流体类物料的3D打印工艺

自从金属和热塑性塑料作为填料进入工业生产 领域以来, 流体以及膏类物料的 3 D 打印专 业应用方兴未艾,而流体定量输送成型工艺(FDD,Fluid Dosing & Deposition)使快速且精确的3D打 印成为可能。

3D打印工艺简介

3 D 打印也可以称为添加 / 增材制造 ( A d d i t i v e Manufacturing)或快速成型(RP,Rapid prototyping), 即利用材料分层加工,使产品逐渐成型。

在家里就可以完成成本相对便宜的设计模块、备件或 者完整的机械设备,现在还有人怀疑吗?目前,在非工业 应用领域已经有大量的供应商可以提供熔融挤出成型工艺 (FDM,Fused Deposition Modelling),最简单的实例为 使用一个热熔胶枪将线状合成材料融化再堆聚成型。

合成材料通常是ABS、PVA以及PLA,这些材料很容易 取得;但在工业应用领域,限于这些材料有限的可承压性及 可拉伸性能,适用领域有限。金属粉末材料目前为止在工业 应用领域还没有被广泛采用或只在难于加工的几何结构金属 部件有应用,选择性激光烧结设备建立了一定的市场。借助 激光金属粉末逐层的融化,并凝结成预设的结构。这种相对 昂贵的工艺目前正越来越多地进入工业应用领域市场并且也 逐渐被航空领域所接受,比如飞机动力总成部件。

膏类及流体打印

膏类及流体的3D打印有非常广阔的应用空间,例如工 业应用领域中的陶瓷构件。硅树脂可以通过3D打印替代成 本高昂的喷射铸造工艺;双组份的胶黏剂以及基于聚氨酯以 及树脂的密封材料可以用于加工部件,使部件不仅有很高的 抗压缩拉伸性能而且具有抗高温与化学腐蚀性(或者利用多 组分物料,其具有不同的属性)。此外,还可应用于要求更高的食品及生物医药领域,如整形和人体器官替代品,如软 骨、牙齿或皮肤等。

定量计量与物料积聚的打印工艺

流体以及膏类物料的一种3D打印应用可能就是流体的 定量计量与积聚的工艺方法。这种形式在工业应用领域中胶 水条带状点胶方面已经有多年的应用经验。打印机将物料逐 层的堆积起来,每一层以线条的形式互相排列形成。这种应 用的核心是以无限循环活塞技术为基础的螺杆泵,靠偏心转 动的转子与定子相互配合完成物料的输送。定子与转子可以 想象成一个螺丝与螺母,其中螺母有螺丝双倍的斜率,固定 的定子通常由弹性材料制成,其与一个拥有稍小的直径的金 属转子相互配合形成投料空间,并通过连续的旋转完成物料 的精确定量输送。

螺杆泵的输送量是通过转子旋转角度来定义的,即与转 子的旋转角度成正比,因此每转一圈的输送量是恒定的;转 数、时间以及输送量之间也有一个明确的关系(同样,我们 也可通过改变转子的旋转方向进行物料的回吸操作)。除此 之外,定子与转子之间的输送空间的体积随着定子的转动也 总是恒定的,带有固体颗粒填料的物料以及块状物料甚至剪 切非常敏感的物料输送都是可能的。该工艺适用于所有流体 物料,从低粘度到高达200万mPas粘稠度的物料,甚至尖锐 颗粒填料以及多纤维物料都是没有问题的。

螺杆泵不仅应用在传统的工业领域,通过3D打印也使 模型的精确快速生产成为可能。德国维世科(ViscoTec)制 造的螺杆计量泵能更进一步提升该应用的效率,物料计量输 送以及输送的量完全取决于转数或者旋转角度,粘稠度的变化或者压力变化不会对其产生影响,因此打印机可以以不同的旋转速度运转以匹配打印头的转数,或者打印机以固定的速度运转而通过转数调整胶条直径的大小。以目前的技术用固定尺寸的打印头胶条的强度与移动速度有1:5的比例,即低精确度对象的打印速度可以达到高精度要求的五倍。在打印过程中,通过自动切换出料针头甚至可以达到1:10或者更高。另外一个技术优势是在完成一个条带的打印后通过回吸功能完全没有滴胶或者拉丝的状况产生。

打印材料的角色

基于FDD(Fluid Dosing & Deposition)工艺的或者其它工艺的打印头的市场适应性都与所打印的材料、打印机以及软件是相互作用的。材料的稳定性、固化的机械性能以及固化速度必须与出料的速度相匹配。理想情况下前一个线条的表面已经开始硬化的进程,并能提供一个足够的支撑可能。更长的时间就不允许了,无法完成足够的支撑。最好的方式是可以通过UV光或者加热的方式加快硬化速度,对于这种工艺打印机的速度要通过特殊的打印软件进行优化。通常情况下在产品设计阶段就会考虑这方面的问题,也期待物料的研发生产能取得进展,以适应添加式制造,但目前来看一种适用所有流体的打印机是不现实的。

实例分析

针对打印物料的设备技术优化使工业领域大量应用变得困难。在游乐园中实物大小的人体雕像的制造方面德国维世科(ViscoTec)有非常好的经验。该物体长宽高尺寸都达到近2米,打印过程中用的胶条尺寸有10毫米,并且表面精度小于1毫米,所使用的物料为双组份的环氧树脂。另外一个案例是打印硅酮物体,硬化是利用UV光,精度可以达到0.2毫米,打印速度有0.5克每分钟。最初的成功也体现在有机织物的打印,首先要对要打印的物料进行评估,以免破坏物料分子链的结构。除此之外,德国维世科(ViscoTec)目前还在和一些流体物料生产厂商进很多合作项目,以测试打印成型的物料在电子部件领域的应用效果,相信在不久的将来即可出在您身边的电子产品中。

结语

流体以及膏类物料的打印提供了无限的应用以及生产工艺可能。德国维世科(ViscoTec)为领域提供了全新的工艺,对物料以及技术的要求是非常多样的,这种技术已经迈入了工业应用领域。 

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