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2017-11-24 【3D列印快訊】3D列印(積層)製造技術:概論

【3D列印快訊】3D列印(積層)製造技術:概論

了解積層製造的主要類別,並詳細解釋目前在各個行業中存在的每種3D列印方法。

目錄
介紹
光固化3D成型技術(SLA,DLP,CDLP)
粉床熔融成型技術(SLS,SLM / DMLS,EBM,多射流融合)
熱熔堆積成型技術(FDM)
材料噴塗成型技術(材料噴射,NPJ,DOD)
黏著劑噴塗成型技術
直接能量沉積(LENS,EBAM)


介紹

選擇最合適的
3D列印(積層)技術(AM)到特別的應用上的過程是很困難的。
可使用的3D列印技術和材料的範圍非常廣,通常代表它們中有許多是可行的,但是每個都提供尺寸精準度,表面
光滑度和後處理要求的變化。
本文的目標是分類和總結每種積層(3D列印)製造技術之間的差異。 我們定義出最流行的3D列印過程,以及最常見
的應用方式和材料。


光固化3D成型技術

當光聚合物樹脂暴露於特定波長的光下並發生化學反應變成固體時,會發生光聚合反應。 關於光聚合反應的更多細
節可以在這裡找到。 許多積層技術利用這種現像一次建造第一層固體部分的層。


一些SLA列印零件方法是在樹脂中抽出時將零件顛倒列印

技術

立體平板列印(SLA)
SLA使用浸在充滿液體感光樹脂的半透明容器中的列印平台。 一旦列印平台被淹沒,位於機器內部的單點雷射光將通過槽底部設計的橫截面區域(層)照射到固化材料。
在列印層被雷射光照射和固化之後,平台會升起並讓零件下面有一層新的樹脂流動。 這個過程是逐層重複產生一個堅固的部分。 通常零件在通過紫外線後固化後可以改善其機械性能。
點擊這裡查看SLA和DLP技術的完整介紹,並從這裡看如何設計零件過程的指南。

 
數位光處理(DLP)
與SLA相比,DLP遵循幾乎相同的生產零件的方法。 主要區別在於DLP使用數位光投影螢幕一次閃爍每個圖層的單個圖像。
由於投影機是數位螢幕,每一層的圖像都是由正方形的像素所組成的,因此形成由稱為體素的小矩形磚塊形成的層。 對於某些部件來說,與SLA相比,DLP可以達成更快的列印時間,因為每個完整的層都一次曝光,而不是用雷射光追蹤橫截面。
點擊這裡查看SLA和DLP技術的完整介紹,並在這裡看設計零件過程的指南。

連續DLP(CDLP)
連續直接光處理(CDLP)(也稱為連續液體界面生產或CLIP)與DLP完全相同的方式生產零件。
 然而它依靠列印平板在Z方向上的連續運動(向上)。這讓他有更快的生產時間,因為在產出每層之後,列印機不需要停止和將零件與列印平板分離。


 

應用

光固化成型技術在生產具有精密細節的零件方面非常出色,並且具有表面光滑度。這使得它們成為首飾,低溫注射
成型和許多牙科和醫療應用的理想選擇。 光固化的主要限制是生產零件的脆性。

 
技術 常見製造商 材料
SLA Formlabs, 3D Systems, DWS 標準、堅韌、彈性、透明、可燒鑄樹脂
DLP B9 Creator, MoonRay 標準和可燒鑄樹脂
CDLP Carbon3D, EnvisionTEC 標準、堅韌、彈性、透明、可燒鑄樹脂
 
粉床熔融成型
粉床熔融成型(PBF)使用熱源來生成固體的部分,熱源能夠一次的使塑料或金屬粉之間溶解(燒結或融化)。
大部分的PBF技術都是採用機制來散佈和平滑粉末薄層作為零件的一部分,使最終的零件在製造完成後被封裝在粉
末中。
PBF技術的主要變化來自不同的能源(例如雷射光或電子束)以及加工使用的粉末(塑料或金屬)。


從SLS過程中移出粉末瑣碎物,列印部分仍然安裝在未燒結的粉末中

技術

 
選擇性雷射光燒結(SLS)
SLS生產的固體塑料零件使用雷射光一次一層地燒結薄層粉末材料。該過程首先在列印平台上散佈初始粉末層。 該零件的橫截面被雷射光掃描和燒結,並固化它。然後列印平台會下降一層厚度,並施加一層新的粉末。不斷重複這個過程直到產生一個固體的零件。
這個過程的結果是將完全包覆在未燒結粉末中的零件。 將零件從粉末中取出、清洗後,然後準備使用或做進一步後處理。
點擊這裡查看有關SLS零件設計的完整指南。

SLM和DMLS
選擇性雷射光熔解(SLM)和直接金屬雷射光燒結(DMLS)通過與SLS類似的方法生產零件。
主要區別在於SLM和DMLS被用於金屬零件的生產。 SLM達成粉末的完全熔化,而DMLS將粉末加熱到接近熔化溫度,直到它們化學熔合在一起。 DMLS只適用於合金(鎳合金,Ti64等),而SLM可以使用單個金屬零件,像是鋁。 與SLS不同,SLM和DMLS需要支撐結構來補強列印過程中產生的高殘餘壓力。 這有助於限制翹曲和扭曲的可能性。DMLS被認為是安裝量最大的金屬調整基礎過程。
有關SLM和DMLS零件設計的完整指南可以在這裡找到。

電子束熔化(EBM)
EBM使用高能量束而不是用雷射光來誘導金屬粉末顆粒之間的融合。聚焦電子束掃描薄層粉末,導致在特定截面積上的局部熔化和凝固。
電子束系統在零件中產生較少的殘餘應力,造成較少的變形以及需要較少的固定和支撐結構。
此外,EBM使用更少的能量,並可以比SLM和DMLS產生更快的速率生產層,但是最小特徵尺寸,粉末粒子尺寸,層厚和表面光滑度通常較低。 EBM也需要零件在真空中生產,而且這個過程只能用於導電材料。

 

多射流融合(MJF)
MJF實質上是SLS和材料噴射技術的組合。 裝配噴墨噴嘴(類似於桌上型2D列印機使用的噴嘴)的托架通過列印區域,將熔化劑沉積在塑料粉末的薄層上。 同時,在零件的邊緣附近會列印抑制燒結的精細劑。
一個高功率的紅外線能量通過列印平台和燒結地方,在熔化劑的分配下,當剩餘的粉尚未接觸變離開,該過程會一直重複到所有部分完成。
這裡可以找到一篇比較MJF和SLS功能的文章。

 

應用

基於聚合物的PBF技術提供了很大的設計自由度,因為不需要支撐,可以製造複雜的幾何形狀。金屬和塑料PBF零件
通常都具有非常高的強度和剛性以及與散裝材料相當(有時甚至更好)的機械性能。

有大量的後處理方法可使用,這意味著PBF零件可以有非常光滑的表面,因此,它們通常用在製造最終產品。
PBF的限制通常集中在原列印零件的表面粗糙度和內部孔隙率,處理加工過程中的收縮或變形以及與粉末處理等相
關的挑戰。
技術 常見製造商 材料
SLS EOS, Stratasys 尼龍、氧化鋁、碳纖維填充尼龍、PEEK、TPU
SLM/DMLS EOS, 3D Systems, Sinterit 鋁、鈦、不銹鋼、鎳合金、鈷鉻合金
EBM Arcam 鈦,鈷鉻合金
MJF HP 尼龍
 
熱熔堆積成型技術

與牙膏被擠出管外類似,材料擠出技術通過噴嘴將材料擠出到列印平板上。 噴嘴逐層地遵循預定的路徑建立。


FDM通過預定路徑將熱塑性塑料從加熱噴嘴中擠出成型為零件

技術
熱熔堆積成型技術(FDM)
FDM(有時也稱為熔絲製造或FFF)是最廣泛使用的3D列印技術。FDM使用固體熱塑性材料的,呈現線材形式。 線材被推動通過一個加熱的噴嘴,在那裡被融化。列印機連續移動噴嘴,按照預定的路徑在精準的位置放置熔化的材料。 當材料冷卻凝固時,逐層建立零件。
FDM的介紹可以在這裡找到一個完整的指南,與FDM設計指南可以在這裡找到

 

應用


材料擠出是生產塑料原型的一種快速和低成本的方法。 工業FDM系統也可以從工程生產原型功能性原型。
FDM具有一定的尺寸精度限制,並且非常各向異性
技術 常見製造商 材料
FDM Stratasys, Ultimaker, MakerBot, Markforged ABSPLA尼龍PC、纖維增強尼龍、ULTEM、異材質線材(木頭填充、金屬填充等)
 
材料噴塗成型技術


材料噴塗成型通常會與2D噴墨過程進行比較。光敏聚合物、金屬或蠟在紫外線光或高溫下固化或硬化後能夠建造一層
的零件。材料噴射過程的性質能夠使用多種材料列印,這種能力通常會在列印階段時選擇列印不同的支撐(溶解)材料。
 

一台材料噴塗式印表機,說明機器通常會有多大

技術

 
材料噴塗
材料噴塗是從數百個細小噴嘴分配光敏聚合物來逐層構成零件。與其他逐點沉積技術相比,材料噴塗使操作能夠以快速、線性的方式完成每層的橫截面。
當液體沉到列印平台上時,它們會硬化後使用紫外線光固化。材料噴塗過程需要支撐,並且在製作過程中通常會列印在後處理過程中易於移除的可溶解材料。
點擊這裡觀看材料噴塗的介紹。

 
奈米粒子噴塗(NPJ)
奈米粒子噴塗(NPJ)使用含有金屬奈米粒子或奈米粒子支撐的液體,以卡盒形式載入列表機中,並以非常薄的液滴層噴射到列印盤上。 構成物件內部的高溫會使液體蒸發,留下金屬零件。

 
依需滴落列印(DOD)
DOD材料噴射列印機具有2個噴嘴:一個用於沉積構成材料(通常為蠟狀液體),另一個用於可溶解的支撐材料。類似傳統的AM技術,DOD印表機照著預先確定的路徑並以逐點方式沉積材料以建立零件的橫截面積。 這些機器同時還採用了飛刀,撇去每個區域的列印層,確保有完美的平滑表面列印下一層。 DOD技術通常用於脫蠟鑄造/熔模鑄造的類蠟材質和模具製造的應用。

 

應用

材料噴塗對於製作逼真原型是很理想的,它能提供很好的細節度,高精緻度和表面光滑完成度。
材料噴塗讓設計師在同個列印中能有多種顏色和多種材料。材料噴塗技術的主要缺點是高成本和紫外線活性光聚合
物造成的脆化機械性能。

 
技術 常見製造商 材料
材料噴塗 Stratasys (聚合物噴塗), 3D Systems (多噴嘴噴塗) 剛性、透明、多色、類橡膠、類ABS。提供多種材料和多種顏色的列印
奈米粒子噴塗(NPJ) Xjet 不銹鋼、陶瓷
依需滴落列印(DOD) Solidscape
 
黏著劑噴塗成型技術

黏著劑噴塗技術的過程是將黏著劑分配到粉末床上一次建造一層的一部分在同個時間。這些列印層彼此結合形成固
體成分。


從列印粉末中取出的黏著劑噴塗的零件


技術
 
黏著劑噴塗
黏著劑噴塗將黏著劑黏合到粉末材料的薄層上。粉末材料可能是以陶瓷為主的(例如玻璃或石膏)或金屬(例如不銹鋼)。 列印噴嘴在列印平台上移動,黏著劑液滴沉積,以類似的方式列印每一層,像是2D列印機在紙上列印墨水一樣。
當一層完成後,粉末床會向下移動,新的一層粉末會鋪在建造區域。此過程會重複直到所有部分完成。列印完成後,零件處於綠色狀態,在準備使用之前需要額外的後處理。
通常加入浸漬劑能改善零件的機械性能。 浸漬劑通常是氰基丙烯酸酯黏著劑(陶瓷的情況下)或青銅(金屬的情況下)。

應用


陶瓷的黏著劑噴塗非常適用於展示美學和形式的應用:建築模型、包裝、人因工程學驗證等。
它不適用於功能原型,因為零件非常脆弱。 陶瓷的黏著劑噴塗也可用於製造砂鑄造的模具。
金屬黏著劑噴塗零件可以用作功能零件並且比SLM或DMLS金屬零件更具成本效益,但是有較差的機械性能。
 
技術 常見製造商 材料
黏著劑噴塗 3D Systems, Voxeljet 矽砂、PMMA顆粒材料、石膏
  ExOne 不銹鋼、陶瓷、鈷鉻合金、碳化鎢
 
直接能量沉積
直接能量沉積(DED)通過在粉末材料沉積時熔化粉末材料來創造零件。
它主要用於金屬粉末或金屬絲,通常被稱為金屬沉積。

技術
雷射光工程淨形狀(LENS)
LENS利用雷射光頭,它由雷射光頭,分配粉末噴嘴和惰性氣體管所組成,當粉末噴射噴嘴噴出時將粉末熔化,以逐層形成固體的部分。雷射光在列印區域形成一個熔池,粉末被噴入池中,在那裡熔化然後固化。 基層通常是平坦的金屬板或者材料被添加(例如用於修復)的現有零件。

電子束增加製造(EBAM)
EBAM被用在使用金屬粉末或金屬絲來製造金屬零件,使用電子束作為熱源焊接在一起。
與LENS類似的方式生產零件,電子束比雷射光更有效率,並且在真空條件下運作,最初設計用於太空的技術

應用

DED技術專門用在金屬添加劑製造。 這個過程的本身代表它們非常適合修理或增加現有零件的材料(如渦輪葉片)。
對高密度支撐結構的依賴使DED不適合從零開始生產零件。

 
技術 常見製造商 材料
雷射 Optomec 鈦、不銹鋼、鋁、銅、工具鋼
電子束增加製造 Sciaky Inc 鈦、不銹鋼、鋁、銅鎳、4340鋼
 
 
原文來源:https://www.3dhubs.com/knowledge-base/additive-manufacturing-technologies-overview#/powder-bed-fusion
 

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