《3D打印:正在到来的工业革命(第2版)》——2.4节粉末床熔融

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《3D打印:正在到来的工业革命(第2版)》——2.4节粉末床熔融

异步社区 2017-05-02 14:50:00 浏览5106
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本节书摘来自异步社区《3D打印:正在到来的工业革命(第2版)》一书中的第2章,第2.4节粉末床熔融,作者 【英】Christopher Barnatt(克里斯多夫),更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

2.4 粉末床熔融
黏合剂喷射是一项基于粉末的3D打印技术,虽然应用于众多领域,但也有其局限性。尤其是在对物体进行固化和后处理时,无法100%使其成为固态。如果这是必需的,则有必要转向另一种名为粉末床熔融的3D打印工艺。该技术与黏合剂喷射类似,但是选择性加热周围的粉末颗粒,进而实现黏合。

2.4.1 激光烧结技术
多种方式可以实现粉末床熔融3D打印技术,其中使用最广泛的方法是“激光烧结(LS)”,有时也称为“激光溶化(LBM)”粉末层在粉末床上推滚或扫过,激光束在其横断面上勾画出物体第一层的轮廓。发热的激光将触及到的粉末颗粒物“烧结”,从而使部分粉末和周围的颗粒物熔化。图2.11说明了此过程。


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激光烧结能够使用多种粉末材料进行制造。包括塑料尼龙(聚酰胺)、多种金属、陶瓷、砂和蜡。如前所述,激光烧结的材料为砂和蜡时,所得到的物体被用作传统铸造工艺中的模板。目前,一家名为Graphite Additive Manufacturing的公司使用“Carbon SLS”提供低运行制造。打印的部件由激光烧结塑料制成,并且在输出过程中使用碳纤维加固。Carbon SLS非常受一级方程式赛车队的青睐。

激光烧结技术还能用两组粉末材料制造物体。这样的混合粉末具有较高熔点(例如玻璃或金属),而在涂层时使用较低熔点的材料(如尼龙)。这能够让激光只熔化熔点低的材料,以便将熔融的粉末颗粒固化。最近,一种叫作“alumide”的双组材料开始流行起来。它是尼龙粉末和铝的混合物,成本低廉,操作简单,依靠相对较低温度下产生的金属火花就能够制造物体。

激光烧结技术通常是十分精准的,尤其是使用尼龙等塑料材料制造物体时。然而,烧结(或不完全熔化)的金属塑料混合粉末不能用于生产工程应用的最终产品中,例如发动机部件。正因为如此,所以出现了激光烧结技术的变形,比如使用激光束将颗粒充分熔化形成单一材料粉末,如铝、铜、钢、钴铬合金、铁、银、金或钛,以此来制造更纯的金属物体。制作过程的不同取决于特定的3D打印机制造商,种类有直接金属激光烧结(DMLS),直接金属打印(DMP)、选择性激光熔融(SLM)和laserCUSING。德国的EOS e-Manufacturing Solutions公司还开发出了一种“微型激光烧结(MLS)”技术用于制造复杂的小零件。图2.12显示了由英国3D打印服务公司3T RPD使用DMLS制造的铜部件。

需要注意的一点是,DMLS、SLM、laserCUSING和MLS都可被归类为“金属增材制造(AMM)”,这个标签还可以用在我们前面所说的金属熔融沉积建模(FDMm)和线圈与电弧增材制造(WAAM)等技术上。如果你已陷入了3D打印技术的词汇泥潭,那么我很同情地告诉你,你并不孤单!


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虽然这听起来非常直接,但是激光烧结是一个充满挑战的工艺。当使用尼龙和其他非金属材料时,为了使激光易于熔融粉末颗粒,打印机的构建室要预热至恰好低于材料的熔点。当使用金属作为材料时,预热至熔点以下是无法完成的,并且需要采用高功率激光。而激光烧结的非金属部件无需在物体上添加任何支撑结构(因为无用的散粉可以替代延伸和孤体部分),在使用金属材料打印时,通常需要支撑物。这对于支撑延伸、孤体部分以及散热来说都是必要的。

目前使用塑料、蜡和混合材料进行激光烧结的商业3D打印机能够打印的最大体积为550毫米×550毫米×750毫米(21.6英寸×21.6英寸×29.5英寸),最小层厚为0.08毫米。DMLS及相关金属工艺在生产小型打印体积上有相似的精度(通常为250毫米×250毫米×320毫米,约10英寸×10英寸×12.5英寸)。德国公司Concept Laser研发出了一台大型3D金属打印机,名为X Line 1000R。它的打印体积为630毫米×400毫米×500毫米(24.8英寸×15.7英寸×19.7英寸),最小层厚为0.02毫米。

激光烧结技术打印的物体表面光滑,并能实现一系列抛光作业。对于金属物体,抛光程度可达镜面质量。因此,激光烧结通常是3D打印成品的首选技术。唯一的问题是,激光烧结(以及选择性激光熔融等相关技术)需要使用大而昂贵的硬件,每台打印机的费用都要数十万美元。例如,3D Systems的ProX系列DMLS 3D打印机的售价在23.5万到72.3万美元之间。图2.13显示了其中一种3D制造机器。


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然而,目前市场上出现了一种更小更便宜的硬件。例如,2014年10月,Sintratec公司推出了一款售价5000美元的打印机。它可以在桌面上使用尼龙和蜡进行激光烧结。同时,德国制造商Realizer推出了SLM-50打印机。这是首台实现在桌面上直接制造小型金属物体的3D打印机,其构建材料包括钴铬合金和金。

2.4.2 电子束熔炼技术
除了激光烧结和直接金属打印技术,还有两种3D打印技术是在粉末床上进行加热,从而选择性固化固体层。第一种是电子束熔炼(EBM)技术,也被称为电子束添加剂制造(EBAM)技术,打印过程如图2.11所示。

EBM 3D打印机已率先由Arcam公司开发出来了,它可以在真空中用电子束在每一物体层打出多条电子束,然后再逐层创建,最终制造出高质量的金属物体。第一条电子束通过扫描粉末床将制作材料预热至最佳温度,接着第二条电子束熔融出物体第一层轮廓,剩下的电子束将轮廓内的大量材料熔化。

EBM所涉及的技术十分复杂,它是利用电磁偏转来移动电子束,而不是用机械移动的。EBM与其他技术相比的优势在于,用它制作的完全致密(换句话说是100%固体)的金属零件精密程度可达到零失真,因为它是在真空中打印的。

EBM的应用局限于高价值的制造材料,如各种级别的钛和钴铬合金。现在这些金属已被用来制造航空航天和其他特殊工业领域的最终零部件。医用移植物也在使用这项技术。目前使用EBM技术的型号为Arcam’s A2XX的打印机可打印的最大体积为350毫米×350毫米×380毫米(13.8英寸×13.8英寸×14.9英寸)。

2.4.3 选择性加热烧结技术
另外一家率先使用类似于激光烧结3D打印技术的公司叫作Blueprinter。该公司使用的技术名为“选择性加热烧结(SHS)”,它通过使用热敏打印头选择性固化塑料粉末来打印物体。其优势在于能够在桌面上使用低成本硬件完整打印整个固态塑料物体。

在SHS打印机内部,分散的叶片将粉末层平铺在粉末床上。然后经过热敏打印头的扫描把所需的颗粒熔融在一起。重复此过程直至整个物体打印完成,最后去除多余粉末。

使用基于粉末材料的SHS技术打印出的物体无需附加支撑结构,打印过程中物体周围的散粉可以托住延伸和孤立部位。因此,随着时间的发展,SHS或许会成为替代热塑挤压3D打印的流行工艺。目前桌面SHS Blueprinter 3D打印机售价约为13000美元,打印体积为160毫米×200毫米×140毫米(6.3英寸×7.9英寸×5.5英寸),粉末层最小厚度为0.1毫米

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