3D打印工藝——SLS打印技術(shù)簡介
工藝全稱:
選擇性激光燒結(jié),其工作原理是借助紅外激光在高溫下進(jìn)行粉末燒結(jié)材料,并以逐層堆積的方式成型三維零件的一種快速成型技術(shù)。
工藝過程:
3D打印機(jī)內(nèi)設(shè)有一個平臺,材料粉末平鋪在平臺上,并加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點(diǎn)的某一溫度,平臺上方控制系統(tǒng)控制激光束按照該層的截面輪廊在粉層上掃描,使粉未的溫度升到熔化點(diǎn),進(jìn)行燒結(jié)并與下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘結(jié)。完成一層后,工作臺下降一層厚度,鋪料輥在上面鋪上一層均勻密實(shí)粉末,進(jìn)行新一層截面的燒結(jié),直至完成整個模型。
3D打印工藝——SLS工藝的特點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):
1、出貨速度快,SLS打印,無需支撐結(jié)構(gòu),無需著色處理,清粉后就可以出貨。
2、精度,SLS精度可以保持在正負(fù)0.2MM左右,可做產(chǎn)品外殼驗(yàn)證。
3、無需支撐,層疊過程中的懸空層可由未燒結(jié)的粉末來支撐,無需拆支撐,所以表面無支撐麻點(diǎn)。
4、材料利用率高,未燒結(jié)的粉末可重復(fù)利用,所以相當(dāng)價格要便宜一些。
5、可加工復(fù)雜結(jié)構(gòu),包括鏤空結(jié)構(gòu)、空心結(jié)構(gòu)。制件強(qiáng)度高。
缺點(diǎn):
SLS工藝有一定的優(yōu)勢,當(dāng)然也會有一些劣勢:
1、打印成品收縮,尼龍和其他材料在燒結(jié)成型之后,會有一定的收縮。收縮率因素很多,例如常見冷卻過程、粉末類型和燒結(jié)激光能量。
2、表面顆粒感 ,粉末顆粒燒結(jié)成型的結(jié)果,表面會存在顆粒感,以及成型層紋。
3、加工和材料損耗, SLS打印機(jī)損耗巨大,打印時打印腔室需持續(xù)提供惰性氣體,保持恒溫,能耗大。單次打印,設(shè)備需要投入數(shù)倍的打印材料,特別是工業(yè)級設(shè)備。
4、每次打印需要新鮮粉末, SLS打印機(jī)成型后剩余粉末,有些因高溫導(dǎo)致粉末損壞,無法使用,需要篩除,添加新粉混合打印。
3D打印工藝——SLS打印技術(shù)主要的使用材料
選擇性激光燒結(jié)(SLS),是3D打印技術(shù)的一種,屬于快速成型技術(shù)。選擇性激光燒結(jié)是以粉末材料為耗材,利用紅外激光為熱源,通過激光高溫?zé)Y(jié)粉末材料,當(dāng)一層截面燒結(jié)完成后,底板配合下移,再燒結(jié)新一層截面,以逐層堆積方式形成三維產(chǎn)品。
選擇性激光燒結(jié)工藝可采用多種材料粉末作為加工原料,理論上來講,任何加熱后可粘結(jié)的粉末材料都可使用,材料來源范圍廣是選擇性激光燒結(jié)工藝的突出優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段,選擇性激光燒結(jié)工藝可應(yīng)用的粉末材料主要是聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龍、石蠟、石膏、金屬、陶瓷、玻璃、復(fù)合材料等,其中,高分子聚合物材料是主要應(yīng)用類型,尼龍應(yīng)用需求量最大,占比達(dá)到90%左右。
1. 聚合物
由于其加工溫度相對較低且易于處理,聚合物是 SLS 打印中最常用的材料。這些材料具有多種機(jī)械性能,適合各種應(yīng)用。SLS 打印中廣泛使用的一些聚合物包括:
尼龍(聚酰胺):尼龍因其強(qiáng)度、柔韌性和耐化學(xué)性的出色組合而成為 SLS 打印的熱門選擇。它有多種牌號,例如 PA 11、PA 12 和 PA 6,每種牌號都有其特定的性能和應(yīng)用。例如,PA 12 以其高抗疲勞性和尺寸穩(wěn)定性而聞名,使其適用于汽車和航空航天部件。相比之下,PA 11 提供卓越的抗沖擊性和柔韌性,使其成為生產(chǎn)運(yùn)動器材和活動鉸鏈的理想選擇,PA 6 由于其高機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性,通常用于汽車工業(yè)中的汽車發(fā)動機(jī)部件等零件。此外,由于其優(yōu)異的耐用性和食品安全特性,它還用于制造廚房用具等消費(fèi)品。
熱塑性聚氨酯 (TPU):TPU 是一種高度柔韌和彈性的材料,通常用于 SLS 打印,用于制造需要出色耐磨性和回彈性能的零件。它特別適合生產(chǎn)電子設(shè)備的密封件、墊圈和保護(hù)殼。TPU 還具有優(yōu)異的耐油、油脂和各種溶劑性能,使其成為暴露于惡劣化學(xué)環(huán)境的組件的理想選擇。
聚醚酮酮 (PEKK):PEKK 是一種高性能聚合物,具有卓越的機(jī)械、熱和化學(xué)性能。PEKK 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為 162°C,熔化溫度約為 372°C,可以承受高溫并在苛刻的環(huán)境中保持其結(jié)構(gòu)完整性。其優(yōu)異的機(jī)械性能和耐化學(xué)性使其適用于航空航天、汽車以及石油和天然氣工業(yè)應(yīng)用,例如齒輪、支架和發(fā)動機(jī)部件。
聚醚酰亞胺 (PEI):PEI 通常以 ULTEM 品牌銷售,是一種高性能聚合物,以其優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性、高強(qiáng)度重量比以及出色的耐化學(xué)性和耐高溫性而聞名。PEI 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為 217°C,適用于需要長期熱穩(wěn)定性的應(yīng)用,例如電絕緣體、醫(yī)療設(shè)備和航空航天部件。
在激光燒結(jié)中,所得零件的性能受到工藝參數(shù)和材料之間相互作用的影響。顆粒幾何形狀影響部件的粗糙度和孔隙率。較高的粉末密度可提高零件密度、精度和強(qiáng)度,但可能會阻礙材料流動。為了克服這個問題,具有良好流動性的激光燒結(jié)粉末由窄尺寸分布的球晶顆粒組成,通常在 d = 60 μm 左右。
聚合物必須能夠抵抗熱降解,因?yàn)樗鼤L時間暴露在高溫下。將未熔化的熱降解粉末與燒結(jié)部件分離以進(jìn)行潛在的回收利用。理想情況下,粉末不應(yīng)聚集,從而允許基于重力的分離。施工過程中的老化會改變粉末的性能,需要與高達(dá) 50 wt.-% 的新鮮粉末混合,以在后續(xù)燒結(jié)操作中保持所需的材料性能和最佳性能。
了解 SLS 打印中不同聚合物的特性、優(yōu)點(diǎn)和局限性對于為特定應(yīng)用選擇合適的材料至關(guān)重要。通過利用每種聚合物的獨(dú)特特性,設(shè)計(jì)師和工程師可以創(chuàng)建滿足各自行業(yè)和應(yīng)用要求的零件。
2. 金屬
近年來,金屬在 SLS 打印中的使用顯著擴(kuò)大,使得能夠?yàn)楹娇蘸教臁⑵嚭歪t(yī)療等行業(yè)生產(chǎn)高度復(fù)雜且耐用的零件。金屬SLS打印,也稱為選擇性激光熔化(SLM)或直接金屬激光燒結(jié)(DMLS),為制造具有復(fù)雜幾何形狀的輕質(zhì)高強(qiáng)度部件開辟了新的可能性,而這些部件以前使用傳統(tǒng)制造方法是不可能或成本過高的。以下段落概述了 SLS 打印中使用的一些常見金屬及其具體屬性和應(yīng)用。
鋁:鋁是一種輕質(zhì)金屬,具有出色的強(qiáng)度重量比,使其成為航空航天和汽車應(yīng)用中 SLS 打印的熱門選擇。AlSi10Mg是一種含有硅和鎂的鋁合金,由于其良好的機(jī)械性能、耐腐蝕性和導(dǎo)熱性而經(jīng)常被使用。SLS 打印的鋁部件可用于各種應(yīng)用,包括發(fā)動機(jī)部件、熱交換器和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件。
鈦:鈦以其高強(qiáng)度、低密度和優(yōu)異的耐腐蝕性而聞名,使其成為航空航天、醫(yī)療和高性能汽車應(yīng)用中 SLS 打印的理想材料。SLS 打印中最常用的鈦合金是 Ti6Al4V,它結(jié)合了鈦的優(yōu)點(diǎn)以及鋁和釩提供的額外強(qiáng)度和耐熱性。SLS 打印的鈦部件的示例包括醫(yī)療植入物(例如髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換物)以及航空航天部件(例如渦輪葉片和結(jié)構(gòu)部件)。
不銹鋼:不銹鋼是一種多功能且堅(jiān)固的材料,具有強(qiáng)度、耐腐蝕性和耐磨性的獨(dú)特組合。在SLS打印中,通常使用316L和17-4PH等不銹鋼合金,因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)異的機(jī)械性能和廣泛的應(yīng)用范圍。SLS 打印的不銹鋼零件廣泛應(yīng)用于汽車、石油和天然氣以及消費(fèi)品等行業(yè),通常用于閥門、齒輪和外殼等部件。
鈷鉻:鈷鉻合金具有高強(qiáng)度、耐磨性和生物相容性的特點(diǎn),使其成為醫(yī)療和牙科應(yīng)用中 SLS 打印的有吸引力的選擇。用于 SLS 打印的一種流行的鈷鉻合金是 CoCrMo,它具有優(yōu)異的機(jī)械性能和耐腐蝕性。SLS 打印的鈷鉻組件通常用于牙科修復(fù)體,例如牙冠和牙橋,以及膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)置換物等骨科植入物。
為 SLS 打印項(xiàng)目選擇最合適的金屬的過程取決于對應(yīng)用的具體要求的了解,包括強(qiáng)度、重量、耐腐蝕性和生物相容性等因素。通過了解不同金屬固有的特性和優(yōu)勢,工程師和設(shè)計(jì)師能夠做出明智的決策,使他們能夠制造出有效滿足各自行業(yè)嚴(yán)格要求的高性能組件。
3. 陶瓷
陶瓷因其獨(dú)特的性能(例如耐高溫、硬度和生物相容性)而成為一類新興的 SLS 打印材料。SLS 打印陶瓷可應(yīng)用于航空航天、電子和醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)。本節(jié)深入研究 SLS 打印中使用的陶瓷的特性并探討其一些具體應(yīng)用。
氧化鋁 (Al2O3):氧化鋁也稱為氧化鋁,由于其卓越的硬度、耐磨性和電絕緣性能,是 SLS 打印中廣泛使用的陶瓷材料。氧化鋁的熔點(diǎn)約為 2,072°C (3,762°F),適合高溫應(yīng)用,例如發(fā)動機(jī)部件和電絕緣體。此外,其優(yōu)異的生物相容性使其成為醫(yī)療和牙科植入物的理想選擇。
氧化鋯 (ZrO2):氧化鋯或二氧化鋯是 SLS 打印中常用的另一種陶瓷材料。氧化鋯以其高強(qiáng)度、斷裂韌性以及耐磨性和耐腐蝕性而聞名,通常用于需要高機(jī)械性能的應(yīng)用中。其生物相容性和美觀性使其成為牙冠和牙橋等牙齒修復(fù)的熱門選擇。此外,氧化鋯的低導(dǎo)熱率和高溫穩(wěn)定性使其適合高溫應(yīng)用,例如燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中的熱障涂層。
碳化硅(SiC):碳化硅是一種陶瓷材料,具有優(yōu)異的熱性能和機(jī)械性能,使其適合在需要高強(qiáng)度和耐高溫的應(yīng)用中進(jìn)行SLS打印。其高導(dǎo)熱率和低熱膨脹系數(shù)使其成為熱交換器、燃燒室和其他高溫應(yīng)用的有吸引力的選擇。此外,SiC的硬度和耐磨性使其適用于軸承、密封件和切削工具等部件。
羥基磷灰石 (HA):羥基磷灰石是一種生物陶瓷材料,與人體骨骼的礦物質(zhì)成分非常相似,使其成為醫(yī)療應(yīng)用中 SLS 打印的理想選擇。由于其生物相容性以及促進(jìn)骨骼生長和組織整合的能力,羥基磷灰石經(jīng)常用于骨植入物,例如脊柱融合裝置和顱板。此外,它可以與聚合物等其他材料相結(jié)合,創(chuàng)建具有定制特性的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
與傳統(tǒng)制造方法相比,SLS 陶瓷打印具有多種優(yōu)勢,包括創(chuàng)建復(fù)雜幾何形狀的能力、減少材料浪費(fèi)以及定制潛力。通過了解各種陶瓷材料的具體屬性和應(yīng)用,設(shè)計(jì)師和工程師可以充分利用 SLS 打印的功能,開發(fā)跨多個行業(yè)的創(chuàng)新解決方案。
3D打印工藝——SLS打印技術(shù)的應(yīng)用
汽車領(lǐng)域的產(chǎn)品及結(jié)構(gòu)驗(yàn)證:汽車擋板、后視鏡、儀表盤、方向盤、車燈、座椅及把手等。
家用電器領(lǐng)域的產(chǎn)品及結(jié)構(gòu)驗(yàn)證:空調(diào)、空氣凈化器 、掛燙機(jī) 、電風(fēng)扇、飲水機(jī)、吸塵器、電吹風(fēng)、豆?jié){機(jī)等。
機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域的產(chǎn)品及結(jié)構(gòu)驗(yàn)證:卡扣、顯示面板、攝像機(jī)、實(shí)驗(yàn)器材、插座、電動工具、量具、開關(guān)等。
工藝品領(lǐng)域的產(chǎn)品及結(jié)構(gòu)驗(yàn)證:手辦、學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)、燈飾、室內(nèi)裝飾品、玩具公仔等。
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