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独特之处在于,3DP在处理粉末材料时,没有采用激光烧结的粘合方式,而是采用喷头喷射粘合剂,将工件的截面打印出来,再把一层层薄层堆积成型。
如图2-15所示为3DP的技术原理。
(1)技术原理
在工作槽中,设备铺平粉末,按照指定的路径,喷头在指定区域中喷射液态粘合剂,不断循环以上步骤,直到工件成型,再去除多余的粉末材料。
该技术具有非常快的成型速度,可以制造具有复杂结构的工件,也可以制造非均匀材质或复合材料的零件。
(2)技术特点
该技术具有较多的优点,首先是操作简单,过程清洁,可以作为计算机的外围设备,在办公环境中使用;其次是能使用很多种的粉末材料,以及各种颜色的粘结剂,从而制作出彩色的原型制件,使得该技术具有优越的竞争性;第三是不需要支撑结构,由于可以用多余粉末担当支撑作用,且多余粉末的清理也很方便,因此该技术适合做具有复杂的内部结构的原型制件;第四是成型速度快,半个小时左右就可以加工一个原型制件;第五是不需要使用激光器,所以设备价格较低。
但是,该技术具有如下缺点,首先是表面粗糙、精度较低,因此不适合制作细节繁多或者结构复杂的制件,可用于制作一些概念模型;其次是因为采用喷射的方法,粘结剂的粘结能力受到限制,使得原型的强度不高,只能用于制作一些概念模型;最后是原材料比较贵。
(3)典型设备
目前,3DP打印技术方面的典型设备如表2-5所示。
(4)技术应用
该技术主要应用于工艺模型或者原型验证模型的快速制造,模型的颜色比其他技术要丰富,因此模型的可观性比较高,如图2-16所示。
同时,因为整体的成本偏低,3DP技术在教学方面的应用比较广泛,制模精度约为±0.5mm,喷头的喷印精度影响着制模的精度。
7.其他新型的增材制造技术
这几年以来,国际国内在增材制造技术的理论和工艺方面,又有了一些新的突破,因此不断涌现出新型的材料、工艺和相关应用。
以下举出一些新型的增材制造工艺。
(1)微纳尺度增材制造
图2-17为日本大阪大学制作的“纳米牛”
,长10μm,高7μm。
采用激光超短脉冲,在非常小的空间区域内,产生很高密度的光子,形成了双光子的吸收条件,使得材料发生了固化。
这项技术有可能会在增材制造技术的加工尺度方面突破极限,促进增材制造技术的高端发展。
(2)低温沉积制造技术
清华大学在冰点以下挤出溶液进行沉积,制作出了具有400μm孔隙尺寸的微孔,由此开发了低温沉积制造技术。
在低温的环境下,挤出溶液,使其发生热致相分离,之后溶剂和成型材料分离,冷冻,凝结,最终形成外观结构。
在经过后续的冷冻和干燥,再把溶剂抽干,就可以制成微孔,制作孔隙尺寸约10μm。
该技术为增材制造技术在制作多级分孔结构方面提供了参考,解决了结构强度和高孔隙率之间的矛盾。
(3)细胞三维结构增材制造
细胞立体喷印技术,是人们把制造科学的对象,从无生命的材料,转化为有生命的材料。
清华大学提出的细胞三维受控组装技术,构建了分级结构明确的细胞三维结构体,基于纤维蛋白原和海藻酸钠水凝胶这两种基质材料体系,开发了分布复合交联工艺,实现了三维开放结构的成形制造。
该技术已经成功受控组装了多种细胞,包括脂肪干细胞、心肌细胞、滋养细胞、内皮细胞、纤维细胞、软骨细胞和肝细胞等。
部分示例如图2-18所示。
(4)高效增材制造的复合沉积
增材制造为了获得较高的成形精度,往往需要牺牲成形效率。
成形效率较高的激光近净成形技术,也只能达到几千克小时的制造速度。
喷射成形是20世纪60年代末提出的,是一种将液态金属雾化与熔滴沉积结合起来的近净成形技术,成形效率可达1th。
但是,喷射成形的组织容易产生孔隙,导致密度不足,性能不稳定,极大限制了该项技术的发展与应用。
最近,清华大学提出了一种将喷射成形和激光近净成形相结合的复合沉积成形(HDF, Hybrid Depositi)新设想,如图2-19所示。
利用喷射成形的高效沉积,利用激光扫描重熔沉积层,可以消除孔隙,用以保证零件的高性能。
(5)金属微滴3D打印成形
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