《2第二章常见3D打印技术及打印材料.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2第二章常见3D打印技术及打印材料.pptx（48页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第二章 常见3D 打印技术及打印材料学习目标1.掌握熔融沉积成型技术的原理、特点、应用与发展方向，熟悉其常见的材料种类。2.掌握立体光固化成型技术的原理、特点、应用与发展方向，熟悉其常见的材料种类。3.掌握选择性激光烧结技术的原理、特点、应用与发展方向，熟悉其常见的材料种类。4.了解三维打印成型技术。5.了解薄材叠层制造成型技术。6.了解选择性激光熔化技术。7.掌握常用3D打印技术的特点。2-1熔融沉积成型技术一、FDM 的原理FDM机械系统主要包括加热室、送丝机构、喷头、运动机构、工作台5个部分。FDM成型中，每一个层片都是在前一层上堆积而成，前一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增
2、加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，前一层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些“支撑”作为辅助结构，以保证成型过程的顺利实现。二、FDM 的特点1.优点（1）成本低。（2）目前FDM技术可以采用水溶性支撑材料，使得去除支撑简单易行，可快速构建复杂的内腔、中空零件以及一次成型的装配结构件。（3）原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。（4）可选用多种材料，如PLA、ABS、TPE/TPU等。（5）原材料在成型过程中无化学变化，制件变形小。（6）与传统加工方式相比，粉尘、噪声等污染少。不用建设与维护专用场地，适合于办公环境使用。（7）材料强度
3、好，打印成型后的模型可以用于装配检验和功能测试等领域。2.缺点（1）精度较低，FDM的最高精度为0.15mm左右，难以加工精度高的零件。（2）原型表面有较明显的条纹、打印的层与层之间的截面垂直方向强度小。（3）成型速度相对传统加工慢，不适合构建特大型零件。三、FDM的应用场合基于FDM工艺的特点，FDM被大量应用于汽车、机械、家电、通讯、电子、建筑、医学、玩具等产品的设计开发过程，如产品外观评估、方案选择、装配检查、功能测试、用户看样订货、塑料件开模前校验设计以及少量产品制造等，也应用于学校及研究院所等教学与研究机构。用传统方法需几个星期、几个月才能制造的复杂产品原型，用FDM技术短时间便可完
4、成，大大降低了产品的生产成本和生产周期、提高了生产效率，给企业和社会带来了较大的经济效益。四、FDM的发展方向未来FDM的发展趋势主要有以下几点：（1）开发性能好的快速成型材料，如成本低、易成型、变形小、强度高、耐久及无污染的成型材料。（2）改善快速成型系统的可靠性，提高其生产率和制作大尺寸工件的能力。（3）创新和改进成型方法和工艺。着重推动直接金属FDM成型技术的发展。（4）提高网络化服务的能力，实现更加便捷的远程打印和控制。五、FDM的材料1.FDM打印材料的种类（1）PLA材料PLA（聚乳酸）是3D打印最常用的材料。它是一种新型生物降解材料热塑性塑料，它由玉米、木薯和甘蔗等可再生资源提取
5、的淀粉原料，经发酵制成乳酸，再通过化学合成转换成PLA。PLA不污染环境，是一种环境友好材料，也被称为“绿色塑料”.（2）ABS材料ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）。这种热塑性塑料具有价格便宜，经久耐用，稍有弹性，质量轻，容易挤出等特点.2）木质感材料。1）TPE/TPU 柔性材料。（3）其他材料3）金属质感材料。4）碳纤维材料。5）夜光材料。2.PLA和ABS的对比与应用（1）环保性比较PLA是一种生物聚合物，理论上比ABS环保，除了3D打印，它通常应用于制成包装材料、塑料杯和塑料水瓶等。ABS是一种化合物，常用于日常生活中的塑料制品，例如汽车制品、电气设备，甚至乐高积木。ABS理论上
6、不是食品安全材料，当ABS接触到热的液体或食物时，塑料中的化学物质会逐渐浸入食物。（2）热学性能比较由于材料及其制品都在一定的温度环境下使用，在使用过程中，不同的温度会有不同的热物理性能表现，这些热物理性能就称为材料的热学性能。PLA和ABS的热学性能比较见表热性能 PLA ABS熔融指数（MVI）10.3/10min 9.7/10min玻璃化转化温度 6065 105极限温度 7080 110125熔化温度 160190 210240打印温度 190220 230250推荐热床温度 5070 80120（3）PLA和ABS机械与物理性能对比PLA脆性强，表面硬度较高，弯曲时容易折断。用PLA
7、材料制成的模型易于切割、打磨、涂漆和用粘合剂粘合。ABS可用丙酮进行处理，以改善打印物件表面的光滑度。ABS相比PLA在压力下容易弯曲但不易断裂，具有更好的可塑性，后处理加工更容易。（4）PLA和ABS的存储对比PLA和ABS都会吸收空气中的水分，但ABS原料更易吸潮，所以两种耗材卷都是密封出售，建议将耗材卷存放于干燥处。另外，开封后的耗材卷应尽快使用完，不然打印的质量可能会受到影响。如果材料受潮，可以尝试使用5060 的热风干燥，干燥后一般不会影响耗材性能。（5）气味对比当打印PLA和ABS时，会有一定的异味产生。PLA加热时的味道比较淡，ABS加热时会散发出难闻的塑料气味。ABS在打印过程
8、中有毒物质的释放量远远高于PLA。因此，在打印ABS时打印机需要放置在通风良好区域或采取封闭机箱并配备空气净化装置。（6）可降解性和耐久性对比PLA是可生物降解的，毕竟它是由植物材料制成的。ABS是不可生物降解的，但可以回收。（7）价格对比两种耗材的价格大致相同。一般直径1.75mm、质量1kg包装的PLA和ABS丝材，价格约在80200元之间，特殊的耗材要贵一些。（8）应用领域对比PLA与人体具有生物相容性，但由于相对低的玻璃化温度（高于60会变形），因此不适合制作受热的物体，多用于制作家用物品、小工具和玩具等。ABS具有优良的抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能，还具有易加工
9、、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点。多用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等工业领域。目前，ABS、PLA是FDM打印机使用最多的两种耗材。2-2立体光固化成型技术一、SLA的原理二、SLA的特点1.优点光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺，经过了时间的检验，成熟度高，一般来讲具有以下优点。（1）固化快，可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合。（2）不需要加热，这一点对于某些不能耐热的塑料、光学、电子零件来说十分有用。（3）光源的效率高，节能。（4）成型材料利用率接近100%。（5）生产的自动程度高，生产效率和经济效益较好。（6）由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产
10、品生产周期短，无需切削工具与模具。（7）可以加工外形结构复杂或使用传统手段难于加工的原型或零件。（8）为实验提供试样，可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核。2.缺点（1）SLA系统造价高昂，特别是产生紫外激光的激光管使用寿命不高，因此，设备的使用和维护成本过高。（2）SLA系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻。（3）成型件多为树脂类，强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存。（4）固化过程中产生刺激性气味，有污染，因此，机器在运行过程中必须遵守操作规程和环保要求。三、SLA的应用场合基于SLA工艺的特点，SLA适合于制作中小型工件，如能直接得到树脂或类似工程塑料的产品，主要
11、用于概念模型的原型制作，或用来做简单装配检验和工艺规划。SLA比较适合做一些结构复杂的产品，如音响、相机、手机、MP3、掌上计算机、摄像机电烫斗、电吹风、吸尘器等的零部件。在设计领域SLA可用于可装配和可制造性检验、可制造性讨论评估、确定最合理的制作工艺；在铸造领域SLA可以快速、低成本制作压蜡模具，制作树脂熔模以替代蜡型；在砂型铸造领域SLA可以用树脂模具代替木模，提升复杂、薄壁、曲面等结构铸件的质量和成型效率；在医学领域SLA可用于假体的制作、复杂外科手术的术前规划模拟、口腔颌面修复等，促进了医疗手段的进步。基本上只要需要模型或原型的领域，SLA均可应用。四、SLA的发展方向1.高速化2.
12、高精度化3.节能环保4.微型化5.开发高性能材料五、SLA的材料1.SLA技术对材料的要求（1）低黏度（2）光敏性好（3）微小的固化形变（4）固化产物良好的耐溶剂性能（5）固化产物优良的机械强度（6）低毒环保性2.SLA材料组成（1）低聚物（2）光引发剂（3）稀释剂3.SLA常用材料的性能（1）自由基光固化树脂（2）阳离子光固化树脂（3）新型树脂材料1）混杂型光敏树脂。2）功能性光敏树脂。4.SLA常用材料的选择目前，DMS、3D Systems、Vantico、西安交通大学等单位都生产SLA用光敏树脂，不同厂家都有自己的核心技术，所生产的光敏树脂特性也不相同，在实际工作中对光敏树脂材料的选择
13、应根据设备的性能、工艺的要求以及材料的特点进行综合评价和选择，尽量选择出性价比高的材料进行打印生产。2-3选择性激光烧结成型技术一、SLS 的原理二、SLS的特点1.优点（1）可使用材料广泛。可使用的材料包括尼龙、聚苯乙烯等聚合物，铁、钛、合金等金属、陶瓷、覆膜砂等。（2）成型效率高。由于SLS技术并不完全熔化粉末，而仅是将其烧结，因此制造速度快。（3）材料利用率高。未烧结的材料可重复使用，材料浪费少。（4）无需支撑。由于未烧结的粉末可以对模型的空腔和悬臂部分起支撑作用，不必另外设计支撑结构，可以直接生产形状复杂的原型及部件。（5）应用面广。可用于制造原型设计模型、模具母模、精铸熔模、铸造型壳
14、和型芯等。2.缺点（1）SLS打印设备采购成本、维护成本都较高，原材料价格高。（2）机械性能不足。SLS成型金属零件孔隙度高，机械性能差，特别是延伸率很低，目前和传统金属加工零件相比在使用上还是有很大的局限。（3）需要比较复杂的辅助工艺。由于SLS所用的材料差别较大，有时需要比较复杂的辅助工艺，如需要对原料进行长时间的预处理（加热）、加工完成后需要进行成品表面的粉末清理等。（4）SLS设备的打印速度、精度和表面粗糙度还不能完全满足工业生产要求。（5）激光工艺参数（如激光类型和扫描方式）对零件质量影响敏感，需要较长的时间摸索。三、SLS的应用场合基于SLS的工艺特点，SLS已经成功应用于汽车、造
15、船、航天、航空、通信、微机电系统、建筑、医疗和考古等诸多行业，为许多传统制造业注入了新的创造力，也带来了信息化的气息。概括来说，SLS除了用于快速原型制造外，还可以用于小批量和特殊零件的制造、快速模具和工具制造和医学临床应用。四、SLS的发展方向1.研发新型材料2.深入研究不同打印材料的成型机理3.优化打印参数4.加强打印过程的仿真研究五、SLS的材料种类1.金属粉末类（1）单一金属粉末。（2）金属混合粉末。（3）金属粉末和有机黏结剂混合粉末。2.高分子和石蜡粉末类（1）聚苯乙烯。（2）工程塑料。（3）尼龙材料。（4）蜡粉。3.覆膜类（1）陶瓷覆膜材料。（2）覆膜砂。2-4其他常见的打印技术一
16、、三维打印成型技术1.3DP的原理2.3DP的特点（1）3DP技术的优点1）无需激光器等高成本元器件。成本较低，且易操作易维护。2）加工速度快，可以25mm/h地垂直构建速度打印模型。3）可打印彩色原型。这是这项技术的最大优点，它打印彩色原型后，无需后期上色，目前市面上的3D体验馆中3D打印人像基本都采用此项技术。4）没有支撑结构。与SLS一样，粉末可以支撑悬空部分，而且打印完成后，粉末可以回收利用，环保且节省开支。5）耗材和成型材料的价格相对便宜，打印成本低。（2）3DP技术的缺点1）成型件强度较低，不能做功能性材料，且打印成品易碎。2）表面手感略显粗糙，这是以粉末为成型材料的工艺都有的缺点
17、。3.3DP的应用场合（1）全彩色外观样件、装配原型。（2）某些条件下可生产毛坯零件，借助后期加工得到工业产品。例如利用3DP将金属粉末粘结成型，然后高温烧结，得到模型的金属零件。（3）铸造模型、砂型、砂芯的直接打印。二、薄材叠层制造成型技术1.LOM的原理2.LOM的特点（1）LOM技术的优点1）成型速度快。由于只要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，不用扫描整个断面，所以成型速度很快，因此，常用于加工内部结构简单的大型零件，制作成本低。2）不需要设计和构建支撑结构。3）原型精度高，翘曲变形小。4）原型能承受高达200的温度，有较高的硬度和较好的力学性能。5）原型件可以切削加工。（2）LOM技术
18、的缺点1）激光器寿命短，后期更换激光器的费用高，并且需要建造专门的实验室。2）可以应用的原材料种类较少。尽管可选用若干原材料，但目前常用的还是纸类居多，其他还在研发中。3）打印出来的模型必须立即进行防潮处理。纸制零件很容易吸湿变形，所以成型后必须用树脂、防潮漆涂覆。4）此种技术很难构建形状精细、多曲面的零件，仅限于结构简单的零件。5）LOM材料一般由薄片材料和热溶胶两部分组成，制作时加工室温度很高，容易引发火灾，需要专门的人看守。3.LOM的应用场合由于分层实体制造在制作中多适用纸材，成本低，且制造出来的木质原型具有外在的美感和一些特殊的品质，所以该技术在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配
19、检验、砂型铸造木模、快速制造母模等方面得到了广泛应用。三、选择性激光熔融成型技术1.SLM的原理2.SLM的特点（1）SLM的优点1）SLM成型的金属零件致密度高，可达90%以上。2）抗拉强度等机械性能指标优于铸件，甚至可达到锻件水平。显微维氏硬度可高于锻件。3）由于是打印过程中完全融化，因此尺寸精度较高。4）与传统减材制造相比，可节约大量材料。（2）SLM的缺点1）成型速度较慢,为了提高加工精度，需要用更薄的加工层厚；加工小体积零件所用时间也较长，因此难以应用于大规模制造。2）设备稳定性、可重复性还有待提高。3）表面粗糙度有待提高。4）整套设备昂贵，熔化金属粉末需要比SLS更大功率的激光，能
20、耗较高。5）SLM技术工艺较复杂，需要加支撑结构,多用于工业级的增材制造。6）SLM技术在金属瞬间熔化与凝固的过程中，温度梯度很大，因此会产生极大的内应力，严重时会引起工件变形。3.SLM的应用场合SLM成型技术的应用范围比较广，主要是机械领域的工具及模具、生物医疗领域的生物植入零件或替代零件、电子领域的散热器件、航空航天领域的超轻结构件、梯度功能复合材料零件。近年来，SLM技术在国内外得到了飞速的发展，从设备的开发、材料与工艺研究等方面都有了较高的突破，并且在许多领域得到了应用。例如，用SLM技术制造的航空超轻钛结构件具有高的表面积、体积比，零件的重量可以减轻90%左右。利用SLM方法制造的
21、具有随形冷却流道的刀具和模具，可以使其冷却效果更好，从而减少冷却时间，提高生产效率和产品质量。用SLM方法制造的生物构件，形状复杂，密度可以任意变化，体积空隙度可以达到75%95%。4.SLM与SLS的区别SLS技术所使用的材料除了主体粉末外通常还需要添加一定比例的粘结剂粉末，粘结剂粉末一般为熔点较低的金属粉末或是有机树脂等。以SLS金属打印为例，所用的金属粉末是经过处理的与低熔点金属或者高分子材料的混合粉末，在加工的过程中激光仅熔化低熔点的粘结剂材料但高熔点的金属粉末是不熔化的，成型过程主要利用被熔化的低熔点材料实现黏结成型。SLM在加工的过程中用激光使金属粉末完全熔化，不需要黏结剂，成型的精度和力学性能都比SLS要好。然而因为SLM需要将金属从20的常温加热到上千摄氏度的熔点，这个过程需要消耗巨大的能量。简单的说SLS和SLM的主要区别在于SLS在制造过程中，金属粉末并未完全熔化，而SLM在制造过程中，金属粉末加热到完全熔化后成型。2-53D 打印技术的横向比较一、3D打印技术的工艺比较二、3D打印技术的经济性比较三、3D打印技术的加工精度比较