魔猴網(wǎng)數(shù)字化制造簡明手冊（四）：探索3D打印

魔猴君  知識堂   599天前

魔猴網(wǎng)數(shù)字化制造簡明手冊（一）：為什么要使用數(shù)字化制造？

魔猴網(wǎng)數(shù)字化制造簡明手冊（二）：增材制造和減材制造的比較

魔猴網(wǎng)數(shù)字化制造簡明手冊（三）：了解基本的材料

在這一章魔猴網(wǎng)將和大家一起：

? 初識3D打印

? 理解不同工藝

? 設(shè)計考量

? 后處理

3D打印是一個概括性術(shù)語，是所有增材制造工藝的通稱，在絕大多數(shù)情況下增材制造和3D打印是同義詞，可以互換使用。您如果沒有接觸過3d打印，可能會將這個術(shù)語與某種類似于噴墨打印機(jī)的設(shè)備聯(lián)系起來，但了解更多后，您會驚訝于3D打印所包含的形式和功能。 本章簡要介紹了 3D 打印，列舉其中幾種重要工藝，討論了一些為3D打印而設(shè)計時需要注意的事項，并簡述了可能涉及的后續(xù)工藝。

一、了解3D打印

如前所述，3D打印包含了一組不同的增材制造工藝，用來滿足不同的設(shè)計和功能需求。 盡管這些工藝差異很大，但在了解每個工藝的細(xì)節(jié)之前，我們先來了解它們的共同特征。

1、工藝流程

3D打印通過堆疊非常薄的材料層來構(gòu)建零件。 有幾種方法可以將材料層連接成固體物體，包括擠壓、噴射、燒結(jié)、熔合或固化。 無論工藝中使用那種特定方法，每一層材料都是單獨(dú)鋪設(shè)的，然后將材料粘合到下面的層以形成零件。

2、設(shè)備

談到數(shù)字化制造，高質(zhì)量的工業(yè)3D打印設(shè)備真的很重要。 雖然一個簡單的桌面 3D 打印機(jī)可能足以讓一個心靈手巧的工匠在一個周末的時間打造出一個粗糙的玩具或其他基本原型，但為商業(yè)項目而生產(chǎn)的高級原型或零件所需的設(shè)備要復(fù)雜得多、功能強(qiáng)大得多且昂貴得多。

用于增材制造的設(shè)備因使用的工藝而異，但基本上它需要能夠以極高的精度放置材料到指定位置。 根據(jù)工藝的不同，可能還需要將材料熔合或粘合到指定位置（某些工藝使用可以自動粘合到現(xiàn)有材料層的材料，如立刻光刻）。

除了使用可靠的增材設(shè)備和材料外，制造高質(zhì)量原型還依賴于強(qiáng)大具有復(fù)雜處理能力的計算機(jī)工作站來構(gòu)建精密零件模型。 一家好的數(shù)字制造公司通常會兼具這三個條件：可靠的設(shè)備，高質(zhì)量的材料，強(qiáng)大的計算機(jī)。

3、使用場景

由于3D打印通過疊加成千上萬個薄層材料這種獨(dú)特的方式來制造零件，使得3D打印獲得了可以創(chuàng)建高度復(fù)雜的幾何形狀的能力，這些復(fù)雜的形狀結(jié)構(gòu)很可能時無法通過其他傳統(tǒng)方式加工成型，這讓3D打印在制造復(fù)雜形狀或者結(jié)構(gòu)時具有優(yōu)勢。此外，增材制造對于快速創(chuàng)建原型特別有吸引力，而且在某些情況下，它也適用于少量生產(chǎn)終端零件。同注塑成型或者CNC加工不同，3D打印可以簡單直接無需額外的設(shè)計規(guī)劃就可以開發(fā)零件，從而可以快速探索您的設(shè)計選項，降低了在傳統(tǒng)的制造過程中可能遇到的一些門檻。

4、了解主要3D打印工藝

在本節(jié)中，我們將介紹各種主流的 3D 打印工藝，以幫助您更好地理解某個工藝是否可以滿足您在原型制作和零件生產(chǎn)的不同階段的需求。

粘結(jié)劑噴射（Binder Jetting）

粘合劑噴射是最簡單和最基本的增材成型工藝之一。 噴墨打印頭在粉末床上移動，選擇性地噴射液體粘合材料（膠水）。 在打印完一層后再放置一層新的一層未膠合的粉末，重復(fù)該過程，直到形成完整的零件。 打印完成后，將未膠合的粉末去除，留下成品。

粘結(jié)劑噴射工藝具有下列優(yōu)點(diǎn):

? 生產(chǎn)速度快

? 成本較低

? 易于生產(chǎn)各種顏色

? 易于復(fù)制復(fù)雜的幾何形狀

相應(yīng)地粘結(jié)劑噴射具有下列缺點(diǎn)：

? 粗糙的表面

? 零件強(qiáng)度低

? 不適合功能測試

立體光刻

立體光刻 (SLA) 使用計算機(jī)控制的紫外激光來固化光敏樹脂池中的零部件。 當(dāng)激光掃描完成一層固化后，零件會下降一層到液態(tài)樹脂池中，從而覆蓋新的一層樹脂，開始下一層固化，直到全部零件完成。 成品零件的質(zhì)量很大程度上取決于 SLA 工藝中使用的設(shè)備的質(zhì)量，工藝原理如圖 4-1 所示。

立體光刻的主要優(yōu)點(diǎn)有：

? 價格適中，性價比高

? 易于復(fù)制復(fù)雜的幾何形狀

? 完成表面好，是增材工藝中最佳表面光潔度之一

SLA工藝還具有某些缺點(diǎn)，包括：

? 零件強(qiáng)度低

? 固化樹脂隨時間變脆

? 零件在功能測試中的用途有限。

塑料熔融沉積（FDM）

塑料熔融沉積 (FDM) 將熱塑性樹脂（通常為ABS、PC或 PLA）分層熔化并重新固化，形成成品原型。 因?yàn)樗褂谜嬲臒崴苄詷渲粤慵葎e的某些工藝生產(chǎn)的零件更堅固，并且FDM的有些材料甚至可能在功能測試中使用。

FDM 工藝的一些優(yōu)點(diǎn)包括：

? 價格適中

? 中等強(qiáng)度

? 與真實(shí)塑料的物理特性部分匹配或接近

? 易于復(fù)制復(fù)雜的幾何形狀

FDM 工藝也有一些缺點(diǎn)：

? 零件上的波紋表面很明顯

? 零件成品可能是多孔的

? 對功能測試的適用性有限

? 生產(chǎn)緩慢； 生產(chǎn)大型零件可能需要幾天時間

? z 軸強(qiáng)度較差

多聚合物噴射（Polyjet）

多聚合物噴射(Polyjet) 使用打印頭噴射光敏樹脂層，這些樹脂層使用紫外線快速逐層固化。 Polyjet工藝的層厚非常薄，可以制造很細(xì)微的細(xì)節(jié)。 該工藝一般使用凝膠基質(zhì)做支撐，這種凝膠基質(zhì)在部件完成后被可以被移除。

Polyjet工藝的一些優(yōu)點(diǎn)包括良好的表面光潔度和易于復(fù)制復(fù)雜幾何形狀。 但缺點(diǎn)包括樹脂選擇有限、強(qiáng)度差和材料昂貴等。

選擇性激光燒結(jié)（SLS）

選擇性激光燒結(jié) (SLS) 采用計算機(jī)控制的 CO2（二氧化碳）激光器從下到上熔合尼龍等粉末狀塑料材料層。 強(qiáng)度優(yōu)于SLA，但低于注塑或CNC加工等工藝生產(chǎn)的強(qiáng)度。 SLS 在某些情況下可以作為終端零件生產(chǎn)工具使用。

SLS 具有幾個優(yōu)點(diǎn)：

? 價格適中

? 提供非常好的準(zhǔn)確性

? 比其他一些工藝更耐用，例如 SLA

? 適用于一些功能測試

? 易于復(fù)制復(fù)雜的幾何形狀

SLS 的缺點(diǎn)包括材料選擇有限，并且表面光潔度通常較粗糙。

數(shù)字光處理(DLP)

基于數(shù)字光處理 (DLP) 的增材制造將3D模型切片分層一層層圖像，再由德州儀器 (Texas Instruments) 的 DLP 芯片將這些層一個接一個地投射到光敏樹脂池的液面。 投射的光使位于可移動成型板上的一層液態(tài)光敏樹脂硬化。 隨著新圖像投射到液面上，成型板會以小幅度向下移動，從而硬化每個后續(xù)層直到最后一層。 該工藝可用于生產(chǎn)數(shù)量有限的小型，需要有高細(xì)節(jié)零件（比方首飾），但不太適合較大的零件，尤其是那些需要光滑飾面的零件。

DLP 的優(yōu)點(diǎn)包括：

? 相對較快的成型過程。

? 零件價格具有競爭力。

? 高分辨率是可能的。

? 可以產(chǎn)生非常復(fù)雜的形狀。

DLP 的一些缺點(diǎn)是：

? 樹脂選擇有限

? 可能不適合功能測試

? 可能會有粗糙的表面

直接金屬激光熔融（DMLS或SLM）

金屬激光燒結(jié) (SLM) 是制造金屬零件的主要增材制造工藝。 它類似于SLS塑料的選擇性激光燒結(jié)，但使用的是金屬，包括鋁合金、不銹鋼、鈦、鈷鉻合金和鉻鎳鐵合金。 SLM工藝生產(chǎn)的金屬零件具有良好的精度和細(xì)節(jié)以及出色的機(jī)械性能。 SLM可用于生產(chǎn)非常小的零件和特征，并且由于它是一種增材工藝，它可以生產(chǎn)機(jī)加工無法加工的結(jié)構(gòu)形狀，例如部分封閉的空間結(jié)構(gòu)。

SLM生產(chǎn)的零件幾乎總是需要二次加工，包括鉆孔、開槽、銑削和鉸孔，以及精加工后處理，包括陽極氧化、電拋光、手工拋光、噴塑或噴漆。

SLM具有一些重要的優(yōu)勢：

? 幾乎可以使用常見的金屬合金

? 機(jī)械性能與傳統(tǒng)成型零件基本相同

? 可以生產(chǎn)無法機(jī)加工或鑄造的幾何形狀結(jié)構(gòu)

SLM 也有一些缺點(diǎn)：

? 生產(chǎn)相對緩慢。

? 零件可能很昂貴。

? 制造優(yōu)質(zhì)零件需要相當(dāng)多的專業(yè)知識。

? 零件通常需要昂貴的后處理。

二、3D打印設(shè)計考量

一些重要的設(shè)計考慮會影響您的零件的制造方式。 例如，所使用的工藝類型對可以獲得的最小細(xì)節(jié)有直接影響，如果選擇錯的工藝會導(dǎo)致設(shè)計意圖無法體現(xiàn)。

在某些情況下，可能需要修改您的設(shè)計以包含內(nèi)部支撐。 對支撐的需求取決于零件的物理設(shè)計和材料成分等因素。 如果您選擇的工藝需要，您的數(shù)字制造合作伙伴應(yīng)該能夠提供有關(guān)支持的建議。

您可能還會遇到與所選材料和零件物理體積等相關(guān)的成本考慮。 根據(jù)所使用的工藝，合適的塑料材料包括：

? ABS

? 尼龍

? 聚碳酸酯

? 聚醚醚酮 (PEEK)

? 聚醚酰亞胺 (PEI)

? 聚丙烯

合適的金屬包括：

? 鋁

? 鈷鉻

? 鉻鎳鐵合金

? 不銹鋼

? 鈦

第 3 章更詳細(xì)地討論了材料，但上表格簡要回顧了適用于某些工藝的材料。

在選擇合適的工藝和材料時，您需要考慮零件強(qiáng)度和光潔度等因素。

三、3D打印后處理

是否需要后處理主要取決于零件的預(yù)期用途和所選擇的工藝。 例如，一個只是概念模型的零件，只需要給出成品尺寸和形狀的概念，就不需要進(jìn)一步后處理。 反之yan'ge，在頻譜的另一端可能是由 SLM制造的用于終端用途的金屬部件，比方說用于飛機(jī)或者火箭上天。 在這種情況下，零件可能需要眾多嚴(yán)格的后處理，例如陽極氧化來保護(hù)它，熱處理來加強(qiáng)它，超聲探傷來做質(zhì)量檢測。