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3D打印技术分类和原理

发布时间:2024-07-18 20:58:32

各种各样的3D打印技术已经被开发出来,具有不同的功能。根据ASTM标准F2792 , ASTM将3D打印技术分为七大类,包括粘结喷射、定向能沉积、材料挤压、材料喷射、粉末床熔融、片材层压和还原光聚合。

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粘结喷射. Binder jetting

粘结剂喷射是一种快速成型和3D打印工艺,将化学粘结剂喷射到涂覆的粉末上形成粘结层。粘合喷射可以打印各种材料,包括金属,砂,聚合物,杂化和陶瓷。有些材料如沙子不需要额外的加工。此外,粘合剂喷射过程简单,快速和廉价的粉末颗粒粘在一起,有能力打印非常大的产品。

定向能沉积Directed energy deposition

定向能沉积是一种更复杂的打印工艺,通常用于修复或向现有组件添加额外材料。可用于陶瓷,聚合物,但通常用于金属和金属基混合物,以电线或粉末形式的打印。

材料挤压Materials extrusion

基于材料挤压的3D打印技术可用于塑料、食品或活细胞的多材料、多色打印。熔融沉积建模(FDM)是材料挤压系统的第一个例子。FDM是在1990年初发展起来的,该方法以聚合物为主要材料。FDM通过加热和挤压热塑性长丝,从底部到顶部逐层构建零件。

材料喷射Materials jetting

材料喷射是一种3D打印过程,其中一滴一滴地选择性沉积建筑材料。在材料喷射中,打印头将固化的光敏材料滴入,在紫外线(UV)光下逐层构建零件。

粉末床熔融Powder bed fusion

粉末床熔融工艺包括电子束熔化(EBM)、选择性激光烧结(SLS)和选择性热烧结(SHS)打印技术。这种方法使用电子束或激光将材料粉末熔化或融合在一起。在这个过程中使用的材料的例子是金属,陶瓷,聚合物,复合材料和混合材料。

片材层压Sheet lamination

片材复合是将材料片材粘合在一起,产生物体的一部分的3D打印过程。使用该工艺的3D打印技术的例子是层压对象制造(LOM)和超声增材制造(UAM)。

还原光聚合Vat Photopolymerization

常用的主要3D打印技术是光聚合,通常是指使用激光、光或紫外线(UV)固化光反应性聚合物。在SLA中,它受到光引发剂和辐照暴露特定条件以及任何染料、颜料或其他添加的紫外线吸收剂的影响。还原光聚合的重要参数是曝光时间、波长和功率。最初使用的材料是液体,当液体暴露在紫外线下会变硬。

打印过程

增材制造的一般工艺流程为:首先利用计算机辅助建模软件(如CAD软件)设计一个所需的三维模型。然后用切片软件对此模型进行数据处理,3D打印机将会在多种成型原理中选择一种成型方式,根据这些工作路径对原材料进行逐层打印。当二维薄片逐层堆叠在一起后,设计好的三维模型就制造成型了。最后,将打印好的模型取下后还需要进行后处理,一般包括清洗和固化两个步骤。

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三维设计

三维打印的设计过程是:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器,其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件 。

切片处理

切片软件将三维模型按照设定的层厚进行切片,将模型划分为一系列的水平层。每一层都被转换为一个二维图像,描述了该层在打印时需要填充或构建的区域。在切片软件中,可以调整模型在打印平台上的位置和角度,以优化打印效果和节省材料。

逐层打印

打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素/英寸)或者微米来计算的。一般的厚度为100微米,即0.1毫米,也有部分打印机如ObjetConnex 系列还有三维 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天,根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时,当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品,而三维打印技术则可以以更快,更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要 。

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有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物,比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西(如可溶物)作为支撑物。

后处理

将打印好的模型取下后进行后处理,包括清洗固化,打磨,机械抛光,化学抛光,上色等步骤。

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