòng)成型材料的溫度剛好在熔點(diǎn)之上 1℃)。

其優(yōu)點(diǎn)是 1、無需激光器等貴重原件，成本低、速度快。 2、對(duì)使用環(huán)境沒有限制，可以放在辦公室或者家庭環(huán)境使用，維護(hù)簡單、體積小無污染 3、材料易更換、強(qiáng)度韌性較高，極大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，從而能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)變化，滿足顧客的個(gè)性化需求。但是也存在零件精度低以及難以形成復(fù)雜構(gòu)件和大型零件等缺陷。

6、分層實(shí)體制造法（LOM）

這種方法以片材（如紙或塑料薄膜等）為原材料，根據(jù)計(jì)算機(jī)掃描得出的零件橫截面，通過激光裁剪，將背面涂有熱熔膠的片材按零件的輪廓裁剪，之后將裁剪好的片層疊加至已裁好的片層上，利用熱壓裝置將其粘結(jié)在一起，然后再進(jìn)行下一層零件橫截面的裁剪、粘合，最終形成實(shí)體零件。 LOM 技術(shù)主要依賴熱熔膠的性能，具有模型支撐性好，廢料易剝離，制件尺寸大，成本低，效率高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度和彈性差，不能制造中空件；受制于材料影響，利用 LOM 技術(shù)打印的零件易吸濕膨脹，表面有臺(tái)階紋。

7、立體光固化成型法（SLA）

SLA 技術(shù)的原理是，在計(jì)算機(jī)控制下，紫外激光按零件各分層截面數(shù)據(jù)對(duì)液態(tài)光敏樹脂表面逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層，一層層固化直到整個(gè)零件制作完畢。該技術(shù)主要依賴紫外激光器和適合的光敏材料。一方面，液態(tài)樹脂材料成型，固化方式由點(diǎn)到線，由線到面，制作的產(chǎn)品精度較高，表面質(zhì)量較好。另一方面，樹脂類材料本身存在一些缺陷，例如：強(qiáng)度，剛度，耐熱性有限，不利于長時(shí)間保存，樹脂固化過程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。雖然 SLA 技術(shù)發(fā)展較早，目前較為成熟，但是 SLA 設(shè)備造價(jià)依舊高昂，維護(hù)和使用成本高，而且需要設(shè)計(jì)工件的支撐結(jié)構(gòu)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織轄下增材制造技術(shù)委員會(huì)發(fā)布 ISO/ASTM 52900：2015 標(biāo)準(zhǔn)將增材技術(shù) 分為 7 大類，分別是：立體光固化（SLA）、粘結(jié)劑噴射(3DP)、定向能量沉積(DED)、薄材疊層（LOM）、材料擠出(FDM)、材料噴射（PloyJet）、粉末床熔融（SLM、SLS、EBM）。

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