成本、质量、功能和材料要求等因素有助于缩小范围。
菲尔·哈钦森|element14社区
3D打印技术为电子工程师提供了加速创新的绝佳途径。航空航天和国防工业等早期采用者长期以来一直将3D打印用于快速概念建模、组件原型和最终产品的生产,而无需对生产线进行不断的重组。
虽然这项技术已经有近30年的历史,但最近的进展使3D打印机成为一项更具吸引力的投资。3d打印机现在比以往任何时候都便宜,一些入门级打印机的价格低于200美元。选择成倍增加,3D打印机制造商的数量在2014年至2018年期间增加了近三倍,目前达到约120家。此外,打印的质量和速度都得到了提高,而且有各种各样的3d打印材料可供选择。我们也开始看到3d打印电路的出现。根据安永会计师事务所(Ernst and Young)的一项研究,电子产品的打印可以将原型制作时间缩短63%。
对于许多工程师来说,使用3D打印服务而不是直接购买3D打印机是有意义的。但无论他们如何使用3D打印,工程师都应该仔细评估成本、质量、功能和材料要求,以确保他们使用的3D打印机符合他们的需求。
选择合适的3D打印机的第一步是了解使用哪种3D打印技术。两种比较突出的类型是融合灯丝制造(FFF)——也被称为灯丝沉积制造(FDM)或熔融聚合物沉积(MPD)——和立体光刻(SL),它使用激光或数字光处理(DLP)树脂打印机。
FFF打印机使用热塑性材料丝,通过一个加热的移动头,挤压一层又一层塑料在移动底座上,移动底座随着每层沉积而降低。它是桌面3D打印机最常用的技术,因此,FFF往往是负担得起的,易于使用,并且相对快速。
缺点是,FFF打印机的打印精度低于其他类型的3D打印机,这可能是要求严格公差的项目的一个问题。FFF打印机也往往需要更多的调整和维护以保持其正常运行,而且该技术对温度的变化很敏感。
关于精确度需要注意的一点是,许多3D打印机制造商并不公布他们机器的精确度数据。原因是几个操作因素会影响实现的精度,包括打印机的力学,被打印的特定材料,以及打印过程中使用的工艺参数(如每层的厚度,温度,打印机是否在惰性气体环境中挤压材料,等等)。也就是说,已发表的报告将FFF打印机的精度定在±0.5毫米以上。
SL打印机(通常被称为树脂打印机)使用一种发光装置(激光或DLP)将液体光聚合树脂罐或粉末床的部分熔合在一起。激光束扫过材料的表面,勾勒出计算机模型提供的3D设计,部分逐渐降低,同时叶片在结构的顶部重新涂上树脂。
也可以通过透明底部的缸从下往上打印对象。在这里,当零件被抬起时,激光通过缸底向上照射。这种方法是桌面SL设备的典型方法。
立体光刻术的最大优势是其更高的精度和更高的细节水平,使其成为需要更复杂的几何图形和更光滑、更逼真的饰面的项目的更好选择。(已发表的报告称,工业SL机器的最佳尺寸精度为±0.01 mm,台式机型为±0.10 mm。)SL打印机也非常适合需要高清晰度的小型项目和大型项目。虽然FFF打印机通常速度很快,但SL打印机更快。
但这些优势是有代价的。SL打印机的成本要高得多(通常在1,000 - 10,000美元之间),而且可用的材料也更少。用热塑性树脂或粉末材料生产的产品往往是易碎的。
材料是选择3D打印机时的另一个重要考虑因素。3D打印的材料种类繁多,甚至包括可食用的(包括巧克力、糖和煎饼面糊)和建筑级的(如3D打印的房屋与挤压混凝土)。
工程师们将需要评估更传统的设计材料。
聚乳酸或聚乳酸(PLA):对于FFF打印机,聚乳酸或聚乳酸(PLA)是应用最广泛的热塑性材料之一,因为它是可生物降解的,并从玉米和甘蔗等自然资源中提取。对于形式和美学是最重要考虑因素的快速原型设计想法来说,这是一个很好的候选者。PLA也有足够高的拉伸强度,使其抗翘曲。(根据ASTM D638测试方法,73°F下的典型抗拉强度为129 k至529k psi。)
丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)是另一种广泛用于FFF打印机的热塑性聚合物。ABS打印产品往往具有良好的弯曲强度(平均约为10 kpsi)和优越的机械性能,如果担心破损,ABS是一个很好的选择。它也适用于高温应用,因为它的结构完整性能够承受不断上升的温度。(偏转温度可超过220°f)
聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)是食品安全应用的候选产品。它通常用于制造水瓶、食品容器和类似的塑料产品,因为它不吸水。它具有很强的机械性能(抗拉强度平均约5.6 k psi),但对初学者来说使用起来很有挑战性,因为它对工艺温度要求很高,通常需要对挤出喷嘴进行大量微调。
尼龙:对于需要比ABS更强的强度和耐久性的应用,尼龙是一个受欢迎的选择。尼龙是坚固和相当灵活的,使它非常适合移动,高冲击,或磨料零件的应用。它的强度部分源于它的高熔化温度,但尼龙在熔化状态下可能是有毒的。尼龙也不太适合潮湿或潮湿的应用。
热塑性弹性体(TPE)是柔性问题最受欢迎的材料。与橡胶类似,TPE的弹性和可拉伸性更强,但其柔软性和弹性严重限制了其适用的应用范围。
树脂或粉末熔合SL打印机的材料通常在购买时考虑到更集中的应用,这影响到应该使用什么树脂和粉末。这些材料和打印机往往比消费级3D技术更高端。树脂有五种基本类型:标准树脂(用于低预算项目)、灰色树脂(用于光滑的饰面)、巨型树脂(用于大尺寸印刷)、透明树脂(用于透明表面)和高细节树脂(用于更复杂的几何图形)。
聚合物粉末用于激光烧结,高功率激光将聚合物的微小颗粒融合在一起,形成3D物体。粉末适用于要求高性能塑料、金属浸渍或要求橡胶具有塑料强度的灵活性的项目。
额外的注意事项
填充物是一个重要的材料考虑,并作为“填充物”的空白空间在3D打印模型。填充物产生一个重复的结构(像蜂巢),其图案和密度影响模型的强度和重量-没有它,许多模型将太脆弱。因为填充物有多种尺寸和图案,工程师必须为他们的模型确定正确的组合——密度越高,打印出来的图案就越重、越结实。
类似地,一些3D模型需要在空白空间内的支撑结构,必须在打印完成后移除。两种类型的塑料通常被用作支撑材料:聚乙烯醇(PVA)和高冲击力聚苯乙烯(HIPS)。PVA是水溶性的,相对容易去除,但它对温度和湿度的敏感性会使其化学不稳定,如果储存和处理不当,会导致挤出机堵塞。HIPS不会有这个问题,但它不容易清除,需要使用柠檬烯,它存在于家庭清洁剂和食品调味产品中。
工程师还应考虑模型支撑结构和悬挑。许多模型需要一个支撑结构,以便在其上一层一层地挤压模型。这些支撑结构会影响成品模型的外观和表面,通常会留下粗糙的区域和瑕疵,需要通过表面处理去除。支撑的存在很重要,因为它影响模型的稳定性和材料成本。一个没有任何支撑的悬垂(或桥)模型可能需要一个支撑结构,但如果悬垂倾斜45°角或更小,则可能不需要。对于桥梁来说,经验法则是任何长度小于5毫米的东西都不需要支撑结构。
准备打印模型需要选择正确的切片机:即生成打印机遵循的指令的软件。切片机将CAD绘图转换为可打印的几何代码,本质上是将3D模型切片成独立的薄层,当模型成型时,打印机将这些薄层挤压出来。有数百种切片软件可供选择,其中许多是免费的。在做出选择时,工程师应该考虑软件包支持哪种操作系统、支持的文件格式(例如STL、OBJ、X3D或3MF)、与CAD软件集成、基于云或桌面、3D打印机兼容性、开源vs私有、填充选项和支持控制。
那么哪种3D打印机适合你呢?记录成本、质量、功能和材料要求等因素,以缩小范围,确保正确的选择。DW