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叠加的魅力3D打印之熔融重积成型技巧
2019-07-17 12:48 橡胶制品

叠加的魅力3D打印之熔融重积成型技巧

  【中合村正在线办公打印频道原创】FDM(FusedDepositionModeling)中文全称为熔融重积成型,是目前行使最为通俗的3D打印身手,该身手是美邦Stratasys公司于上世纪八十年代末发现。1992年该公司推出寰宇上第一款基于FDM身手的3D打印机,记号着FDM身手步入商用阶段。2009年FDM症结身手专利到期,种种基于FDM身手的3D打印公司起头大批崭露,行业迎来神速起色期。

  对付3D打印而言,原料是症结所正在,FDM身手旅途涉及的原料要紧网罗成型原料和撑持原料,依据身手特色,恳求成型原料具有熔融温度低、粘度低、粘结性好、紧缩率小等特色;撑持原料恳求具有可以接受必定的高温、与成型原料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、具有较低的熔融温度、滚动性要好等特色。

  FDM行使范围网罗观念修模、效力性原型修制、修制加工、最终用处零件修制、修整等方面,涉及汽车、医疗、修筑、文娱、电子等范围,跟着身手的先进,FDM的行使还正在接续拓展。

  FDM身手便宜网罗本钱低、成型原料领域较广、境遇污染较小、摆设及原料体积较小、原料使用率高、后措置相对容易等;误差网罗成型时期较长、精度低、必要撑持原料等。

  与其他3D打印身手比拟,FDM身手不涉及激光、高温、高压等危境合头,同时其体积也较小,是本钱相对较低的3D打印身手,可以大批行使于家庭及办公室境遇,跟着症结身手专利的到期,FDM的种种行使范围还正在接续拓展,前景值得盼望。

  3D打印(3DPrinting)身手,是正在企图机统制下,基于“增材修制”道理,立体逐层积聚离散原料,实行零件原型或最终产物的成型与修制的身手。该身手以企图机三维打算模子为底本,通过软件分层离散和数控成型体例,将3D实体变为若干个2D平面,使用激光束、电子束、热熔喷嘴等格式将粉末、热塑性原料等额外原料实行逐层积聚粘结,最终叠加成型,修制出实体产物。

  颠末几十年的起色,目前曾经开垦轶群种3D打印身手旅途,从大类上划分为挤出成型、粒状物料成型、光聚集成型和其他成型几大类,根本成型要紧代外身手旅途为熔融重积成型(FDM);粒状物成型身手旅途要紧网罗电子束熔化成型(EBM)、采用性激光烧结(SLS)、三维打印(3DP)、采用性热烧结(SHS)等;光聚集成型要紧网罗光固化(SLA)、数字光措置(DLP)、聚集物喷射(PI);其他身手网罗激光熔覆神速修制身手(LENS)、熔丝修制(FFF)、消融压模(MEM)、层压板修制(LOM)等。

  个中FDM、SLA、LOM、SLS、3DP为主流身手,熔融重积成型FDM工艺通常是热塑性原料,以丝状形式供料。原料正在喷头内被加热熔化,喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的原料挤出,原料敏捷固结,并与周遭的原料凝集;光固化神速成形SLA,又称立体光刻、光成形等,是一种采用激光束逐点扫描液态光敏树脂使之固化的神速成型工艺;叠层实体修制LOM工艺是神速原型身手中具有代外性的身手之一,是基于激光切割薄片原料、由黏结剂黏结各层成形;采用性激光烧结SLS工艺,是采用红外激光行为热源来烧结粉末原料,并以逐层积聚格式成形三维零件的一种神速成形身手;3DP工艺与SLS工艺相似,采用粉末原料成形,如陶瓷粉末,金属粉末。所分歧的是原料粉末不是通过烧结接连起来的,而是通过喷头用粘接剂将零件的截面“印刷”正在原料粉末上面。

  熔融重积成型(FDM,FusedDepositionModeling)是上世纪八十年代末,由美邦Stratasys公司发现的身手,是即光固化神速成型(SLA)和叠层实体神速成型工艺(LOM)后的另一种行使较量通俗的3D打印身手旅途。1992年,Stratasys公司推出了寰宇上第一台基于FDM身手的3D打印机——“3D制型者(3DModeler)”,这也记号着FDM身手步入商用阶段。因为FDM工艺不必要激光体例赞成,成型原料众为ABS、PLA等热塑性原料,于是性价较量高,是桌面级3D打印机通俗采用的身手旅途。

  邦内方面,对付FDM身手的磋议最早网罗清华大学、西安交大、华中科大等几所高效实行,个中,清华大学属下的企业于2000年推出了基于FDM身手的商用3D打印机,近年来也显示出北京太尔时期、杭州先临三维等众家将3D打印机身手贸易化的企业。

  2009年FDM症结身手专利过时,基于FDM的3D打印公司起头大批崭露,行业也迎来了神速起色期,联系摆设的本钱和售价也大幅下降,数据显示,专利到期之后桌面级FDM打印机从超越1万美元消重至几百美元,发售数目也从几千台上升至几万台。

  FDM的处事道理是将丝状原料通过送丝部件送入热熔喷头,然后正在喷头内被加热消融,正在电脑统制下喷头沿着零件截面轮廓和填充轨迹运动,将半滚动状况的原料送到指定处所并最终固结,同时与周遭原料粘结,采用性地逐层消融与遮盖,最终变成制品。

  一套实现的FDM修制体例网罗硬件体例、软件体例,硬件体例要紧指3D打印机自己,一台使用FDM身手的3D打印机网罗处事平台、送丝装配、加热喷头、储丝摆设和统制摆设五大一面构成。

  原料是3D打印身手的症结所正在,对付FDM来说也不各异,FDM体例的原料要紧网罗成型原料和撑持原料,成型原料要紧为热塑性原料,网罗ABS、PLA、人制橡胶、白腊等;撑持原料目前要紧为水溶性原料。

  成型原料是使用FDM身手告竣3D打印的载体,对其粘度、熔融温度、粘结性、紧缩率等方面均有较高的恳求,简直恳求如下:

  原料的粘度低,滚动性好,阻力就小,有助于原料胜利挤出。原料的滚动性差,必要很大的送丝压力技能挤出,会增添喷头的启停响适时间,从而影响成型精度。

  熔融温度低可能使原料正在较低温度下挤出,有利于提升喷头和扫数呆板体例的寿命,可能淘汰原料正在挤出前后的温差,淘汰热应力,从而提升原型的精度。

  FDM工艺时基于分层修制的一种工艺,层与层之间往往是零件强度最微弱的地方,粘结性口舌决议了零件成型此后的强度,粘结性过低,有时正在成型流程中因热应力会变成层与层之间的开裂。

  因为挤出时,喷头内部必要维系必定的压力技能将原料胜利挤出,挤出后原料丝通常会产生必定水平的膨胀。即使原料紧缩率对压力较量敏锐,会变成喷头挤出的原料丝直径与喷嘴的外面直径相差太大,影响原料的成型精度,FDM成型原料的紧缩率对温度太敏锐,不然会发生零件翘曲、开裂。

  总结起来,FDM对成型原料的简直恳求是熔融温度低、粘度低、粘结性好、紧缩率小。依据上述特色,目前墟市上要紧的FDM成型原料网罗ABS、PC、PP、PLA、合成橡胶等。

  ABS原料。ABS是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,为五大合成树脂之一,具有抗障碍性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气职能优秀,还具有易加工、成品尺寸安祥、外外光泽性好等特色,容易涂装、着色,还可能实行外外喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工,通俗行使于呆板、汽车、电子电器、仪器仪外、纺织和修筑等工业范围,是一种用处极广的热塑性工程塑料。

  行为一种用处通俗的合成树脂,ABS价值要紧影响成分为邦际原油价值,近期邦际原油价值一连低迷,ABS价值也崭露下跌,2015年今后ABS均价为12451元/吨,较2015年均价下跌14%,估计短期内ABS价值很难崭露上涨,从积年的环境看,ABS均价正在15000元/吨把握。

  PC原料。PC即聚碳酸酯,是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚集物,依据酯基的机合可分为脂肪族、芬芳族、脂肪族-芬芳族等众品种型,具有高弹性系数、高障碍强度、操纵温度领域广、高度透后性及自正在染色性、成形紧缩率低、尺寸沉着性优秀、耐疲钝性佳、耐候性佳、电气特色优、无聊无臭对人体无害适应卫生和平等特色,可用于光盘、汽车、办公摆设、箱体、包装、医药、照明、薄膜等众个范围。

  跟着产能的接续扩增,PC价值近年来总体上呈下跌趋向,2015年今后,因为下逛需求的回暖,PC均价为19250元/吨,较旧年同期上涨8%把握,从近年来的环境看,2010年今后PC均价为19650元/吨。

  PP原料。PP即聚丙烯,是由丙烯聚集而制得的一种热塑性树脂,其无毒、无聊,密度小,强度、刚度、硬度耐热性均优于低压聚乙烯,可正在100℃把握操纵。具有优秀的介电职能和高频绝缘性且不受湿度影响,但低温时变脆,不耐磨、易老化。适于修制通常呆板零件、耐腐化零件和绝缘零件。常睹的酸、碱等有机溶剂对它险些不升引意,可用于食具。

  2015年今后,正在邦际原油价值一连低迷后台下,PP遗失本钱撑持,价值有所下滑,2015年今后均价为10196元/吨,较2014年均价下跌14%,统计显示,2006年今后PP均价为12120元/吨。

  PLA原料。PLA即聚乳酸,其热安祥性好,有好的抗溶剂性,可用众种格式实行加工,如挤压、纺丝、双轴拉伸,打针吹塑。由聚乳酸制成的产物除能生物降解外,生物相容性、光泽度、透后性、手感和耐热性好,还具有必定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性,于是用处相称通俗,可用作包装原料、纤维和非织制物等,目前要紧用于打扮、工业和医疗卫生等范围。

  目前PLA均价正在21000元/吨把握,其价值高于ABS、PC、PP等石化旅途工程塑料,因由是聚乳酸原料来自于玉米等农作物生物发酵,本钱相对较高,也由于这样,其境遇友谊水平较高。

  合成橡胶原料。为了区别于自然橡胶,联合将用化学手段人工合成的橡胶称为合成橡胶,可以有用补充自然橡胶产量亏空的题目,合成橡胶通常正在职能上不如自然橡胶完全,但它具有高弹性、绝缘性、气密性、耐油、耐高温或低温等职能,所以通俗行使于工农业、邦防、交通及平日生计中。

  撑持原料。顾名思义是正在3D打印流程中对成型原料起到撑持用意的一面,正在打印实现后,撑持原料必要实行剥离,于是也恳求其具有必定的职能,目前采用的撑持原料通常为水溶性原料,即正在水中可以熔解,便当剥离。简直特色恳求如下外:

  对付具有很纷乱的内腔、孔隙等原型,为了便于后措置,可通过撑持原料正在某种液体里熔解而去撑持。因为现正在FDM操纵的成型原料通常是ABS工程塑料,该原料通常可能熔解正在有机溶剂中,因此不行操纵有机溶剂。目前,已开垦出水溶性撑持原料。

  因为撑持原料的成型精度恳求不高,为了提升呆板的扫描速率,恳求撑持原料具有很好的滚动性,相对而言,对付粘性可能差少少。

  总结起来,FDM对撑持原料的简直恳求是可以接受必定的高温、与成型原料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、具有较低的熔融温度、滚动性要好等。

  依据邦际3D打印巨头,同时也是FDM发现者的Stratasys公司材料显示,FDM行使范围网罗观念修模、效力性原型修制、修制加工、最终用处零件修制、修整等方面,涉及汽车、医疗、修筑、文娱、电子、培育等范围。

  修筑修模。企图机模仿正在工程打算和修筑范围曾经行使了很长一段时期。然则,修筑可视化的守旧做法是操纵木柴或泡沫板修制修筑的等比例模子。这使得修筑师可能看到修筑正在实质空间中若何岳立,以及是否存正在任何可能勘误的题目。而3D打印联结了企图机模仿的切确性和等比例模子的的确性,可以有用下降打算本钱和开垦时期,同时通过等比例的模子可能对修筑实行改进,增添和平性和合理性。

  人体工程学打算。准确的人体工程学打算对提防受伤以及巩固处事出力必弗成少。3D打印的模子许可正在开垦流程光阴就对人体工程学职能实行切确地测试。通过3D打印身手,打算职员可能创作出传神的模子,再现产物每个独自部件的物理特色。正在众次测试周期光阴可能对原料实行改正,从而告竣正在将产物完全进入临蓐前对其人体工程学方面实行优化。

  墟市营销和打算。使用FDM身手构修的模子可能实行打磨、上漆、以至镀铬,从而到达与新产物最终外观相仿的主意。FDM操纵临蓐级的热塑塑料,于是模子可能得到与最终产物相同的耐用性和操纵感触。

  正在产物打算初期,可能使用FDM身手神速得到产物原型,而通过FDM身手得到的原型自己具有耐高温、耐化学腐化等职能,可以通过原型实行种种职能测试,以改良最终的产物打算参数,大大缩短了产物从打算到临蓐的时期。

  因为FDM身手可能采用高职能的临蓐级别原料,可能正在很短的时期内修制圭臬器材,并可实行小批量临蓐,通过小批量临蓐可能操纵与最终产物一样的流程和原料来创修原型,并正在恭候最终模具从车间发往各地的同时,即可将新产物上市。

  FDM身手可修制业界最为耐用、安祥、可反复操纵的部件。其精度可媲美注塑成形,且能操纵众种热塑性原料,通过FDM身手,修制商可能收拢更众小批量修制、定制最终用处零件和工场主动化的机缘。

  丰田公司采用FDM工艺修制右侧镜支架和四个门把手的母模,通过神速模具身手修制产物而庖代守旧的CNC制模格式,使得2000Avalon车型的修制本钱明显下降,右侧镜支架模具本钱下降20万美元,四个门把手模具本钱下降30万美元。FDM工艺曾经为丰田公司正在轿车修制方面节减了200万美元。

  Mizuno是寰宇上最大的归纳性体育用品修制公司,公司安排开垦一套新的高尔夫球杆,广泛必要13个月的时期。FDM的行使大大缩短了这个流程,打算出的新高尔夫球头用FDM修制后,可能敏捷地获得反应私睹并实行改正,大大加疾了制型阶段的打算验证,一朝打算定型,FDM结尾修制出的ABS原型就可能行为加工基准正在CNC机床进取行钢制母模的加工。新的高尔夫球杆扫数开垦周期正在7个月内就扫数实现,缩短了40%的时期。目前,FDM神速原型身手已成为Mizuno美邦公司正在产物开垦流程中起决议性用意的构成一面。

  福特公司终年必要部件的衬板,当部件从一厂到另一厂的运输流程中,衬板用于撑持、缓冲和防护。衬板的前外外依据部件的几何形式而调动。福特公司一年间要采用一系列的衬板,通常地,每种衬板改型要花费成切切美元和12周时期修制必要的模具。新衬板的注塑消逝模被拉拢公司选作临蓐部后,部件的蜡靠模采用FDM修制,修制周期仅3天。其间,必需小心的搜检蜡靠模的尺寸,测出模具紧缩趋势。紧接着从锻制白腊模翻出A2钢模,该措置流程将花费一周时期。模具接着车削外面面,划上改正线和水准线以便呆板加工。该模具正在模具后部打算成中空区,以淘汰用钢量,中空区填入化学粘结瓷。仅花5周时期和一半的原先本钱,况且修制的模具起码可临蓐3万套衬板。采用FDM工艺后,福特汽车公司大大缩短了运输部件衬板的修制周期,并明显下降了修制本钱。

  与其他3D打印身手旅途比拟,FDM具有本钱低、原料通俗等便宜,同样存正在成型精度低、撑持原料难以剥离等特色,下面做扼要领悟。

  本钱低。FDM身手不采用激光器,摆设运营爱护本钱较低,而其成型原料也众为ABS、PC等产用工程塑料,本钱同样较低,于是目前桌面级3D打印机众采用FDM身手旅途。

  成型原料领域较广。通过上述领悟咱们晓畅,ABS、PLA、PC、PP等热塑性原料均可行为FDM旅途的成型原料,这些都是常睹的工程塑料,易于得到,且本钱较低。

  境遇污染较小。正在扫数流程中只涉及热塑原料的熔融和固结,且正在较为紧闭的3D打印室内实行,且不涉及高温、高压,没有有毒无益物质排放,于是,境遇友谊水平较高。

  摆设、原料体积较小。采用FDM旅途的3D打印机摆设体积较小,而耗材也是成卷的丝材,便于搬运,适合于办公室、家庭等境遇。

  原料使用率高。没有操纵或者操纵流程中放弃的成型原料和撑持原料可能实行接纳,加工再使用,可以有用提升原料的使用出力。

  后措置相对容易。目前采用的撑持原料众为水溶性原料,剥离较为容易,而其他身手旅途后措置往往还必要实行固化措置,必要其他辅助摆设,FDM则不必要。

  成型时期较长。因为喷头运动是呆板运动,成型流程中速率受到必定的节制,于是通常成型时期较长,不适于修制大型部件。

  必要撑持原料。正在成型流程中必要列入撑持原料,正在打印实现后要实行剥离,对付少少纷乱构件来说,剥离存正在必定的坚苦。此外,跟着身手的先进,少少采用3D打印厂家曾经推出了不必要撑持原料的机型,该误差正正在被逐渐治服。

  与SLA、聚氨酯制品图片LOM、SLS等成熟3D打印身手比拟,FDM具有我方的特色,总体来说,FDM身手适合于对精度恳求不高的桌面级3D打印机,易于增加,墟市空间也较大。

  因为正在加工流程中不涉及激光身手,合座摆设体积较小,耗材获取较为容易,打印本钱也相对较低,于是FDM身手旅途是面向部分的3D打印机的首选身手,通过采用FDM身手的3D打印机,打算职员可能正在很短的时期内打算并修制生产品原型,并通过实体对产物原型实行改良,与守旧的企图机修模比拟,可以的确的将实物呈现正在打算职员的眼前。同时FDM身手也可能正在种种文娱创意范围中通俗行使,可以知足人们对少少产物的脾气化定克服务,跟着百姓生计水准的提升,这种需求将接续增添。同时因为FDM身手专利曾经到期,其大面积增加曾经不存正在冲击,于是咱们估计采用FDM身手旅途的3D打印机,非常是桌面级3D打印机的墟市空间将快速增添。(数据起源:华融证券)