3D 打印技術(shù)概述

3D 打印極大地簡化了原型制作，因此創(chuàng)新者和發(fā)明家現(xiàn)在可以輕松制作他們想法的原型。設(shè)計和制造過程已經(jīng)從原先的幾周減少到目前的幾個小時，可以最大限度地降低生產(chǎn)成本并提高制造業(yè)的整體效率。目前，這項技術(shù)被用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，如建筑、醫(yī)學(xué)、電子、汽車和航空航天等。

AM根據(jù)所用材料和加工過程被分為七類：熔融擠出、光固化、選擇性激光燒結(jié)、粘合劑噴射、片材層壓、材料噴射和定向能量沉積。以下將圍繞不同增材制造技術(shù)展開介紹。

聚合物 3D 打印處理原則

不同的增材制造技術(shù)以及相應(yīng)的材料和加工機理，決定了聚合物 3D 打印的處理原則。該過程從繪制三維模型開始，然后將模型切片并保存為 STL 文件格式，接著將切片文件發(fā)送到 3D 打印機，打印機將在另一層之上打印一層，從而在此過程中形成一個三維物體，最后根據(jù)應(yīng)用需求進行一些后處理，包括固化、退火、涂漆或其他。

熔融沉積（FDM）

1. 打印原理：熔融沉積采用熱塑性聚合物的長絲來進行原型的 3D 打印。聚合物線材在噴嘴處被加熱以達(dá)到半液態(tài)，然后在平臺上或先前印刷的層上被擠出。聚合物線材的熱塑性是此方法的基本特性，線材在打印過程中融合在一起，打印后在室溫下固化。
2. 加工參數(shù)：打印層厚、走線寬度、取向以及間隙(在同一層內(nèi)或?qū)娱g)是影響打印部件機械性能的主要加工參數(shù)。
3. 優(yōu)缺點：
   • 優(yōu)點：低成本、高速和工藝簡單是 FDM 的主要優(yōu)點。
   • 缺點：機械性能較弱、表面質(zhì)量較差，這是因為層間粘合力較弱，易發(fā)生層間變形；其次用于 FDM 的熱塑性聚合物材料數(shù)量有限。
4. 常見材料：常見的用于 FDM 的工程熱塑性塑料包括 ABS 樹脂、聚乳酸（PLA）、聚碳酸酯（PC）和聚酰胺（PA）等。
5. 發(fā)展改進：人們使用 FDM 開發(fā)高性能工程熱塑性塑料和纖維增強復(fù)合材料，如 PEEK、CF/PEEK 等，以此來增強 3D 打印部件的機械性能并拓展材料種類。然而，纖維取向、纖維與基體之間的粘合以及空隙形成是 3D 打印復(fù)合材料零件的主要挑戰(zhàn)。

立體光刻（SLA）

1. 打印原理：立體光刻(SLA)是以可光固化樹脂（通常含有丙烯酸單體）為原料進行打印，通過將其暴露在特定波長的紫外（UV）光下，使暴露的 2D 圖案樹脂層通過稱為光聚合的過程變?yōu)楣腆w。紫外激光器以規(guī)定的路徑在樹脂中發(fā)射激光，然后這些樹脂聚合成二維圖案層。在每一層固化后，平臺降低，另一層未固化的樹脂準(zhǔn)備形成圖案。
2. 質(zhì)量影響因素：
   • 聚合反應(yīng)：聚合過程中發(fā)生的固化反應(yīng)對于最終印刷部件的質(zhì)量至關(guān)重要，可以通過在樹脂中加入光引發(fā)劑和紫外線吸收劑來調(diào)節(jié)聚合程度。
   • 打印參數(shù)：激光功率、掃描速度和紫外曝光時間也會影響打印制件質(zhì)量。
3. 優(yōu)缺點：
   • 優(yōu)點：與現(xiàn)有 3D 打印技術(shù)相比，SLA 的主要優(yōu)勢之一是其高分辨率打印，這取決于應(yīng)用的光子數(shù)量。通常發(fā)射一個光子來觸發(fā)聚合，作為局部聚合引發(fā)的效果，可以實現(xiàn)高于 100μm 的分辨率。采用 Formlabs Form2 SLA 3D 打印機可以實現(xiàn) 25μm 的層厚(即分辨率)打印。通過如此高分辨率的打印，可以創(chuàng)建復(fù)雜對象。由于 SLA 不使用任何噴嘴，因此不會出現(xiàn)堵塞問題。
   • 缺點：由于成本高昂，建立基于 SLA 的增材制造系統(tǒng)阻礙了其發(fā)展為主要制造行業(yè)。

數(shù)字光處理（DLP）

1. 與 SLA 的異同：數(shù)字光處理（DLP）是另一種與 SLA 非常相似的光聚合技術(shù)，不同之處在于它不是使用掃描激光束來固化單層樹脂，而是投射數(shù)字掩模來創(chuàng)建圖案。SLA 的分辨率可以由激光產(chǎn)生的光斑尺寸來決定，由于 DLP 使用投影的數(shù)字圖像，因此表征其分辨率的是像素大小。
2. 優(yōu)缺點：
   • 優(yōu)點：從技術(shù)上講，與 SLA 相比，DLP 可以用更短的時間打印物體，因為每一層都通過投影圖案一次完全曝光，而不是通過激光掃描。這對于同時打印具有較少細(xì)節(jié)的多個大型制件是有利的。
   • 缺點：當(dāng)打印具有較小細(xì)節(jié)的模型時，需要將光線聚焦在構(gòu)建平臺的特定區(qū)域的投影鏡頭，以保持打印分辨率，此時 SLA 通常可以實現(xiàn)比 DLP 更高的分辨率和更好的表面光潔度。
3. 材料應(yīng)用：目前通過光固化 3D 打印可以實現(xiàn)環(huán)氧丙烯酸樹脂、聚氨酯丙烯酸樹脂和聚酰亞胺等樹脂材料的精密制造。與 FDM 相比，這種技術(shù)不會產(chǎn)生層間粘合較弱的問題。

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