3D打印是什么原理?
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2024-04-26
金属3D打印机是选择性地烧结金属粉末进行积层的装置,目前主流的烧结热源有两种,即采用激光束的方式和采用电子束的方式。两种方式的输出功率和扫描速度各不相同,这与积层面整体是否是一层一层预热密切相关。预热与否会影响残余应力和粉末去除性,目标形状的实现也将发生变化。
三种方式。
1、FDM熔融沉积成型3D打印技术
熔融沉积成型(FDM)是一种增材制造技术,是软件数学分层的定位模型构建,通过加热层挤出热塑性纤维。适用于几乎任何形状和尺寸的复杂几何建筑耐用部件,FDM是唯一的3D打印过程中使用的材料如ABS、聚碳酸酯和pc材料的。
2、SLA光固化快速成型3D打印技术
sla光固化快速成型是一种增材制造过程中,通过紫外线(UV)激光在一大桶光致聚合物树脂。借助计算机辅助制造、计算机辅助设计软件(CAD/CAM),紫外激光用于绘制一个预编程的设计或形状上的光致还原表面。
3、SlS选择性激光烧结3D打印技术;
SLS选择性激光烧结采用高功率CO2激光熔化或烧结粉末热塑性塑料增材制造层技术,激光选择性地将粉末材料通过扫描截面的三维数字描述的部分产生的在粉床表面。在每个横截面扫描,粉末床是由一层厚度降低,一层新材料的应用上,并重复该过程,直到部分完成。
一、根据打印精度划分
工业级3D打印机和桌面级3D打印机
二、根据打印工艺划分
1、选择性激光烧结,材料为热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末
2、直接金属激光烧结,材料为几乎任何合金
3、熔融沉积式,材料为热塑性塑料,共晶系统金属、可食用材料
4、立体平版印刷,材料为光硬化树脂
5、数字光处理,材料为液态树脂
6、熔丝制造,材料为聚乳酸、ABS树脂
7、融化压模式,材料为金属线、塑料线
8、分层实体制造,材料为纸、金属膜、塑料薄膜
9、电子束熔化成型,材料为钛合金
四种3D打印技术,有FDM、SLA、SLS和3DP他们的成型技术过程。
1. 熔融沉积成型(Fused deposition modeling FMD)
FMD可能是目前应用最广泛的一种工艺,很多消费级的3D打印机都是采用的这种工艺,因为它实现起来相对容易。FMD加热头把热熔性材料(ABS,PA,POM)加热到临界状态,使其呈现半流体状态,然后加热头会在软件控制下沿CAD确认的二维几何轨迹运动,同时喷头将半流动状态的材料挤压出来,材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层.
这个过程与二维打印机的打印过程很相似,只不过从打印头出来的不是油墨,而是ABS树脂等材料的熔融物,同时由于3D打印机的打印头或底座能够在垂直方向移动,所以它能让材料逐层进行快速堆积,并每层都是CAD模型确定的轨迹打印出形状,所以最终能够打印出设计好的三维物体。
2.光固化立体成型(Stereolithography,SLA)
据维基百科记载,1984年的第一台快速成形设备采用的就是光固化立体造型工艺,现在的快速成型设备中,以SLA的研究最为深入运用也最为广泛。平时我们通常将这种工艺简称“光固化”,该工艺的基础是能在紫外光照射下产生聚合反应的光敏树脂
与其它3D 打印工艺一样,SLA 光固化设备也会在开始“打印”物体前,将物体的三维数字模型切片。然后在电脑控制下,紫外激光会沿着零件各分层截面轮廓,对液态树脂进行逐点扫描。被扫描到的树脂薄层会产生聚合反应,由点逐渐形成线,最终形成零件的一个薄层的固化截面,而未被扫描到的树脂保持原来的液态。
当一层固化完毕,升降工作台移动一个层片厚度的距离,在上一层已经固化的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂,用以进行再一次的扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上,如此循环往复,直到整个零件原型制造完毕。
SLA 工艺的特点是,能够呈现较高的精度和较好的表面质量,并能制造形状特别复杂(如空心零件)和特别精细(如工艺品、首饰等)的零件。
3、选择性激光烧结(SLS)
数字模型分层切割与逐层制造是3D 打印工艺的基础,这里往后就不再赘述了。除此之外,SLS 工艺与SLA 光固化工艺还有相似之处。即都需要借助激光将物质固化为整体。不同的是,SLS工艺使用的是红外激光束,材料则由光敏树脂变成了塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末.
先将一层很薄(亚毫米级)的原料粉未铺在工作台上,接着在电脑控制下的激光束通过扫描器以一定的速度和能量密度,按分层面的二维数据扫描。激光扫描过的粉末就烧结成一定厚度的实体片层,未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。 一层扫描完毕,随后对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度升降工作台,铺粉滚筒再次将粉末铺平,然后再开始新一层的扫描。如此反复,直至扫描完所有层面。去掉多余粉末,再经过打磨、烘干等适当的后处理,即可获得零件。
4、三维印刷工艺(3D printing,3DP)3DP
也被称为粘合喷射、喷墨粉末打印。这种3D打印技术的工作方式和传统的二维喷墨打印最为接近。和SLS工艺相同,3DP技术也是通过将粉末粘结成整体来制作零部件,但是它不是通过激光熔融的方式粘结,而是通过喷头喷出的粘结剂来完成粘结工作。
喷头在电脑控制下,按照模型截面的二维数据运行,选择性地在相应位置喷射粘结剂,最终构成层。在每一层粘结完毕后,成型缸下降一个等于层厚度的距离,供粉缸上升一段高度,推出多余粉末,并由铺粉辊推到成型缸,铺平再被压实。如此循环,直至完成整个物体的粘结。
3DP技术作为3D打印技术之一,是继SLS、FDM等应用最为广泛的快速成型工艺技术后发展前景最为看好的一项快速成型技术。凭借快捷、适用范围广、精细度高等独特的优势,3DP技术得到很多优秀的3D打印行业公司的关注。
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3D打印技术-激光选区烧结/熔融(SLS/SLM)
SLM 的思想最初由德国Fraunhofer研究所于1995年提出,SLS和SLM原理与三维印刷技术较类似,将粘接剂换为激光束。在高功率密度激光器激光束开始扫描前,水平铺粉辊先把金属粉末平铺到加工室的基板上,然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末,加工出当前层的轮廓,然后调入下一图层进行加工,如此层层加工,直到整个零件加工完毕。
主要材料:塑料、蜡、陶瓷、金属等粉末
优点:无需支撑即可制备复杂零件。
缺点:因受到粘接剂铺设密度的问题,导致部分3D技术制品致密度不高。
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3D打印技术-三维印刷工艺(3DP)
3DP,也被称为粘合喷射、喷墨粉末打印。这种3D打印技术的工作方式和传统的二维喷墨打印最为接近。和SLS工艺相同,3DP技术也是通过将粉末粘结成整体来制作零部件,但是它不是通过激光熔融的方式粘结,而是通过喷头喷出的粘结剂来完成粘结工作。
3DP技术作为3D打印技术之一,是继SLS、FDM等应用最为广泛的快速成型工艺技术后发展前景最为看好的一项快速成型技术。3DP技术得到很多优秀的3D打印行业公司的关注。
主要材料:石英砂、陶瓷粉末、石膏粉末等粉末类耗材
优点:无需激光器等高成本元器件,成本较低,且易操作易维护;加工速度快;耗材和成形材料的价钱相对便宜,打印成本低。
缺点:发展时间短,相关技术国外垄断较为严重。
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3D打印技术-熔融沉积成型(FDM)
FDM是“Fused Deposition Modeling”的简写形式,即为熔融沉积成型。这项3D打印技术于1988年被美国学者Scott Crump研制成功。通俗地来理解FDM技术,就是利用高温将材料融化成液态,通过可在X-Y方向上移动的喷嘴喷出,最后在立体空间上排列形成立体实物。
主要材料:聚丙烯、ABS铸造石蜡等
优点:成本低、结构简单、原材料的利用效率高。
缺点:成型速度相对较慢、喷头容易发生堵塞,不便维护。
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3D打印技术-光固化快速成型技术(SLA)
SLA立体平版印刷技术以光敏树脂为原料,通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描,被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化,形成零件的一个薄层。一层固化完成后,工作台下移一个层厚的距离,然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂,直至得到三维实体模型。该方法成型速度快,自动化程度高,可成形任意复杂形状,尺寸精度高,主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。
主要材料:液态光敏树脂等
优点:成型精度高;零件烧结后致密度较为良好。
缺点:后续处理麻烦;二次固化问题严重。
3D打印方法有如下:
1. 熔融沉积成型(Fused deposition modeling FMD)
FMD可能是目前应用最广泛的一种工艺,很多消费级的3D打印机都是采用的这种工艺,因为它实现起来相对容易。FMD加热头把热熔性材料(ABS,PA,POM)加热到临界状态,使其呈现半流体状态,然后加热头会在软件控制下沿CAD确认的二维几何轨迹运动,同时喷头将半流动状态的材料挤压出来,材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层.
2.光固化立体成型(Stereolithography,SLA)
与其它3D 打印工艺一样,SLA 光固化设备也会在开始“打印”物体前,将物体的三维数字模型切片。然后在电脑控制下,紫外激光会沿着零件各分层截面轮廓,对液态树脂进行逐点扫描。被扫描到的树脂薄层会产生聚合反应,由点逐渐形成线,最终形成零件的一个薄层的固化截面,而未被扫描到的树脂保持原来的液态。
3、选择性激光烧结(SLS)
数字模型分层切割与逐层制造是3D 打印工艺的基础,这里往后就不再赘述了。除此之外,SLS 工艺与SLA 光固化工艺还有相似之处。即都需要借助激光将物质固化为整体。不同的是,SLS工艺使用的是红外激光束,材料则由光敏树脂变成了塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末.
4、三维印刷工艺(3D printing,3DP)3DP
也被称为粘合喷射、喷墨粉末打印。这种3D打印技术的工作方式和传统的二维喷墨打印最为接近。和SLS工艺相同,3DP技术也是通过将粉末粘结成整体来制作零部件,但是它不是通过激光熔融的方式粘结,而是通过喷头喷出的粘结剂来完成粘结工作。
3D Printing(3DP)技术(粉末粘合)最早是美国麻省理工学院(MIT)在1993年开发的。不像基于FDM原理的3D打印机(比 如MakerBot和的RepRap)通过熔融塑料线材来制作产品,3DP技术的工作原理就像一台过去的桌面2D打印机。其过程与选择性激光烧结 (SLS)技术有点类似,但是它并不用激光来烧结材料,而是使用一个喷墨打印头在石膏粉末上面喷射液体粘合剂。喷一层,然后再铺上一层薄薄的石膏粉末,如 此反复,直到产品制作完成。
近日,荷兰工程师YvodeHaas开发出了一种开源的,基于粉末粘合原理的3D打印机,他称之为PlanB(B计划)。PlanB使用标准的3D打印 件、电子电路、现成的喷墨组件和激光切割铝合金框架。据了解,PlanB主要使用基于3DP技术的特殊打印用石膏粉以及相应的粘结剂进行打印。打印完毕 后,打印机还会利用热量强化3D打印出来的模型。打印后模型需要小心取出,清除附着的粉末,使用蘸蜡、环氧树脂或CA胶对其进行渗透并固化它。这个过程说 起来就像那些昂贵工业级3D打印机的打印过程,比如ZCorp系列3D打印机。