选择性激光烧结塑料3D打印的隐患和挑战,全球3D打印机制造商明星汇

尽管其几十年的悠久历史,选择性激光烧结(SLS)仍然具有未开发潜力,形成使用其他3D打印方法难以制作的高质量生产零件。生产高质量塑料部件的3D打印的最大挑战之一是通常以z轴的强度降低而观察其机械性能强弱。

3D打印技术的出现激起了人们无比的热情并勾起了人们无限的遐想。它带来的不仅仅差异化生产成本的下降,也不仅仅只是引发制造业的革命,而是从根本上改变了人们日常看待世界的方式我们眼中的物体不再是由一个个组件和部分构成,而是由一个个粒子构成。因而3D打印也被认为是未来30年最具发展潜力的新型技术之一。

澳门新蒲京app下载,虽然Essentium和Rize3D等公司已经尝试克服这些局限性,但是在熔融长丝制造(FFF)方面进行了新的修改,而碳已经在类似于立体光刻(SLA)的方法中证明了改进的机械性能,这些公司在提供更多的机械各向同性部件方面是独一无二的。

我们以2014年全球范围各大3D打印机制造商旗下产品的影响力和民众对其的认可度作为主要的依据,评出了2014年全球3D打印机制造商Top30,希望能反映和展示全球3D打印机制造领域的所有领先者,以维飨我国读者/用户/爱好者/产业领导者/创业者。

相比之下,作为打印技术的SLS固有地提供了更多的机械各向同性的部件。此外,SLS打印中的粉末床作为零件的天然支撑结构,使得难以使用FFF或SLA进行打印的几何以及垂直“嵌套”零件。

3D打印的概念早在19世纪末就已出现,1892年美国学者Blanther首次在公开场合提出使用层叠成型方法制作地形图的构想。这种堆叠薄层的方式制造三维形状物体的理念,也是3D打印的核心制造思想。经过不断的技术演进,逐渐形成了今天这种可以按照计算机3维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型的系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加塑造出3D实体产品。目前3D打印分为SLA、SLS、FDM和3DP四种主流的方式。

结构聚合物如何解决SLS 3D打印的局限性

光固化立体造型技术获得了专利。同年,查尔斯赫尔成立了3D
Systems公司,并于1988年推出了第一个面向公众的商业打印机SLA250。

然而,由于有限数量的市售热塑性粉末,SLS受到材料限制。此外,SLS设备开发落后于其他技术,封闭材料平台许多大型SLS打印机制造商使用进一步限制了新材料采用。

查尔斯赫尔与世界上第一台SLA商用3D打印机SLA-250

我们最近与SLS打印公司的发明者Carl Deckard及其结构聚合物公司 Vikram
Devarajan的联合创始人就他们对SLS未来机会的看法以及他们如何设想材料开发来解决SLS打印在整个价值链中的核心挑战。

SLA以光敏树脂的聚合反应为基础,在计算机控制下的紫外激光,沿着零件各分层截面轮廓,对液态树脂进行逐点扫描,使被扫描的树脂薄层产生聚合反应,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黏合在前一层上,如此循环往复,直到整个零件原型制造完毕。

选择性激光烧结系统具有一系列价格点,但由于许多系统的温度范围有限,材料选择有限。值得注意的例外是粗体。

SLA技术有较高的精度和较好的表面质量,且成形速度较快,能制造形状特别复杂和特别精细的零件、模具、模型等;还可以在原料中通过加入其它成分,用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。不过由于树脂固化过程中产生收缩,不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。

表:PA =聚酰胺; TPE =热塑性聚乙烯; PEEK =聚醚醚酮; PEKK =聚醚酮酮;
TPU =热塑性聚氨酯

熔融沉积造型

今天SLS的主要限制之一是缺少可以以这种打印方法所需的粉末形式生产的材料,这反映在上表中所示的各种可用材料中。市售的塑料粉末通常通过以下两种方法之一制成:冷冻研磨或溶剂型沉淀。

1988年,美国学者Scott
Crump研制出了熔融沉积制造工艺,他使用热塑性材料,如蜡、ABS、尼龙等。材料在喷头内被加热熔化,喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料以丝状挤出,材料迅速凝固,并与周围的材料凝结成形。1992年,Stratasys公司推出了第一台基于工艺熔融沉积制造技术的3D打印机3D造型者,这标志着FDM技术步入了商用阶段。

这些方法中的每一种都与许多期望的热塑性塑料不相容,并且两种方法都是昂贵的并且产生具有宽的粒度分布的粉末。

FDM技术

结构聚合物旨在通过其通过斩波纤维生产粉末的新方法来扩大SLS打印的热塑性粉末的范围。其纺织加工设备的生产方法可以从广泛的热塑性塑料制造粉末,并且显示出更好的受控粒度分布。

FDM工艺的关键是保持材料的半流动性。这些材料并没有固定的熔点,需要精确控制其温度。现在大红大紫的Makerbot、the
Cube,还有RepRap它们都属于这类技术,只不过这些机器都是简化版。而专业级别的当属Stratasys的产品,例如Mojo、uPrint、Projet系列等。

虽然尼龙12是今天最常见的SLS材料,但Carl和Vikram表示,结构聚合物已经展示了几种高度商业利益的聚合物的生产,其中可接受的粉末目前不能用于SLS。

选择性激光烧结

这些材料包括弹性体(特别是热塑性聚氨酯),几种聚丙烯和聚酯。尽管材料多样性是推动应用应用的必要条件,但从流程的角度来看,通过低温研磨或溶剂型沉淀验证新粉末的时间表仍然非常慢,并且可以扩大到满足需求,而不会影响粉末质量和一致性。

1989年,美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard发明了选择性激光烧结工艺。DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter
Sation。几十年来,奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作,在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作,并开发了相应的系列成型设备。国内也有多家单位进行SLS的相关研究工作,如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等,也取得了许多重大成果。

新材料的商业化取决于材料供应商和打印机制造商合作提供与其常规制造的类似物竞争的材料性能。

SLS技术是将粉末预热到稍低于其熔点的温度,然后再将粉末铺平,利用激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地一层层烧结,全部烧结完后再去掉多余的粉末,最后得到烧结好的零件。

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