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五种常见3D打印技术及其优缺点对比(附图)

中国机械工业联合会机经网  发布时间:2016-07-05 10:17:55  来源:网络


3D打印技术从狭义上来说主要是指增材成型技术,从成型工艺上看3D打印技术突破了传统成型方法通过快速自动成型系统与计算机数据模型结合,无需任何附加的传统模具制造和机械加工就能够制造出各种形状复杂的原型,这使得产品的设计生产周期大大缩短,生产成本大幅下降。

     3D打印技术从狭义上来说主要是指增材成型技术,从成型工艺上看3D打印技术突破了传统成型方法通过快速自动成型系统与计算机数据模型结合,无需任何附加的传统模具制造和机械加工就能够制造出各种形状复杂的原型,这使得产品的设计生产周期大大缩短,生产成本大幅下降。

  常用3D打印技术
  SLA(Stereo LithographyApparatus,光敏树脂选择性固化)
  SLS(Selective LaserSintering,粉末材料选择性激光烧结)
  FDM(Fused DepositionModeling,熔融沉积)
  3DP(3Three DimensionPrinting,3D喷射打印)
  PUG(Poly-Urethan-Guss,真空注型)


    1.SLA(光固化技术 )
    立体光固化成型工艺(Stereolithography Apparatus,SLA),又称立体光刻成型。该工艺最早由Charles W.Hull于1984年提出并获得美国国家专利,是最早发展起来的3D打印技术之一。Charles W.Hull在获得该专利后两年便成立了3D Systems公司并于1988年发布了世界上第一台商用3D打印机SLA-250。SLA工艺也成为了目前世界上研究最为深入、技术最为成熟、应用最为广泛的一种3D打印技术。


图:SLA(光固化技术)原理图

    原理:液槽中会先盛满液态的光敏树脂,氦—镉激光器或氩离子激光器发射出的紫外激光束在计算机的操纵下按工件的分层截面数据在液态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描,这使扫描区域的树脂薄层产生聚合反应而固化从形成工件的一个薄层。

    当一层树脂固化完毕后,工作台将下移一个层厚的距离以使在原先固化好的树脂表面上再覆盖一层新的液态树脂,刮板将粘度较大的树脂液面刮平然后再进行下一层的激光扫描固化。
    SLA(光固化技术 )的优缺点
    优点:
    1).成型过程自动化程度高。
    2).尺寸精度高。SLA原型的尺寸精度可以达到±0.1mm。
    3).表面质量优良。
    4).系统分辨率较高,可以制作结构比较复杂的模型或零件。
    缺点:
    1).零件较易弯曲和变形,需要支撑。
    2).设备运转及维护成本较高。
    3).可使用的材料种类较少。
    4).液态树脂具有气味和毒性,并且需要避光保护。
    5).液态树脂固化后的零件较脆、易断裂。

    2.SLS ( 粉末烧结技术 )

    选择性激光烧结工艺(Selective Laser Sintering,SLS),该工艺最早是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年在其硕士论文中提出的,随后C.R.Dechard创立了DTM公司并于1992年发布了基于SLS技术的工业级商用3D打印机Sinterstation。


图:粉末烧结技术原理图

    原理:先采用压辊将一层粉末平铺到已成型工件的上表面,数控系统操控激光束按照该层截面轮廓在粉层上进行扫描照射而使粉末的温度升至熔化点,从而进行烧结并于下面已成型的部分实现粘合。当一层截面烧结完后工作台将下降一个层厚,这时压辊又会均匀地在上面铺上一层粉末并开始新一层截面的烧结,如此反复操作直接工件完全成型。
    SLS ( 粉末烧结技术 )的优缺点
    优点:
    1). 可直接制作金属制件(独有)。
    2).材料选择广泛。
    3).可制造复杂构件或模具。
    4).不需要增加基座支撑。
    5).材料利用率
    缺点:
    1).样件表面粗糙,呈现颗粒状。
    2).加工过程会产生有害气体
    3.FDM (熔融沉积技术 )
    熔融沉积成型工艺(Fused Deposition Modeling,FDM)是继LOM工艺和SLA工艺之后发展起来的一种3D打印技术。该技术由Scott Crump于1988年发明,随后Scott Crump创立了Stratasys公司。1992年,Stratasys公司推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——“3D造型者(3D Modeler)”,这也标志着FDM技术步入商用阶段。


图:FDM(熔融沉积技术)原理图

    原理:将丝状的热熔性材料进行加热融化,通过带有微细喷嘴的挤出机把材料挤出来。喷头可以沿X轴的方向进行移动,工作台则沿Y轴和Z轴方向移动(当然不同的设备其机械结构的设计也许不一样),熔融的丝材被挤出后随即会和前一层材料粘合在一起。一层材料沉积后工作台将按预定的增量下降一个厚度,然后重复以上的步骤直到工件完全成型。

  FDM(熔融沉积)的优缺点
  优点:
    1).整个系统构造原理和操作简单,维护成本低,系统运行安全。可以使用无毒的原材料,设备系统可在办公环境中安装使用。
    2).工艺干净、简单、易于操作且不产生垃圾。
    3).独有的水溶性支撑技术,使得去除支撑结构简单易行,可快速构建瓶状或中空零件以及一次成型的装配结构件。
    4).原材料以材料卷的形式提供,易于搬运和快速更换。
    5).可选用多种材料,如各种色彩的工程塑料ABS、PC、PPSF以及医用ABS等。
    缺点:
    1).成型精度相对SLA工艺较低,精度0.178mm。
    2).成型表面光洁度不如SLA工艺。
    3).成型速度相对较慢。
    4.3DP( 3D 喷射打印技术 )
    聚合物喷射技术是以色列Objet公司于2000年初推出的专利技术,PolyJet技术也是当前最为先进的3D打印技术之一,它的成型原理与3DP有点类似,不过喷射的不是粘合剂而是聚合成型材料,如图所示为PolyJet聚合物喷射系统的结构:


图:3DP(3D喷射打印技术)原理图

    原理:3D打印材料以超薄层被喷射到构建托盘上,用紫外线固化,并且可以同时喷射两种不同机械特性的材料。完成一层的喷射打印和固化后,设备内置的工作台会极其精准地下降一个成型层厚,喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和固化。就这样一层接一层,直到整个工件打印制作完成。
    3DP(3D喷射打印技术)的优缺点
    优点:
    1).同时制作两种及以上材料组合件。
    2).皮革纹理清晰,尤其适合内饰件试制(方向盘、扶手、排档等)。
    3).密封条、密封圈试制。
    4).一次性制作复杂分总成零件。
    5).更细致表现细节。
    6).内外饰小模型制作。
    缺点:
    材料强度受限制
    5.PUG (真空注型技术 )
    真空注型技术基于硅胶模而翻制样件的技术,硅胶模制造工艺是一种比较普及的快速模具制造方法。由于硅胶模具有良好的柔性和弹性,能够制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜度甚至具有倒拔模斜度以及具有深凹槽类的零件,制作周期短,制件质量高。


图:PUG工艺流程图

    优点:
    1).小批量生产。
    2).工艺相对简单,易操作。
    3).只需简易硅胶模,制作时间短。
    4).可选择多种材料。
    缺点:
    1).类批量材料在性能上受限制。
    2).易发生起泡、缺料等表面缺陷。
    6 .五种技术对比

    (文章节选自沈卫东( 上海大众汽车技术专家)《3D打印技术在汽车研发中的应用》,由 艾邦高分子整理编辑)
做好产业规划  推动产业升级
责任编辑:机经网编辑部 yaoyu
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