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塑料3D打印和金属3D打印那个好?

更新时间:2020/5/29 10:50:57点击次数:字号:T|T


在过去的30年中,Stratasys率先开发和采用了3D印刷(或增量制造)技术,包括精确可靠的FDM和PolyJet3D印刷平台。然而,在2018年2月,Stratasys官方网站正式宣布了金属3D打印机的最新开发和测试进展。

 


Stratasys表示,金属添加剂制造系统将使用其专有的注射技术,第一种金属材料将是铝合金。stratasys将使用金属注射成型(mim)技术,而不是传统的激光或电子束能量用于金属熔化。

 


身为FDM和光固化喷射3D打印领域专家的Stratasys,如今也向金属3D打印领域进军了。原因何在?

 


众所周知,塑料材料一直向高强度的方向发展,通过增强塑料强度直接交换金属用于各种复杂部件,廉价轻量,塑料材料广泛应用于3D印制。

 


此外,塑料材料还可以避免缺陷,向复合化和功能化发展,特别是实现多种材料的复合,从而赋予塑料特定的功能。

 


例如,通过三维印刷技术制造复杂的智能材料、光电聚合物材料、光热聚合物材料、光伏聚合物材料和储能聚合物材料等新材料,生物塑料对医学人体组织发育的生物相容性、细胞、软组织、器官和骨骼等三维印刷技术仍然具有巨大的应用空间,特别是在组织工程领域。

 


可以预见,在今后10年乃至20年内,塑料材料将仍是主流3D打印材料。但是麦肯锡公司

 

(McKinsey&Company)发布的一份报告也指出,金属3D打印的市场价值将在未来15年内飙至100亿美元,这也就不难理解Stratasys面对未来市场加快布局进军金属打印的原因了。

 


那么,塑料3D打印和金属3D打印究竟有啥区别呢?
事实上,这两者不仅在原材料属性上不同,而且在硬件的基本物理属性上也不同。因此,两种制造解决方案不可互换。

 


由于AUTOCAD、SolidWorks、NX和CATIA等3D计算机辅助设计(CAD)软件并未对金属或塑料基材进行区分,因此在输入CAD数据时,工程师须进行正确判断。

 


糟糕的设计实践会导致零件报废,尤其是将塑料3D打印设计转换为金属3D打印设计时。

 


设计改造的第一步是清楚了解温度、支撑材料和后处理的不同需要。

 


客户精诚合作,优化金属3D打印的CAD设计图纸
温度控制
对于塑料零件来说,温度控制通常“没问题”,但对于金属零件来说,温度控制确实是个大问题。

 


塑料3D打印最常见的形式就是熔融沉积成型(FDM)。如果零件因过热而熔化或翘曲,则重新打印的成本不会增加。即使最终零件报废,也不太可能对加工设备造成严重后果。

 


但这对于金属3D打印就大为不同了。
用高功率激光烧结或熔化粉末可产生1300摄氏度以上的高温。这些卡路里中的一些可能会被打印机的板块和周围未使用的金属粉吸收。如果没有适当的补救措施,零件会翘曲或卷曲,从而损坏3D打印机粉床的刮刀。
此外,如果金属零件报废,那么重新制作的成本也较为昂贵。

 


热区的大小是激光功率、特征尺寸和材料类型的函数。
出于这些原因,产品开发人员需要与技术人员密切合作,准确理解实现所使用打印机的功率特性和最佳制作效果的理想参数。

 


支撑材料如何放置?
塑料和金属粉末的3D打印过程需要使用支撑材料。支撑材料是指在3D打印过程中产品浮动的结构或中空结构的部分成型,打印完成后需要去除的材料。

 


塑料零件往往可以使用很多支撑材料,原因很简单,具体如下:
塑料本质上刚性较小,可能需要更多的外部支撑(AdditionalStability)来承受打印的机械应力。

 


塑料支架相对容易拆卸,成品上的标记容易清理。

 

塑料原料价格低廉,使用时不需要刻意节约浪费。

 


然而,金属打印却有着不同的动力学因素。支撑材料是必要的,但在正常情况下,最好的方法是尽量减少支撑材料的使用。

 


这是为什么呢?其中一个原因是温度。
激光焦点处的高温会对周围金属形成剪切力。这种剪切作用必须在一定程度上受到金属支撑材料的牵制。当支撑材料被移除时,剪切力就像弹簧一样被释放,零件可能会发生很大的变形。

 


明智的产品开发者将与技术人员密切合作,并在零件设计阶段考虑到这一变化。但是,这对塑料零件的制作来说不是大问题。

 


另一个原因是金属粉末原料可能比较贵,所以除非有必要使用它,否则会招致很高的成本。

 


撑材料被移除后,剪切力可能会造成零件变形
此外,去除金属支撑材料不能简单地用手打破,而可能需要大量的后处理操作,耗时。这大大增加了项目的成本,并且成品的表面外观很难令人满意。

 


后处理
3D打印完成后,塑料和金属部件需要一些后处理工艺,通常后处理分为剥离式和水合式两种。

 


其中,支撑材料移除、砂磨或钻孔等步骤是通用的。但是,金属3D印刷零件需要其他工艺和制造资源,如“磨削”(Grinding)、“NC铣削”(CNCMilling)、“应力消除”(streaserelease)和“热处理”(HeatTreatment)。
未完成的3D打印散热器,还需要大量的工作来抛光散热片

 


塑料3D打印的一个优点是,后期处理通常可以通过手工或简单的工具完成。例如,StratasysPolyJet技术印刷产品的支撑材料通常可以手动或水枪除去,具备专用的后处理水槽,简单地进行操作。

 


但对于金属3D打印而言,后处理工作必须足够专业,否则“后果很严重”。这就是为什么塑料打印cad设计不能简单地切换到金属打印机以获得类似的结果的另一个原因。

 


写在最后
stratasys作为增量制造业的领导者,可以同时提供可靠的fdm和polyjet技术。随着未来更多的金属打印机技术和产品的引入,它将进一步改善客户体验,满足各种应用场景和要求。

 


正如Stratasys管理层所说,“我们非常高兴地宣布开发这一新的制造平台,为各行业的小规模生产应用添加材料,包括汽车、航空航天、国防、机械加工和金属制造厂。相信该平台将扩大公司未来的市场覆盖面,为客户提供实现粉末冶金应用价值的有效手段。


 

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