目前,基于同样的“离散堆积”增材制造理念,国内外涌现出各种3D打印技术,并不断演化、创新和发展。
3D打印工艺的分类有多种视角,也提出了多种方法。
例如,根据材料特性可以简单分为金属成形工艺和非金属成形工艺,或者根据材料状态进一步分为粉末床熔合工艺、液态成形工艺、长丝制造工艺和片材层压工艺等。材料。
这些分类方法各自从不同角度反映了不同工艺的某些特点。下面介绍国际和国内标准中对3D打印工艺的分类,根据设备的运动行为和成形过程的最小几何单元进行分类。
标准定义的分类
国际标准化组织和中国国家标准分别在ISO17296-2:2015和GB/T35021-2018中提出了类似的3D打印工艺分类原则,主要从以下两个角度出发:
(1)从流程链角度分类
3D打印工艺链的特点是基于零件的三维CAD数据直接制造,省去了模具制造等中间工序。3D打印工艺链可分为两类:
我。单步流程
3D打印工艺在一次操作中完成零件或物体的制造,同时实现预期的基本几何形状和基本性能。
二. 多步骤流程
通过两次或多次操作完成零件或物体制造的 3D 打印过程。通常,第一个操作产生零件或物体的基本几何形状,并且需要后续操作来实现预期的基本性能。
需要注意的是,根据不同的最终应用要求,上述工艺可能需要一个或多个后处理步骤,以确保零件满足最终的性能规格。这些后处理步骤通常不被视为 3D 打印工艺链的一部分。
复合 3D 打印是一种在单步 3D 打印过程中同时或分步结合一种或多种增材、成形或减材制造技术来完成零件或物体的制造的过程。3D打印与焊接、铸造、机械加工等传统制造工艺相结合,形成新型复合3D打印制造工艺。
(二)从工艺原理角度分类
原材料、粘合机制、激活源和后处理共同决定了3D打印的不同工艺原理。这些主要包括立体光刻、材料喷射、粘合剂喷射、粉末床熔融、材料挤出、定向能量沉积和片材层压等,如表1-4所示。
各方法的流程原理如图1-50至1-56所示。值得注意的是,国家标准《特种加工机床术语第7部分:增材制造机床》(GB/T14896.7-2015)定义了更多的3D打印设备名称、参数、部件、方法和术语,其中包括前述七个过程。
国家标准《增材制造设计要求、指南和建议》(GB/T37698-2019)为如何利用设计因素和制造能力在更多3D打印制造系统(包括上述七个过程)中做出合理选择提供了指导,同时还提供 3D 打印产品设计的要求、指南和建议。
此外,截至2022年,我国已制定了四种3D打印工艺的工艺规范国家标准:塑料材料粉末床熔融(GB/T37463-2019)、金属材料粉末床熔融(GB/T39252-2020)、塑料材料挤出(GB/T39252-2020)。 GB/T39328-2020)、金属材料定向能量沉积(GB/T39253-2020)。
表1-4 3D打印不同工艺原理分类
物品 | 姓名 | 定义 | 原料 | 绑定机制 | 激活源 | 后期处理 |
1 | 立体光刻 | 通过光聚合选择性固化液态光敏聚合物的 3D 打印工艺 | 液态或膏状感光树脂,可添加填料 | 通过化学反应交联 | 用能量光源(通常是紫外线)照射 | 排水、去除支撑、进一步固化等。 |
2 | 材料喷射 | 根据需要以微滴形式沉积材料的 3D 打印工艺 | 液态感光树脂或熔蜡,可添加填料 | 通过化学反应交联或通过熔化固化 | 用能量光源(通常是紫外线)或热能照射进行材料固化 | 支持去除、进一步固化等。 |
3 | 粘合剂喷射 | 选择性沉积液体粘合剂以粘合粉末材料的 3D 打印工艺 | 粉末、粉末混合物、特殊材料以及液体粘合剂、交联剂 | 通过粘合剂应用进行粘合 | 与所涉及的化学反应有关 | 去除多余粉末、渗透增强或高温烧结 |
4 | 粉床融合 | 使用热能选择性熔化/烧结粉末床区域的 3D 打印工艺 | 各种粉末:热塑性聚合物、纯金属或合金、陶瓷等。根据具体工艺可添加填料和粘合剂 | 通过熔化凝固 | 热能,特别是来自激光、电子束和/或红外灯的热能 | 去除多余粉末、去除支撑、喷丸、精加工、研磨、抛光等表面处理以及热处理 |
5 | 材料挤压 | 通过喷嘴或孔口挤出材料的 3D 打印工艺 | 细丝或护套,典型材料包括热塑性塑料细丝和陶瓷糊料 | 通过熔化(热塑性长丝)或通过化学反应交联(陶瓷糊)进行固化 | 热、超声波或化学反应 | 支持移除 |
6 | 定向能量沉积 | 使用聚焦热能同步熔化和沉积材料的 3D 打印工艺 | 针对特定应用,可以添加粉末或线材(通常为金属)、陶瓷颗粒 | 通过熔化凝固 | 激光、电子束、电弧或等离子束等。 | 机械加工、喷丸、激光重熔、研磨、抛光等表面处理以及热处理 |
7 | 片材层压 | 一种将薄层材料粘合形成固体物体的 3D 打印工艺 | 纸、金属箔、聚合物片材或由金属或陶瓷粉末材料粘合和压制而成的复合片材 | 通过粘合剂粘合或超声波连接 | 与所涉及的化学反应有关,或超声波换能器 | 废料去除和/或烧结、浸渍、热处理、研磨、机械加工和其他表面处理 |
- 1——能源光源;
- 2 – 扫描振镜;
- 3 – 成型和升降平台;
- 4 – 支撑结构;
- 5——异形工件;
- 6——充满感光树脂的树脂槽;
- 7——透明板;
- 8——遮光板;
- 9 – 重涂及流平装置
1 – 构建和支撑材料的进料系统(可选组件,取决于具体的成型工艺);
2——分布(喷射)装置(包括辐射光或热源);
3 – 构建材料的液滴;
4 – 支撑结构;
5 – 成型和升降平台;
6 – 成型工件
1——送粉系统;
- 2 – 粉末床内的粉末材料;
- 3 – 液体粘合剂;
- 4 – 连接到粘合剂供应系统的分配(喷射)装置;
- 5——撒粉装置;
- 6 – 成型和升降平台;
- 7 – 成型零件
- 1 – 送粉系统(在某些情况下,是一个粉末储存容器);
- 2 – 粉末床内的材料;
- 3 – 激光;
- 4 – 扫描振镜;
- 5——撒粉装置;
- 6 – 成型和升降平台;
- 7 – 电子枪;
- 8 – 聚焦电子束;
- 9 – 支撑结构;
- 10 – 成型工件
- 1 – 支持材料;
- 2 – 成型和升降平台;
- 3 – 加热喷嘴;
- 4——送料装置;
- 5 – 成型工件
- 1 – 送粉器;
- 2 – 定向能量束(例如激光、电子束、电弧或等离子束);
- 3——成型工件;
- 4 – 基材;
- 5 – 线轴;
- 6 – 成型工作台
1 –激光切割;
2——收料辊;
3——压辊;
4 – 成型和升降平台;
5——成型工件;
6——送料辊;
7 – 原材料;
8 – 废料
图1-57和1-58描绘了两种类型的复合3D打印工艺,其中图1-57基于定向能量沉积,图1-58基于粉末床融合。
- 1 – 送粉器;
- 2 – 定向能量束(例如激光、电子束、电弧或等离子束);
- 3——成型工件;
- 4 – 基材;
- 5 – 线轴;
- 6——成型工作台;
- 7 – 工具或轧机
- 1—送粉系统(有时是粉末储存容器)
- 2—粉床中的材料
- 3—激光
- 4—扫描振镜
- 5—撒粉机
- 6—搭建平台和电梯
- 7—电子枪
- 8—聚焦电子束
- 9—支撑结构
- 10—正在成型的工件
- 11—工具
基于设备运动行为的分类
一些文献表明,根据3D打印设备的运动行为和模式对3D打印过程进行分类,可以为构建3D打印数控系统提供参考,有助于开发类似设备的通用控制系统。
3D打印设备的运动行为是指设备完成“离散-累积”过程的具体手段。目前,根据设备的运动行为,3D打印工艺可分为三种类型,如图1-59所示。
(1)预置材料固化工艺
预置材料固化工艺是将用于成型的材料(液体、粉末等)预先放置在每层的成型区域中。然后,在成形路径的引导下,成形头选择性地固化材料的特定位置(烧结、熔化等)以成为部件的一部分。此类过程中使用的材料通常可在设备系统内回收。
相应的设备运动通常循环经过三个步骤:分配成型空间、预置材料和单层固化。立体光刻 (SLA)、选择性激光烧结 (SLS)、选择性激光熔化 (SLM) 和选择性电子束熔化 (SEBM) 都是此类典型工艺。
(2)预置材料去除工序
预放置材料去除工艺涉及将用于成形的材料预先放置在每层的成形区域中,然后在成形路径的引导下,成形头选择性地从特定位置去除材料。设备系统通常无法回收此类过程中使用的材料。
相应的设备运动一般循环经过三个步骤:分配成形空间、预置材料和材料去除。层压物体制造 (LOM) 和光掩模成型工艺是此类 3D 打印工艺的典型。
(3) 同步送料和固化过程
同步送料和固化过程是指在单层成型过程中,在成型路径的引导下,将材料直接送入特定位置进行固化。此类工艺一般不会面临材料回收问题,理论材料利用率为100%。
相应的设备运动通常循环经过两个步骤:分配成形空间和送料成形。熔融沉积成型 (FDM)、激光熔覆(LC)、激光工程净成型 (LENS) 和激光实体成型 (LSF) 都是此类典型工艺。
根据成形的最小几何单元分类
本书围绕3D打印中“维度”的基本概念和“积累”的基本原理,从最小几何单位的角度,以新颖的视角对3D打印工艺进行了全面、清晰、准确的分类。累积成型。
工艺分为零维点成形、零维粉点成形、一维线成形、二维面成形四类,典型工艺具体名称如表1-5所示。本书相应章节中对每个过程进行了详细介绍。
浙江大学何勇教授也持同样的观点,并打了一个恰当的比喻:3D打印就像切土豆的逆过程,切土豆会产生切片、丝、丁、泥,逆过程就是将这些形状组装起来。变回整个土豆。
将马铃薯切片、丝、丁(或土豆泥)重新组装成马铃薯的方法分别对应于面、线和点3D打印工艺。
表1-5 3D打印最小几何单元分类表
类别 | 典型进程名称 |
零维点成形 | SLA、 Polyjet、 CLIP、 TPP |
零维粉点形成 | SLS、3DP、SLM、LSF(LC、LENS) |
一维线成型 | FDM、EBFF、DIW、NFDW |
二维曲面成型 | LOM、索利多 |
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