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其他 | 2024.11.25

3D列印也能印金屬嗎? 金屬3D列印製程

 

3D列印也能印金屬嗎? 金屬3D列印製程

 

3D 列印製程可用於金屬 3D 列印,打破了傳統技術(鑄造、鍛造等)在設計上的束縛,讓我們可以使用各種金屬粉末材料製造複雜形狀的金屬工件,透過層層堆叠製造的加法製程,

因此在生產過程中允許降低材料用量,完成多樣化、小批量生產的需求,流行的金屬3D列印材料包含鈦、不銹鋼、鋁、工具鋼、鎳合金,

與塑膠 3D 列印機相比,金屬 3D 列印成本更高、更複雜。

 

金屬3D列印

 

除了塑膠之外,還有多種 3D 列印製程可用於金屬 3D 列印。 

 

  • 金屬FDM

  •  

金屬 FDM 印表機的工作原理與傳統 FDM 印表機類似,但使用由聚合物黏合劑固定在一起的擠壓金屬棒。然後將成品“生坯”部件在熔爐中燒結以去除黏合劑。 

 

  • 選擇性雷射熔化 (SLM) 和直接金屬雷射燒結 (DMLS) 

  •  

SLM 和 DMLS 金屬 3D 列印機的工作原理與 SLS 列印機類似,但它們不是融合聚合物粉末,而是使用雷射將金屬粉末顆粒逐層融合在一起。 SLM 和 DMLS 3D 列印機可以創建堅固、精確且複雜的金屬產品,使該工藝成為航空航太、汽車和醫療應用的理想選擇。

 

流行的金屬3D列印材料

  •  

  • 重量輕,具有優異的機械特性。它堅固、堅硬、耐熱、耐氧化、耐酸。

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  • 不銹鋼具有高強度、高延展性、耐腐蝕等特性。

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  • 鋁質輕、耐用、堅固,並且具有良好的熱性能。

  •  

  • 工具鋼是一種堅硬、耐刮的材料,可用於列印最終用途工具和其他高強度零件。

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  • 鎳合金具有高拉伸強度、蠕變強度和斷裂強度,且耐熱、耐腐蝕。
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金屬3D列印機推薦

 

Markforged Metal X __ 從設計到功能齊全的金屬零件,全程只需28 小時。

 

Markforged Metal X 是一種新型金屬印表機使用各種先進金屬製造複雜金屬零件的便捷方式,是目前為止最直覺好用的金屬3D 列印機之一。

 

在封閉的工作流程中,只需進行很少的培訓,即可列印從不銹鋼到銅的各種材料。

只需增加印表機,就能擴大生產能力,且安全易用的特性,所有廠商皆可使用,其成本遠低於DMLS 金屬3D 列印系統,不需要專門的操作人員和粉末管理系統,將對PPE 的需求降至最低,

是一款專為提供一致的零件品質和流暢的使用者體驗而打造。 Markforged 將一流的軟體、材料研究和先進的運動系統融合,能夠快速可靠地交付工業級零件。

 

透過列印塑膠基質中結合的金屬粉末,Markforged 消除了許多與傳統金屬3D 列印機相關的安全風險。這意味著無散粉、無激光,

同時無需採取傳統的安全防範措施。它可以在車間環境中安全使用,而且只需要對設備進行最低程度的升級。

 

Metal X 其實是一台非常先進的FFF 3D 列印機。 Metal X 配備精加工龍門、加熱艙和列印底板以及先進的擠壓硬件,能夠可靠地列印耐用零件。

Metal X 經過精心設計,列印板、噴嘴和刷子等磨損零件和耗材均易於操作與維護。

 

 

金屬 3D 列印的替代方案

 

與塑膠 3D 列印機相比,金屬 3D 列印成本更高、更複雜,限制了大多數企業的使用。

 

另外,SLA 3D 列印非常適合鑄造工作流程,與傳統方法相比,此工作流程能夠以更低的成本、更大的設計自由度和更短的時間生產金屬零件。 

另一種選擇是電鍍SLA 零件,即透過電解將塑膠材料塗覆在一層金屬上。它結合了金屬的一些最佳品質(強度、導電性以及耐腐蝕和耐磨性)與主要(通常是塑膠)材料的特定性能。

 

 

 

3D 列印使您能夠快速且經濟高效地為各種應用製作原型並製造零件。但選擇正確的 3D 列印流程只是問題的一方面。最終,這在很大程度上取決於材料是否使您能夠創建具有所需機械性能、功能特性或外觀的零件。

除了金屬 3D 列印材料,也一起比較了塑膠列印的特性、應用,並描述了一個框架,您可以使用該框架為您的專案選擇合適的材料。

 

塑膠 3D 列印材料和工藝

 

塑膠材質的類型

 

塑膠主要有兩種類型:

 

  • 熱塑性塑膠是最常用的塑膠類型。它們與熱固性材料的主要區別在於它們能夠經歷多次熔化和凝固循環。熱塑性塑膠可以加熱並形成所需的形狀。這個過程是可逆的,因為沒有發生化學鍵合,這使得回收或熔化和再利用熱塑性塑膠變得可行。熱塑性塑膠的一個常見比喻是黃油,它可以熔化、重新凝固並再次熔化。每個熔化週期,特性都會略有變化。

  •  

  • 熱固性塑膠(也稱為熱固性塑膠)在固化後保持永久固態。熱固性材料中的聚合物在熱、光或適當輻射引起的固化過程中發生交聯。熱固性塑膠加熱時會分解而不是熔化,並且在冷卻時不會變形。回收熱固性材料或將材料返回其基本成分是不可能的。熱固性材料就像蛋糕麵糊一樣,一旦烘烤成蛋糕,就無法再次融化回麵糊中。

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塑膠 3D 列印工藝

 

當今最成熟的三種塑膠 3D 列印工藝如下:

  • 熔融沈積建模 (FDM) 3D 列印機熔化並擠出熱塑性長絲,印表機噴嘴將其逐層沉積在建造區域中。

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  • 立體光刻 (SLA) 3D 列印機使用雷射將熱固性液體樹脂固化成硬化塑料,這個過程稱為光聚合。

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  • 選擇性雷射燒結 (SLS) 3D 列印機使用高功率雷射來熔化小顆粒的熱塑性粉末。

 

FDM 3D 列印

 

熔融沈積成型 (FDM)也稱為熔絲製造 (FFF),是消費者層面使用最廣泛的 3D 列印形式,受到愛好者 3D 列印機的出現的推動。 

該技術非常適合基本的概念驗證模型,以及簡單零件(例如通常需要加工的零件)的快速且低成本的原型設計。

 

與其他塑膠 3D 列印製程相比,消費級 FDM 的解析度和精度最低,並不是列印複雜設計或具有複雜特徵的零件的最佳選擇。透過化學和機械拋光工藝可以獲得更高品質的飾面。

工業 FDM 3D 列印機使用可溶性支撐來緩解其中一些問題,並提供更廣泛的工程熱塑性塑膠甚至複合材料,但它們的價格也很高。

當熔化的長絲形成每一層時,當它們沒有完全黏附時,有時層之間會殘留空隙。這會導致零件各向異性,在設計承受負載或抵抗拉力的零件時,考慮這一點非常重要。

 

熱門 FDM 3D 列印材料

 

最常見的 FDM 3D 列印材料是 ABS、PLA 及其各種混合物。更先進的 FDM 印表機還可以使用其他具有更高耐熱性、耐衝擊性、耐化學性和剛性等特性的專用材料進行列印。

 

材料 特徵 應用領域
ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯) 堅固耐用
耐熱、耐衝擊
需要加熱床才能列印
需要通風
功能原型
PLA(聚乳酸) 最容易列印的 FDM 材料
剛性、堅固,但易碎
耐熱性和耐化學性較差
可生物
降解 無味
概念模型
看起來像原型
PETG(聚對苯二甲酸乙二醇酯) 相容於較低的列印溫度,可加快生產速度
防潮和耐化學腐蝕
高透明度
食品安全
防水應用
卡扣組件
尼龍 堅固、耐用且重量輕
堅韌且部分柔韌
耐熱和抗衝擊
在 FDM 上列印非常複雜
功能原型機
耐磨零件
TPU(熱塑性聚氨酯) 柔韌、可拉伸
抗衝擊
優異的減振性能
靈活的原型
PVA(聚乙烯醇) 可溶性支撐材料
溶於水
支援材料
HIPS(高抗衝聚苯乙烯) 最常與 ABS 一起使用的可溶性支撐材料
溶解在化學檸檬烯中
支援材料
複合材料(碳纖維、凱夫拉縴維、玻璃纖維) 剛性、堅固或極其堅韌
相容性僅限於某些昂貴的工業 FDM 3D 列印機
功能原型
夾具、固定裝置和工具

 

 

 

 

SLA 3D 列印

 

立體光刻技術是世界上第一個 3D 列印技術,發明於 20 世紀 80 年代,至今仍然是最受專業人士歡迎的技術之一。 

 

SLA 零件具有所有塑膠 3D 列印技術中最高的解析度和精度、最清晰的細節以及最光滑的表面光潔度。樹脂 3D 列印是需要嚴格公差和光滑表面的高度詳細原型以及功能部件(例如模具、模型和最終使用部件)的絕佳選擇。SLA 3D 列印零件還可以在列印後透過拋光、噴漆、塗層等進行後處理 ,為客戶提供具有高品質飾面的零件。

 

使用 SLA 3D 列印列印的零件是 各向同性的 - 無論方向如何,它們的強度都是一致的,因為每層之間都存在化學鍵。

這使得零件具有可預測的機械性能,這對於夾具和固定裝置最終用途零件功能原型設計等應用至關重要。

 

熱門 SLA 3D 列印材料

 

SLA 3D 列印用途廣泛,提供的樹脂配方具有廣泛的光學、機械和熱性能,可與標準、工程和工業熱塑性塑膠相匹配。樹脂 3D 列印也提供最廣泛的生物相容性材料。

具體材料的可用性很大程度上取決於製造商和印表機。 Formlabs 提供最全面的樹脂庫,包含 40 多種 SLA 3D 列印材料。

 

Formlabs 材料 特徵 應用領域
標準樹脂 高解析度
光滑、霧面的表面光潔度
概念模型
看起來像原型
透明樹脂 用於塑膠 3D 列印的唯一真正透明材料
拋光至接近光學透明
需要光學透明度的零件
Millifluidics
草稿樹脂 最快的 3D 列印材料之一,
比標準樹脂快 4 倍,比 FDM 快 10 倍
初始原型
快速迭代
堅韌耐用的樹脂 堅固、堅固、功能性和動態材料
可承受壓縮、拉伸、彎曲和衝擊而不破裂
具有類似於 ABS 或 PE 特性的各種材料
外殼和外殼
夾具和固定裝置
連接器
磨損原型
硬質樹脂 高填充、堅固且堅硬的材料,可抵抗彎曲
耐熱和耐化學腐蝕
負載下尺寸穩定
夾具、固定裝置和工具
渦輪機和風扇葉片
流體和氣流組件
電氣外殼和汽車外殼
聚氨酯樹脂 優異的長期耐久性
紫外線、溫度和濕度穩定
阻燃性、滅菌性、耐化學性和耐磨性
高性能汽車、航空航太和機械零件
堅固耐用的最終用途零件
堅固耐用的功能原型
高溫樹脂 耐高溫
高精度
熱空氣、氣體和流體流動
耐熱安裝座、外殼和固定裝置
模具和嵌件
柔性和彈性樹脂 橡膠、TPU 或矽膠的柔韌性
可承受彎曲、撓曲和壓縮
可承受重複循環而不撕裂
消費品原型製作
機器人的合規功能
醫療設備和解剖模型
特效道具和模型
矽膠40A樹脂 第一種可用的 100% 矽膠 3D 列印材料
鑄造矽膠的卓越材料性能
功能原型、驗證單元和小批量矽膠零件客
製化醫療設備
柔性夾具、掩蔽工具和用於鑄造聚氨酯或樹脂的軟模具
醫療和牙科樹脂 用於生產醫療和牙科器具的各種生物相容性樹脂 牙科和醫療器械,包括手術導板、假牙和義肢
珠寶樹脂 用於熔模鑄造和硫化橡膠成型的材料
易於鑄造,細節複雜,保形性強
試戴件
可重複使用模具的大師
訂製珠寶
防靜電樹脂 ESD 安全材料可改善電子製造工作流程 用於電子製造的工具和夾具
防靜電原型和最終使用組件
用於組件處理和存儲的客製化托盤
阻燃(FR)樹脂 阻燃、耐熱、剛性、抗蠕變材料,適用於具有高溫或火源的室內及工業環境 飛機、汽車和鐵路的內部零件
工業環境的客製化夾具、固定裝置和更換零件
保護性和內部消費或醫療電子零件
氧化鋁4N樹脂 99.99% 純氧化鋁技術陶瓷
卓越的熱性能、機械性能和導電性能
熱絕緣體和電絕緣體
重型工具
耐化學腐蝕和耐磨部件

 

 

 

SLS 3D列印

 

選擇性雷射燒結 (SLS) 3D 列印因其能夠生產堅固的功能部件而受到不同行業的工程師和製造商的信賴。每個零件的低成本、高生產率和成熟的材料使該技術成為從快速原型製作製造輔助以及 小批量、橋樑或客製化製造等一系列應用的理想選擇

由於未熔化的粉末在列印過程中支撐零件,因此不需要專用的支撐結構。這使得 SLS 非常適合複雜的幾何形狀,包括內部特徵、底切、薄壁和負形特徵。 

與 SLA 一樣,SLS 3D 列印通常也是各向同性的。由於粉末顆粒的原因,SLS 零件的表面光潔度稍顯粗糙,但幾乎沒有可見的層線,並且SLS 3D 列印件可以輕鬆進行後處理,以進一步改善機械性能和外觀。

 

熱門 SLS 3D 列印材料

與 FDM 和 SLA 相比,SLS 的材料選擇有限,但可用材料具有優異的機械特性,強度類似於注塑零件。選擇性雷射燒結最常見的材料是尼龍,這是一種流行的工程熱塑性塑料,具有優異的機械性能。尼龍重量輕、堅固、柔韌,並且能夠穩定地抵抗衝擊、化學物質、熱量、紫外線、水和污垢。其他流行的 SLS 3D 列印材料包括聚丙烯 (PP) 和柔性 TPU。

材料 描述 應用領域
尼龍12 堅固、堅硬、堅固耐用
抗衝擊,可承受反覆磨損
耐紫外線、光、熱、濕氣、溶劑、溫度和水
功能原型
最終用途零件
醫療設備
尼龍11 與尼龍 12 具有相似的特性,但具有更高的彈性、斷裂伸長率和抗衝擊性,但剛度較低 功能原型
最終用途零件
醫療設備
尼龍複合材料 採用玻璃、鋁或碳纖維增強的尼龍材料,以增加強度和剛度 功能原型設計 結構
最終用途零件
聚丙烯 延展性強、耐用
耐化學腐蝕
防水
可焊接
功能原型
最終用途零件
醫療設備
熱塑性聚氨酯 柔韌、有彈性、有彈性
不易變形
紫外線穩定性高
避震效果好
功能原型製作
柔性橡膠類最終用途部件
醫療設備

 

 

選擇合適塑膠 3D 列印材料的框架

 

有了所有這些材料和 3D 列印選項,您如何做出正確的選擇?

以下是我們為您的應用選擇合適的 3D 列印材料和塑膠 3D 列印機的三步驟框架。

 

第 1 步:定義效能要求

 

用於 3D 列印的塑膠具有不同的化學、光學、機械和熱特性,這些特性決定了 3D 列印零件的性能。隨著預期用途接近實際用途,性能要求相應增加。

要求 描述 推薦
性能低下 對於形狀和配合原型製作、概念建模以及研發,列印零件只需滿足較低的技術性能要求。

範例:用於人體工學測試的湯匙原型。除了表面光潔度外,不需要任何功能性能要求。
FDM:PLA
SLA:標準樹脂、透明樹脂(透明零件)、草圖樹脂(快速列印)
表現一般 對於驗證或預生產用途,列印零件的性能必須盡可能接近最終生產零件以進行功能測試,但沒有嚴格的使用壽命要求。

例如:用於防止突然衝擊的電子元件外殼。性能要求包括吸收衝擊力的能力、外殼需要咬合在一起並保持其形狀。
FDM:ABS
SLA:工程樹脂
SLS:尼龍 11、尼龍 12、聚丙烯、TPU
高效能 對於最終用途零件,最終的 3D 列印生產零件必須能夠承受特定時間內的嚴重磨損,無論是一天、一周還是幾年。

例如:鞋外底。性能要求包括嚴格的循環加載和卸載壽命測試、多年的色牢度以及抗撕裂性等。
FDM:複合材料
SLA:工程、醫療、牙科或珠寶樹脂
SLS:尼龍 12、尼龍 11、尼龍複合材料、聚丙烯、TPU

 

第 2 步:將性能要求轉化為材料要求

 

一旦確定了產品的性能要求,下一步就是將其轉化為材料要求,即滿足這些性能需求的材料特性。您通常會在材料的數據表上找到這些指標。

要求 描述 推薦
抗拉強度 材料在張力作用下的抗斷裂能力。高拉伸強度對於結構、承載、機械或靜態零件非常重要。 FDM:PLA
SLA:透明樹脂、剛性樹脂、氧化鋁 4N 樹脂
SLS:尼龍 12、尼龍複合材料
彎曲模量 材料在負載下抵抗彎曲的能力。材料的剛度(高模量)或柔韌性(低模量)的良好指標。 FDM:PLA(高)、ABS(中)
SLA:剛性樹脂(高)、堅韌耐用樹脂(中)、柔性彈性樹脂(低)
SLS:尼龍複合材料(高)、尼龍 12(中)
伸長 材料在拉伸時的抗斷裂性。幫助您根據柔性材料的拉伸程度來比較它們。也指示材料是否會先變形或突然斷裂。 FDM:ABS(中)、TPU(高)
SLA:堅韌耐用樹脂(中)、聚氨酯樹脂(中)、柔性彈性樹脂(高)、矽膠 40A 樹脂(高)
SLS:尼龍 12(中)、尼龍11(中)、聚丙烯(中)、TPU(高)
衝擊強度 材料吸收震動和衝擊能量而不破裂的能力。表示韌性和耐用性,幫助您了解材料掉落在地上或撞到另一個物體時破裂的容易程度。 FDM:ABS、尼龍
SLA:Tough 2000 樹脂、Tough 1500 樹脂、Grey Pro 樹脂、耐用樹脂、聚氨酯樹脂
SLS:尼龍 12、尼龍 11、聚丙烯、尼龍複合材料
熱變形溫度 樣品在指定載重下變形的溫度。指示材料是否適合高溫應用。 SLA:高溫樹脂、剛性樹脂、氧化鋁 4N 樹脂
SLS:尼龍 12、尼龍 11、尼龍複合材料
硬度(硬度計) 材料對錶面變形的抵抗力。幫助您確定軟塑膠(例如某些應用的橡膠和彈性體)的正確「柔軟度」。 FDM:TPU
SLA:柔性樹脂、彈性樹脂、矽酮 40A 樹脂
SLS:TPU
撕裂強度 材料在張力下抵抗切口生長的能力。對於評估軟塑膠和柔性材料(例如橡膠)的耐用性和抗撕裂性非常重要。 FDM:TPU
SLA:柔性樹脂、彈性樹脂、矽酮 40A 樹脂
SLS:TPU
蠕動 蠕變是材料在恆定應力(拉伸、壓縮、剪切或彎曲)影響下永久變形的趨勢。低蠕變表示硬塑膠的使用壽命長,對於結構部件至關重要。 FDM:ABS
SLA:聚氨酯樹脂、剛性樹脂、氧化鋁 4N 樹脂
SLS:尼龍 12、尼龍 11、尼龍複合材料、聚丙烯
壓縮永久變形 材料被壓縮後永久變形。對於軟塑膠和彈性應用很重要,它可以告訴您在去除負載後材料是否會恢復到其原始形狀。 FDM:TPU
SLA:柔性樹脂、彈性樹脂、矽酮 40A 樹脂
SLS:TPU

 

 

 

第 3 步:做出選擇

 

將性能要求轉化為材料要求後,您很可能最終會得到適合您的應用的單一材料或較小的一組材料。 

如果有多種材料可以滿足您的基本要求,那麼您可以查看更廣泛的所需特性,並考慮給定材料和工藝的優缺點和權衡,以做出最終選擇。

 

 

 

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