3DP工艺

3DP(Three Dimensional Printing and Gluing),也被称为粘合喷射(Binder Jetting)、喷墨粉末打印(Inkjet Powder Printing)。从工作方式来看,三维印刷与传统二维喷墨打印最接近。与SLS工艺一样,3DP也是通过将粉末粘结成整体来制作零部件,不同之处在于,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。

其详细工作原理为:

1)3DP的供料方式与SLS一样,供料时将粉末通过水平压辊平辅于打印平台之上;

2)将带有颜色的胶水通过加压的方式输送到打印头中存储;

3)接下来打印的过程就很像2D的喷墨打印机了,首先系统会根据三维模型的颜色将彩色的胶水进行混合并选择性的喷在粉末平面上,粉末遇胶水后会粘结为实体;

4)一层粘结完成后,打印平台下降,水平压棍再次将粉末铺平,然后再开始新一层的粘结,如此的反复层层打印,直至整个模型粘结完毕;

5)打印完成后,回收未粘结的粉末,吹净模型表面的粉末,再次将模型用透明胶水浸泡,此时模型就具有了一定的强度[2]。

3D打印3DP技术详解

3D打印3DP技术详解

3DP的原理(图片来源:thre3d.com)

3DP技术发展史

 

3DP技术是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人开发的。3DP技术改变了传统的零件设计模式,真正实现了由概念设计向模型设计的转变。

近几年来,3DP技术在国外得到了迅猛的发展。美国Z Corp公司与日本Riken Institute于2000年研制出基于喷墨打印技术的、能够作出彩色原型件的三维打印机。该公司生产的Z400,Z406及Z810打印机是采用MIT发明的基于喷射黏结剂黏结粉末工艺的3DP设备。

2000年底以色列的Object Geometries公司推出了基于结合3D Ink—Jet与光固化工艺的三维打印机Quadra。美国3D Systems、荷兰TNO以及德国BMT公司等都生产出自己研制的3DP设备。

目前清华大学、西安交通大学、上海大学等国内高校和科研院所也在积极研发此类设备。3DP技术在国外的家电、汽车、航空航天、船舶、工业设计、医疗等领域已得到了较为广泛的应用,但在国内尚处于研究阶段。

材料如何选择

 

理论上讲,任何可以制作成粉末状的材料都可以用3DP工艺成型,材料选择范围很广。目前此技术发展的最大阻碍就在于成型所需的材料,主要包括粉末和粘结剂两部分[3]。

粉末材料如何选择?

从三维打印技术的工作原理可以看出,其成型粉末需要具备材料成型性好、成型强度高、粉末粒径较小、不易团聚、滚动性好、密度和孔隙率适宜、干燥硬化快等性质,可以使用的原型材料有石膏粉末、淀粉、陶瓷粉末、金属粉末、热塑材料或者是其他一些有合适粒径的粉末等。

成型粉末部分由填料、粘结剂、添加剂等组成。

相对其他条件而言,粉末的粒径非常重要。径小的颗粒可以提供相互间较强的范德瓦尔兹力。但滚动性较差,且打印过程中易扬尘,导致打印头堵塞;大的颗粒滚动性较好,但是会影响模具的打印精度。粉末的粒径根据所使用打印机类型及操作条件的不同可从1μm到100μm。

其次,需要选择能快速成型且成型性能较好的材料。可选择石英砂、陶瓷粉末、石膏粉末、聚合物粉末(如聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚苯乙烯、聚乙烯、石蜡等),金属氧化物粉末(如氧化铝等)和淀粉等作为材料的填料主体。选择与之配合的粘结剂可以达到快速成型的目的。加入部分粉末粘结剂可起到加强粉末成型强度的作用,其中聚乙烯醇、纤维素(如聚合纤维素、碳化硅纤维素、石墨纤维素、硅酸铝纤维素等)、麦芽糊精等可以起到加固作用,但是其纤维素链长应小于打印时成型缸每次下降的高度,胶体二氧化硅的加入可以使得液体粘结剂喷射到粉末上时迅速凝胶成型。

除了简单混合,将填料用粘结剂(聚乙烯吡咯烷酮等)包覆并干燥可更均匀地将粘结剂分散于粉末中,便于喷出的粘结剂均匀渗透进粉末内部;

成型材料除了填料和粘结剂两个主体部分,还需要加入一些粉末助剂调节其性能,可加入一些固体润滑剂增加粉末滚动性,如氧化铝粉末、可溶性淀粉、滑石粉等。有利于铺粉层薄均匀;

加入二氧化硅等密度大且粒径小的颗粒增加粉末密度。减小孔隙率,防止打印过程中粘结剂过分渗透;

加入卵磷脂减少打印过程中小颗粒的飞扬以及保持打印形状的稳定性等。另外,为防止粉末由于粒径过小而团聚,需采用相应方法对粉末进行分散。

粘结剂如何选择?

用于打印头喷射的粘结剂要求性能稳定,能长期储存,对喷头无腐蚀作用,粘度低,表面张力适宜,以便按预期的流量从喷头中挤出。且不易干涸,能延长喷头抗堵塞时间,低毒环保等。

3D打印3DP技术详解

液体粘结剂分为几种类型:本身不起粘结作用的液体,本身会与粉末反应的液体及本身有部分粘结作用的液体。

本身不起粘结作用的粘结剂只起到为粉末相互结合提供介质的作用。其本身在模具制作完毕之后会挥发到几乎不剩下任何物质。对于本身就可以通过自反应硬化的粉末适用,此液体可以为氯仿、乙醇等。

对于本身会参与粉末成型的粘结剂,如粉末与液体粘结剂的酸碱性的不同,可以通过液体粘结剂与粉末的反应达到凝固成型的目的。对于金属粉末,常常是在粘结剂中加入一些金属盐来诱发其反应。

对于本身不与粉末反应的粘结剂,还有一些是通过加入一些起粘结作用的物质实现,通过液体挥发,剩下起粘结作用的关键组分。其中可添加的粘结组分包括缩丁醛树脂、聚氯乙烯、聚碳硅烷、聚乙烯吡咯烷酮以及一些其他高分子树脂等。选择与这些粘结剂相溶的溶液作为主体介质可应用,虽然根据粉末种类不同可以用水、丙酮、醋酸、乙酰乙酸乙酯等作为粘结剂溶剂,但目前均以水基粘结剂报道较多。

如前所述,要达到液体粘结剂所需条件,除了主体介质和粘结剂外,还需要加入保湿剂、快干剂、润滑剂、促凝剂、增流剂、pH调节剂及其他添加剂(如染料、消泡剂)等,所选液体均不能与打印头材质发生反应。

加入的保湿剂如聚乙二醇、丙三醇等可以起到很好的保持水分的作用,便于粘结剂长期稳定储存。可加入一些沸点较低的溶液如乙醇、甲醇等来增加粘结剂多余部分的挥发速度,另外,丙三醇的加入还可以起到润滑作用,减少打印头的堵塞。

另外,对于那些对溶液pH值有特殊要求的粘结剂部分,可通过加入三乙醇胺、四甲基氢氧化氨、柠檬酸等调节pH为最优值。

出于打印过程美观或者产品需求,需要加入能分散均匀的染料等。要注意的是,添加助剂的用量不宜太多,一般小于质量分数的10%,助剂太多会影响粉末打印后的效果及打印头的机械性能。

3DP工艺流程

 

3DP技术是一个多学科交叉的系统工程,涉及CAD/CAM技术、数据处理技术、材料技术、激光技术和计算机软件技术等,其成形工艺过程包括模型设计、分层切片、数据准备、打印模型及后处理等步骤。

在采用3DP设备制件前,必须对CAD模型进行数据处理。由UG,Pro/E等CAD软件生成CAD模型,并输出STL文件,必要时需采用专用软件对STL文件进行检查并修正错误。但此时生成的STL文件还不能直接用于三维打印,必须采用分层软件对其进行分层。层厚大,精度低,但成形时间快;相反,层厚小,精度高,但成形时间慢。分层后得到的只是原型一定高度的外形轮廓,此时还必须对其内部进行填充,最终得到三维打印数据文件[4]。

3D打印3DP技术详解

 

3DP具体工作过程如下:

1)采集粉末原料;

2)将粉末铺平到打印区域;

3)打印机喷头在模型横截面定位,喷黏结剂;

4)送粉活塞上升一层,实体模型下降一层以继续打印;

5)重复上述过程直至模型打印完毕;

6)去除多余粉末,固化模型,进行后处理操作。

三维打印(3DP)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25毫米/小时的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打印人像基本采用此技术。

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)耗材和成形材料的价格相对便宜,打印成本低。

3DP技术的缺点:

1)石膏强度较低,不能做功能性材料。且打印成品易碎。

2)表面手感略显粗糙,这是以粉末为成形材料的工艺都有的缺点。

3DP应用[5]

3D打印3DP技术详解

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。如粘结金属粉末后期烧结并渗入金属液得到可使用零件;

3)铸造模样打印;

4)直接打印砂型、砂芯;

三维打印快速成型技术作为喷射成形技术之一,具有快捷、适用材料广等许多独特的优点。该项技术是继SLA、LOM、SLS和FDM四种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。

目前,该项技术由MIT研究取得成功后已经转让给ExtrudeHone、Soligen、SpecificSurfaceCoporation、TDK Coporation、Therics以及Z Coporation等6家公司。已经开发出来的部分商品化设备机型有Z Corp公司的Z系列,Objet公司的Eden系列、Connex系列及桌上型3D打印系统,3D Systems公司开发的Personal Printer系列与Professional系列以及Solidscape公司(原Sanders Prototype Inc.)的T系列等。

Objet公司开发的设备及材料

3D打印3DP技术详解

3D打印3DP技术详解

3D打印3DP技术详解

3D Systems公司作为快速成型设备全球最早的设备供应商,一直以来致力于快速成型技术的研发与技术服务工作,在引领SLA光固化快速成型技术的同时,也陆续开展了其他快速成型技术的研究,陆续推出SLS设备及3DP设备等。

3D打印3DP技术详解

   3DP应用实例

 

案例一:3D打印技术应用于复杂分总成内外饰件一次性快速制作

3D打印3DP技术详解

图:仪表板出风口总成制作

表1 3D技术与传统加工费用和时间的对比

 

时间

费用

3DP

1天

1000RMB

ABS铣削

8天

6500RMB

FDM

5天

3000RMB

SLA/PUG

6天

硅胶模具+原型  20000RMB

单件1000RMB

从表1中可以看出,3DP打印技术在复杂分总成内外饰一次性快速制作中,极大缩减时间成本,3DP仅为1天便可以把仪表板出门口制成,而传统的ABS铣削则需要8天;在费用上3DP只需要1000RMB,传统的ABS铣削需要6500RMB,这对于汽车零件研发中大大提高了效率并且减低了生产的成本。

案例二:3D打印技术应用于中小模型一次性快速制作

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表2 内饰小模型几种加工方式时间费用对比

 

时间

费用

3DP

3天

2,,2000RMB

ABS铣削

7天

3,0000RMB

Ureol伐木铣削

7天

3,5000RMB

从表格2中可以看出,3DP技术在内饰小模型一次快速制作在时间与成本上,小批量生产过程中,3DP技术具有无与伦比的优势。

结语

 

3D打印技术(以下简称3DP),具有速度快、可打印全彩色、成形尺寸大等特点,早期的3DP技术主要打印石膏材料,给人造成了零件强度不高的缺点。但新的3DP技术不仅成形强度很高,且成形材料很多,如尼龙、陶瓷、覆膜砂等。3DP技术如果解决了表面质量问题,其应用前景将非常可观。可以预见,新的3DP一旦广泛商用,传统非金属3D打印技术必将受到冲击甚至被淘汰。

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