第6章-三維印刷成型工藝及材料課件

3D打印成型工藝及材料3D打印技術(shù)研究所第6章三維印刷成型工藝及材料2

成型原理及工藝

成型系統(tǒng)3

概述14

成型材料6

典型應(yīng)用

成型影響因素5第6章三維印刷成型工藝及材料1989年，麻省理工學(xué)院（MIT）的EmanualSachs申請(qǐng)了3DP專利。1992年，EmanualSachs等人利用平面打印機(jī)噴墨的原理成功噴射出具有粘性的溶液，再根據(jù)三維打印的思想以粉末為打印材料，最終獲得三維實(shí)體模型。1993年，EmanualSachs的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出基于噴墨技術(shù)與3D打印成型工藝的3D打印機(jī)。美國(guó)ZCorporation公司于1995年獲得MIT的許可，自1997年以來陸續(xù)推出了一系列3DP打印機(jī)，后來該公司被3DSystems收購(gòu)。6.1概述國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注：三維印刷成型零件的性能三維印刷成型打印材料三維印刷成型粘結(jié)劑三維印刷成型設(shè)備6.1概述工藝原理：噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，按照截面輪廓的信息，在鋪好的一層粉末材料上，有選擇性地噴射粘結(jié)劑，使部分粉末粘結(jié)，形成截面層。一層完成后，工作臺(tái)再下降一個(gè)層厚，鋪粉，噴射粘結(jié)劑，進(jìn)行下一層的粘結(jié)，如此循環(huán)形成產(chǎn)品原型。用粘結(jié)劑粘結(jié)的原型件強(qiáng)度較低，要置于加熱爐中，作進(jìn)一步的固化或燒結(jié)。6.2成型原理及工藝6.2.1成型原理圖6-23DP成型工藝原理3DP成型工藝過程包括模型設(shè)計(jì)、分層切片、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、打印模型及后處理等步驟。6.2成型原理及工藝6.2.2成型工藝采集粉末原料。01將粉末鋪平到打印區(qū)域。02打印機(jī)噴頭在模型橫截面定位，噴粘結(jié)劑。03送粉活塞上升一層，實(shí)體模型下降一層以繼續(xù)打印。04重復(fù)上述過程直至模型打印完畢。05去除多余粉末，固化模型，進(jìn)行后處理操作。06優(yōu)點(diǎn)：6.2成型原理及工藝6.2.3工藝特點(diǎn)（1）成本低，體積?。?）材料廣泛（3）成型速度快（4）高度柔性（5）成型過程無污染（6）可實(shí)現(xiàn)彩色打印工業(yè)級(jí)覆膜砂3DP打印機(jī)快速成型產(chǎn)品缺點(diǎn)：6.2成型原理及工藝6.2.3工藝特點(diǎn)（1）精度和表面質(zhì)量較差（2）原型件強(qiáng)度低（3）原材料成本高近100萬元6.3成型系統(tǒng)3DP成型系統(tǒng)主要由噴墨系統(tǒng)、XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、成型工作缸、供料工作缸、鋪粉裝置和余料回收系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成。圖6-43DP成型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖6.3成型系統(tǒng)3DP工藝噴墨系統(tǒng)采用與噴墨打印機(jī)類似的技術(shù)，但噴頭噴射出的不是普通墨水，而是一種粘結(jié)劑。3DP工藝的噴墨技術(shù)可分為連續(xù)式（ContinuousInkJet，CIJ）和按需滴落式（Drop-on-demandinkJet，DOD）兩大類。6.3.1噴墨系統(tǒng)圖6-5液滴噴射分類6.3成型系統(tǒng)

在連續(xù)微滴噴射模式中，液滴發(fā)生器中振蕩器發(fā)出振動(dòng)信號(hào)，產(chǎn)生的擾動(dòng)使射流斷裂并生成均勻的液滴；液滴在極化電場(chǎng)獲得定量的電荷，當(dāng)通過外加偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)，液滴落下的軌跡被精確控制，液滴沉積在預(yù)定位置。而不帶電的墨滴將積于集液槽內(nèi)回收。圖6-6連續(xù)式噴射原理圖6.3.1噴墨系統(tǒng)1.連續(xù)式噴墨技術(shù)6.3成型系統(tǒng)

根據(jù)需要有選擇地噴射微滴，即根據(jù)系統(tǒng)控制信號(hào)，在需要產(chǎn)生噴射液滴時(shí)，系統(tǒng)給驅(qū)動(dòng)裝置一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，噴射裝置產(chǎn)生相應(yīng)的壓力或位移變化，從而產(chǎn)生所需要的微滴。圖6-7按需式噴射原理圖6.3.1噴墨系統(tǒng)2.按需滴落式噴墨技術(shù)6.3成型系統(tǒng)

常用的按需滴落式噴墨技術(shù)主要有熱發(fā)泡式和壓電式兩種。熱發(fā)泡式噴射技術(shù)：將噴頭內(nèi)的加熱元件瞬時(shí)加熱，噴頭內(nèi)液體迅速汽化并形成氣泡，氣泡膨脹同時(shí)將液體從噴嘴中擠出形成液柱，加熱元件冷卻后熱氣泡縮小又將液柱拉回噴嘴，液柱前端由于慣性繼續(xù)下落，從而造成液柱前端與液柱分離而形成微滴。圖6-8a熱發(fā)泡式原理圖6.3.1噴墨系統(tǒng)2.按需滴落式噴墨技術(shù)6.3成型系統(tǒng)

常用的按需滴落式噴墨技術(shù)主要有熱發(fā)泡式和壓電式兩種。壓電式噴射技術(shù)：利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，當(dāng)壓電陶瓷的兩個(gè)電極加上電壓后，振子發(fā)生彎曲變形，對(duì)腔體內(nèi)的液體產(chǎn)生一個(gè)壓力，這個(gè)壓力以聲波的形式在液體中傳播。在噴嘴處，如果這個(gè)壓力可以克服液體的表面張力，其能量足以形成液滴的表面能，則在噴嘴處的液體就可以脫離噴嘴而形成液滴。圖6-8b

壓電式原理圖6.3.1噴墨系統(tǒng)2.按需滴落式噴墨技術(shù)6.3成型系統(tǒng)

根據(jù)壓電元件和液體腔的形狀結(jié)構(gòu)不同，壓電式按需滴落噴頭有四種結(jié)構(gòu)形式，即擠壓式、彎曲式、剪力式和推式。其中，彎曲式壓電噴頭較為常用。圖6-9壓電式噴射的四種結(jié)構(gòu)形式6.3.1噴墨系統(tǒng)2.按需滴落式噴墨技術(shù)6.3成型系統(tǒng)6.3.1噴墨系統(tǒng)表6-1常用噴射技術(shù)性能比較6.3成型系統(tǒng)6.3.2XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)圖6-103DP系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖3DP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖中，X、Y軸組成平面掃描運(yùn)動(dòng)框架，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制噴頭的掃描運(yùn)動(dòng)；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制工作臺(tái)做垂直于XY平面的運(yùn)動(dòng)。掃描機(jī)構(gòu)幾乎不受載荷，但運(yùn)動(dòng)速度較快，具有運(yùn)動(dòng)的慣性，因此應(yīng)具有良好的隨動(dòng)性。Z軸應(yīng)具備一定的承載能力和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。6.3成型系統(tǒng)6.3.3其他部件圖6-103DP系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖成型工作缸供料工作缸余料回收袋鋪粉輥裝置6.4成型材料6.4.1粉末材料3DP成型工藝對(duì)于粉末材料的要求：（1）打印材料粉末的顆粒形貌盡量接近圓球形或圓柱形，且粒徑大小需適中。一般3DP成型工藝所用粉末的粉末粒度在50～125μm之間。

粉體等級(jí)粒度范圍粒體大于10mm粉粒10mm～100μm粉末100μm～1μm細(xì)粉末或微粉末1μm～10nm超微粉末（納米粉末）小于1nm表6-2工程上粉體的等級(jí)及相應(yīng)的粒度范圍6.4成型材料6.4.1粉末材料3DP成型工藝對(duì)于粉末材料的要求：（2）粘結(jié)劑必須和打印材料粉末具有很好的界面相容性和滲透性。3DP中大多使用聚合物樹脂作為粘結(jié)劑，其與強(qiáng)極性的金屬、陶瓷及無機(jī)材料等粉末的極性差別較大，因此兩者界面相容性較差，粘結(jié)效果差。因此這些材料粉末在使用前常常會(huì)以偶聯(lián)劑或表面活性劑對(duì)其進(jìn)行表面處理，以降低表面極性，同時(shí)也會(huì)盡量選擇環(huán)氧等極性較強(qiáng)、與金屬、陶瓷及無機(jī)等材料界面相容性和滲透性較好的樹脂作為粘結(jié)劑。此外，為了實(shí)現(xiàn)粘結(jié)劑的快速滲透和潤(rùn)濕，粘結(jié)劑的流動(dòng)性能也非常重要，可以選擇一些可以通過光照、加熱或溶劑揮發(fā)實(shí)現(xiàn)固化反應(yīng)的預(yù)聚體或分子量較小的樹脂作為粘結(jié)劑，以減小粘結(jié)劑的粘度，提高其流動(dòng)性能。然后通過光、熱或溶劑揮發(fā)的方式，實(shí)現(xiàn)樹脂的交聯(lián)，提高粘結(jié)劑的粘連效果。

6.4成型材料6.4.1粉末材料1.石膏粉末材料石膏的粒徑在100μm左右，具有六方晶系，相比于立方晶系的材料，接近圓柱體的石膏更易于粘結(jié)劑的快速滲透。優(yōu)點(diǎn)：表6-3石膏的主要性質(zhì)石膏的性能參數(shù)莫氏1.5～2相對(duì)密度2.3g/cm3單斜晶體莫氏硬度2斜方晶體莫氏硬度3～3.5硬化后膨脹率1%（1）精細(xì)的顆粒粉末，顆粒直徑易于調(diào)整。（2）價(jià)格相對(duì)低，性價(jià)比高。（3）安全環(huán)保，無毒無害。（4）模型表面：一定的顆粒感和視覺效果，滿足藝術(shù)創(chuàng)作需要。（5）顏色：材料本身為白色，打印模型可實(shí)現(xiàn)彩色。（6）典型應(yīng)用：唯一支持全彩色打印的材料，可用于建筑模型展示。6.4成型材料6.4.1粉末材料2.陶瓷粉末材料普通陶瓷材料采用天然原料，如長(zhǎng)石、粘土和石英等燒結(jié)而成，是典型的硅酸鹽材料，主要組成元素是硅、鋁、氧元素。3D打印制品屬于特種陶瓷的范疇。氧化鋁粉末碳化硅粉末氮化硅粉末光固化陶瓷杯6.4成型材料6.4.1粉末材料2.陶瓷粉末材料優(yōu)點(diǎn)：（1）陶瓷材料是工程材料中剛度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上。（2）陶瓷的抗壓強(qiáng)度較高，但抗拉強(qiáng)度較低，塑性和韌性很差。（3）陶瓷材料一般具有很高的熔點(diǎn)（大多是在2000℃以上），并且能夠在高溫下呈現(xiàn)出極好的化學(xué)穩(wěn)定性。（4）陶瓷是良好的隔熱材料，導(dǎo)熱性低于金屬材料，同時(shí)陶瓷的線膨脹系數(shù)比金屬低，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，陶瓷具有良好的尺寸穩(wěn)定性。（5）陶瓷材料在高溫下不容易氧化，并對(duì)酸、堿、鹽具有良好的抗腐蝕能力。 （6）陶瓷材料還有其獨(dú)特的光學(xué)性能，可用作光導(dǎo)纖維材料、固體激光器材料、光儲(chǔ)存器等。透明陶瓷可用于高壓鈉燈管等。（7）磁性陶瓷（鐵氧體如：MgFe2O4、CuFe2O4、Fe3O4）在錄音磁帶、唱片、變壓器鐵芯、大型計(jì)算機(jī)記憶元件方面有著廣泛的應(yīng)用。6.4成型材料6.4.1粉末材料3.金屬粉末材料金屬材料的3DP成型工藝近年來逐漸成為整個(gè)3D打印行業(yè)內(nèi)的研究重點(diǎn)，尤其在航空航天、國(guó)防等一些重大領(lǐng)域。表6-43DP成型工藝常用的金屬材料及其應(yīng)用領(lǐng)域類型牌號(hào)舉例應(yīng)用領(lǐng)域鐵基合金316L、GP1（17-4PH）、PH1（15-5PH）、18Ni300（MS1）模具、刀具、管件、航空結(jié)構(gòu)件鈦合金CPTi、Ti6Al4V、Ti6242、TA15、TC11航空航天鎳基合金IN625、IN718、IN738LC密封件、爐輥鋁合金AlSi10Mg、AlSi12、6061、7050、7075飛機(jī)零部件、衛(wèi)星6.4成型材料6.4.1粉末材料4.彩色砂巖粉末材料砂巖是一種沉積巖，主要由砂粒膠結(jié)而成，其中砂粒含量大于50%。絕大部分砂巖是由石英或長(zhǎng)石組成的，石英和長(zhǎng)石是組成地殼最常見的成分。砂巖的顏色和成分有關(guān)，可以是任何顏色，最常見的是棕色、黃色、紅色、灰色和白色。6.4成型材料6.4.2粘結(jié)劑3DP成型工藝所使用的粘結(jié)劑總體上大致分為液體和固體兩類。粘結(jié)劑添加劑應(yīng)用粉末類型液體粘結(jié)劑不具備粘結(jié)作用：如去離子水甲醇、乙醇、聚乙二醇、丙三醇、檸檬酸、硫酸鋁鉀、異丙醇等淀粉、石膏粉末具有粘結(jié)作用：如UV膠陶瓷粉末、金屬粉末、砂粉、復(fù)合材料粉末與粉末反應(yīng)：如酸性硫酸鈣陶瓷粉末、復(fù)合材料粉末固體粉末粘結(jié)劑聚乙烯醇（PVA）粉、糊精粉末、速溶泡花堿等檸檬酸、聚丙烯酸鈉、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）陶瓷粉末、金屬粉末、復(fù)合材料粉末表6-53DP成型工藝常用粘結(jié)劑6.5成型影響因素工藝參數(shù)包括：噴頭到粉層的距離、粉末層厚、噴射和掃描速度、輥?zhàn)舆\(yùn)動(dòng)參數(shù)、每層成型時(shí)間等。1.噴頭到粉層的距離的確定此數(shù)值直接決定打印的成敗，若距離過大則膠水液滴易飛散，無法準(zhǔn)確到達(dá)分層相應(yīng)位置，降低打印精度；若距離過小則沖擊分層力度過大，使粉末飛濺，容易堵塞噴頭，直接導(dǎo)致打印失敗，而且影響噴頭使用壽命。一般情況下，該距離在1～2mm之間效果較好。6.5成型影響因素工藝參數(shù)包括：噴頭到粉層的距離、粉末層厚、噴射和掃描速度、輥?zhàn)舆\(yùn)動(dòng)參數(shù)、每層成型時(shí)間等。2.粉末層厚的確定所謂層厚即工作平面下降一層的高度，在工作臺(tái)上鋪粉的厚度應(yīng)等于層厚。當(dāng)表面精度或產(chǎn)品強(qiáng)度要求較高時(shí)，層厚應(yīng)取較小值。在三維印刷成型中，粘結(jié)劑與粉末空隙體積之比，即飽和度，對(duì)打印產(chǎn)品的力學(xué)性能影響很大。根據(jù)粉末材料特點(diǎn)，層厚在0.08～0.2mm之間效果較好，一般小型模型層厚取0.1mm，大型取0.16mm。6.5成型影響因素工藝參數(shù)包括：噴頭到粉層的距離、粉末層厚、噴射和掃描速度、輥?zhàn)舆\(yùn)動(dòng)參數(shù)、每層成型時(shí)間等。3.噴射和掃描速度的確定噴頭的噴射模式和掃描速度直接影響到制件成型的精度和強(qiáng)度，低的噴射速度和掃描速度可提高成型的精度，但是會(huì)增加成型時(shí)間。噴射和掃描速度應(yīng)根據(jù)制件精度、制件表面質(zhì)量、成型時(shí)間和層厚等因素綜合考慮。6.5成型影響因素工藝參數(shù)包括：噴頭到粉層的距離、粉末層厚、噴射和掃描速度、輥?zhàn)舆\(yùn)動(dòng)參數(shù)、每層成型時(shí)間等。4.輥?zhàn)舆\(yùn)動(dòng)參數(shù)粉末層的密度和平整效果除了與粉末本身的性能有關(guān)，還與輥?zhàn)颖砻尜|(zhì)量、輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)方向，以及輥?zhàn)影霃絉、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω、平動(dòng)速度v有關(guān)。6.5成型影響因素工藝參數(shù)包括：噴頭到粉層的距離、粉末層厚、噴射和掃描速度、輥?zhàn)舆\(yùn)動(dòng)參數(shù)、每層成型時(shí)間等。5.每層成型時(shí)間系統(tǒng)打印一層至下一層打印開始前各步驟所需時(shí)間之和就是每層成型時(shí)間。每層成型速度的提高需要加大輥?zhàn)拥倪\(yùn)動(dòng)速度，并有效提高粉末鋪撒的均勻性和系統(tǒng)回零等輔助運(yùn)動(dòng)速度。其他：環(huán)境溫度對(duì)液滴噴射和粉末的粘結(jié)固化都會(huì)產(chǎn)生影響。溫度降低會(huì)延長(zhǎng)固化時(shí)間，導(dǎo)致變形增加，一般環(huán)境溫度控制在10～40℃之間是較為適宜的。清潔噴頭間隔時(shí)間根據(jù)粉末性能有所區(qū)別，一般噴射20層后需要清潔一次，以減少噴頭堵塞的可能性。6.6典型應(yīng)用1.原型制造原型制造是目前三維印刷成型工藝最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，利用該技術(shù)可以快速地制造出產(chǎn)品的概念模型，直觀地展現(xiàn)產(chǎn)品的雛形，方便設(shè)計(jì)者直接體驗(yàn)產(chǎn)品的外形、大小、裝配、功能以及人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)并改正存在的錯(cuò)誤，改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)。（a）機(jī)械產(chǎn)品模型（b）醫(yī)學(xué)模型（c）建筑模型圖6-11日常用品3DP成型模型6.6典型應(yīng)用2.模具制造三維印刷成型工藝可以用來制造模具，包括直接制造砂模、熔模，以及模具母模。采用傳統(tǒng)方式制造模具，需要事先人工制模，而這個(gè)過程耗時(shí)占到整個(gè)模具制作周期的70%。采用三維印刷成型工藝，可避免此復(fù)雜程序，可以制造出形狀復(fù)雜、高精度的模具。圖6-12采用3DP工藝制作的模具及金屬零件6.6典型應(yīng)用3.功能部件制造直接制造功能部件是三維印刷成型工藝發(fā)展的一個(gè)重要方向。通過3DP制造出來的功能部件，可以盡早地對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)驗(yàn)、檢查和評(píng)估，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)反饋的周期，提高產(chǎn)品開發(fā)的成功率，大大降低產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間和開發(fā)成本。圖6-13采用3DP工藝制作的金屬功能部件6.6典型應(yīng)用4.生物醫(yī)學(xué)工程生命體中的細(xì)胞載體框架是一種特殊的結(jié)構(gòu)，從制造的角度來講，它是