魔猴網(wǎng)數(shù)字化制造簡(jiǎn)明手冊(cè)（四）：探索3D打印

魔猴君  知識(shí)堂   539天前

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

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

魔猴網(wǎng)數(shù)字化制造簡(jiǎn)明手冊(cè)（三）：了解基本的材料

在這一章魔猴網(wǎng)將和大家一起：

? 初識(shí)3D打印

? 理解不同工藝

? 設(shè)計(jì)考量

? 后處理

3D打印是一個(gè)概括性術(shù)語(yǔ)，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(guò)3d打印，可能會(huì)將這個(gè)術(shù)語(yǔ)與某種類似于噴墨打印機(jī)的設(shè)備聯(lián)系起來(lái)，但了解更多后，您會(huì)驚訝于3D打印所包含的形式和功能。 本章簡(jiǎn)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(jì)時(shí)需要注意的事項(xiàng)，并簡(jiǎn)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(lái)滿足不同的設(shè)計(jì)和功能需求。 盡管這些工藝差異很大，但在了解每個(gè)工藝的細(xì)節(jié)之前，我們先來(lái)了解它們的共同特征。

1、工藝流程

3D打印通過(guò)堆疊非常薄的材料層來(lái)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(wú)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(gè)簡(jiǎn)單的桌面 3D 打印機(jī)可能足以讓一個(gè)心靈手巧的工匠在一個(gè)周末的時(shí)間打造出一個(gè)粗糙的玩具或其他基本原型，但為商業(yè)項(xiàng)目而生產(chǎn)的高級(jí)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(dòng)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(jì)算機(jī)工作站來(lái)構(gòu)建精密零件模型。 一家好的數(shù)字制造公司通常會(huì)兼具這三個(gè)條件：可靠的設(shè)備，高質(zhì)量的材料，強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。

3、使用場(chǎng)景

由于3D打印通過(guò)疊加成千上萬(wàn)個(gè)薄層材料這種獨(dú)特的方式來(lái)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(shí)無(wú)法通過(guò)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(shí)具有優(yōu)勢(shì)。此外，增材制造對(duì)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(jiǎn)單直接無(wú)需額外的設(shè)計(jì)規(guī)劃就可以開發(fā)零件，從而可以快速探索您的設(shè)計(jì)選項(xiàng)，降低了在傳統(tǒng)的制造過(guò)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(gè)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(jiǎn)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(dòng)，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(guò)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(cè)試

立體光刻

立體光刻 (SLA) 使用計(jì)算機(jī)控制的紫外激光來(lái)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(huì)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(jià)格適中，性價(jià)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(shí)間變脆

? 零件在功能測(cè)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?，所以零件比別的某些工藝生產(chǎn)的零件更堅(jiān)固，并且FDM的有些材料甚至可能在功能測(cè)試中使用。

FDM 工藝的一些優(yōu)點(diǎn)包括：

? 價(jià)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(duì)功能測(cè)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(shí)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(jì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)：

? 價(jià)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(cè)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(gè)接一個(gè)地投射到光敏樹脂池的液面。 投射的光使位于可移動(dòng)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(huì)以小幅度向下移動(dòng)，從而硬化每個(gè)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(duì)較快的成型過(guò)程。

? 零件價(jià)格具有競(jìng)爭(zhēng)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(cè)試

? 可能會(huì)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(wú)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(yáng)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(shì)：

? 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(wú)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(duì)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(shí)。

? 零件通常需要昂貴的后處理。

二、3D打印設(shè)計(jì)考量

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

在某些情況下，可能需要修改您的設(shè)計(jì)以包含內(nèi)部支撐。 對(duì)支撐的需求取決于零件的物理設(shè)計(jì)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(huì)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(jiǎn)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(shí)，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(gè)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(shuō)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(yáng)極氧化來(lái)保護(hù)它，熱處理來(lái)加強(qiáng)它，超聲探傷來(lái)做質(zhì)量檢測(cè)。