第2讲 典型的3D打印机介绍

主要介绍典型的3D打印技术和桌面级打印机的种类。

1.3D打印技术的分类

1)FDM:熔融沉积快速成型,主要材料ABS和PLA
2)SLA:光固化成型,主要材料光敏树脂
3)3DP:三维粉末粘接。如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末
4)SLS:选择性激光烧结,主要材料粉末材料
5)LOM:分成实体制造,主要材料纸、金属膜、塑料薄膜
6)DLP:数字光处理,主要材料液态树脂
7)FFF:熔丝制造,主要材料PLA、ABS
8)EMB:电子束熔化成型,主要材料钛合金

2.流行的3D打印技术种类 

主要包括SLA/DLP技术、FDM熔融层积成型技术、3DP技术、SLS选区激光烧结等。

SLA/DLP技术SLA 是”Stereo lithographyAppearance”的缩写,即立体光固化成型法。它的工作原理是用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面,由点到线再到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面,这样层层叠加构成一个三维实体。如下图所。

第2讲 典型的3D打印机介绍

大家可以了解一下SLA技术的原理。

SLA 是最早实用化的快速成形技术,采用液态光敏树脂原料,工艺原理如图所示。其工艺过程:

首先,通过 CAD 设计出三维实体模型,利用离散程序将模型进行切片处理,设计扫描路径,产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动;

其次,激光光束通过数控装置控制的扫描器,按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面 , 使表面特定区域内的一层树脂固化后, 当一层加工完毕后,就生成零件的一个截面; 升降台下降一定距离,固化层上覆盖另一层液态树脂,再进行第二层扫描,第二固化层牢固地粘结在前一固化层上,这样一层层叠加而成三维工件原型。

最后,将原型从树脂中取出后,进行最终固化,再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。

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SLA 技术主要用于制造多种模具、模型等;还可以在原料中通过加入其它成分, SLA用原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA 技术成形速度较快,精度较高,但由于树脂固化过程中产生收缩,不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。

可以观看:SLA3D打印机UM1 打印视频。

FDM即是Fused DepositionModeling,熔融挤出成型工艺的材料一般是热塑性材料,如ABS、PC、尼龙等,以丝状供料。材料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,同时将熔化的材料挤出,材料迅速固化,并与周围的材料粘结。

每一个层片都是在上一层上堆积而成,上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加,层片轮廓的面积和形状都会发生变化,当形状发生较大的变化时,上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用,这就需要设计一些辅助结构-“支撑”,对后续层提供定位和支撑,以保证成形过程的顺利实现。其原理如图所示。

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这种工艺不用激光,使用、维护简单,成本较低。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC,PC/ABS,PPSF等更高强度的成形材料,使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点,该工艺发展极为迅速,目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额最大。

可以观看:FDM ABS 3D打印视频

3DP即3D printing,采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术,通过将液态连结体铺放在粉末薄层上,以打印横截面数据的方式逐层创建各部件,创建三维实体模型,采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩,还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上,模型样品所传递的信息较大,如图所示。

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美国麻省理工大学的Emanual Sachs教授于1989年申请了三维印刷技术(3DP)的专利。这是一种以陶瓷、金属等粉末为材料,通过粘合剂将每一层粉末粘合到一起,通过层层叠加而成型。1993年,粉末粘合成型工艺是实现全彩打印最好的工艺,使用石膏粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等作为材料,是目前最为成熟的彩色3D打印技术。


可以观看:projet 3d打印快速成型机机器模拟演示视频

SLS选区激光烧结技术,即Selective Laser Sintering,和3DP技术相似,同样采用粉末为材料。所不同的是,这种粉末在激光照射高温条件下才能融化。喷粉装置先铺一层粉末材料,将材料预热到接近熔化点,在采用激光照射,将需要成型模型的截面形状扫描,使粉末融化,被烧结部分粘合到一起。通过这种过程不断循环,粉末层层堆积,直到最后成型。

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SLS最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的 Carlckard于 1989 年在其硕士论文中提出的。后美国DTM 公司于 1992 年推出了该工艺的商业化生产设备SinterSation。几十年来,奥斯汀分校和DTM 公司在 SLS 领域做了大量的研究工作,在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS 公司在这一领域也做了很多研究工作,并开发了相应的系列成型设备。激光烧结技术成型原理最为复杂,成型条件最高,设备及材料成本最高的3D打印技术,但也是目前对3D打印技术发展影响最为深远的技术。目前SLS技术材料可以是尼龙、蜡、陶瓷、金属等,SLS技术成型材料的的种类多元化。

可以观看:金属粉末3D打印机完整零件加工过程视频


LOM 技术 分层实体制造法(LOM——Laminated Object Manufacturing),LOM 又称层叠法成形,它以片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料,其成形原理如图所示,激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据,将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后,送料机构将新的一层纸叠加上去,利用热粘压装置将已切割层粘合在一起,然后再进行切割,这样一层层地切割、粘合,最终成为三维工件。

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SLA、LOM 、SLS、FDM技术比较

指 

 

 

SLA

LOM

SLS

FDM

成型速度

较快

较慢

较慢

原型精度

较高

较低

较低

制造成本

较高

较低

较低

复杂程度

复杂

简单

复杂

中等

零件大小

中小件

中大件

中小件

中小件

常用材料

热固性光敏树脂等

纸、金属箔、塑料薄膜等

石蜡、塑料、金属、陶瓷等粉末

石蜡、尼龙、ABS、低熔点金属等

几种技术的特点


1、FDM:熔融沉积制造,利用高温将材料融化成液态,通过打印头挤出固化,最后在立体空间上排列形成立体实物。FDM同其他成型技术相比,它的成型精度高、打印模型硬度好,颜色多样,但是成型物体表面粗糙。

2、PLA:聚乳酸,新型的生物降解材料,使用玉米或木薯淀粉原料制成。PLA具有良好的生物可降解性,是公认的绿色高分子环保材料。


3、SLA:光固化,也称光造型。该工艺的特点是:原型件精度高,零件强度和硬度好,可制出形状特别复杂的空心零件,生产的模型柔性化好,可随意拆装,是间接制模的理想方法。缺点是需要支撑树脂收缩会导致精度下降,另外光固化树脂有一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势。


4、SLS:选择性激光烧结,常采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成形材料。该工艺的特点是材料适应面广,不仅能制造塑料零件,还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。造型精度高,原型强度高,所以可用样件进行功能试验或装配模拟。

总之如下:

  • SLA材料是液态光敏树脂,打印需要支撑,材料单一;

  • SLS塑料打印是不存在支撑的;

  • SLS材料丰富,粉末状,以尼龙为基础的材料就有十来种,而且自己可以通过设备开发新材料。

  • SLS一大特色就是可以打印金属材料,这是FDM和Sla都不能做到的。

3.桌面级3D打印机的种类 


桌面级3D打印机目前是3D打印爱好者和部分创业者的青睐。结构简单,使用维护方便,效果好目前来说,桌面级3D打印所采用的结构都较为简单,由于目前还未有对其分类的名称出现,所以我使用代表机型来对其进行分类。

1.reprap prusa i3系列

2.makebot系列

3.三角洲系列

 

reprapprusa i3系列的3D打印机的特点很是明显,结构简单,甚至很是简陋。外观上基本未做任何修饰,主要为实现功能而设计的。reprap公司是最早开源的一家3D打印公司。这也是目前市面上爱好者们做DIY的主力机型。

主要优点为:结构简单,拼装维修较为容易,成本较低,为DIY首选。

其缺点为:精度较差,速度较慢,打印效果不是很理想。

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makebot系列为目前市面上绝大多数的3D打印机的结结构类型。其结构与机械中的数控铣床很是类似。三轴承担三个维度的位置,使得喷头能到达设计尺寸中的任意位置,由于其结构较为成熟,所以为3D打印制造商的首选。


优点:精度较高,速度较快,较为成熟稳定,可搭载多喷头。

缺点:成本较高,调试较为复杂,维修相对繁琐。

第2讲 典型的3D打印机介绍

三角洲类型的3D打印机,与前面两类3D打印机的结构就迥然不同了,前两种3D打印机使用的是笛卡尔坐标系,而三角洲系列则是并联式运动结构,其工作原理为:滑块依靠连杆与打印机喷头相连,当滑块上下运动时,依靠连杆的刚度完成对喷头的牵引实现对打印头位置的控制。

优点:为速度较快,精度较高,结构简单,适合DIY 。

缺点:所占据的空间较大,稳定性较差。

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总之,目前来说,市面上的3D打印机都是这几种结构,而市场上售卖的以makebot系列最多,3D打印爱好者们DIY则更喜欢reprap系列和三角洲系列。

如需视频可以联系我,有问题敬请留言。

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