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增材制造:快速原型和生产零件的新功能

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发表于 2023-7-9 12:11:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
许多塑料加工商刚刚开始熟悉术语“增材制造”或“增材制造”,它是指通过连续添加材料(通常是分层)来构建零件的一组工艺。
许多塑料加工商刚刚开始熟悉术语“增材制造”或“增材制造”,它是指通过连续添加材料(通常是分层)来构建零件的一组工艺。这些过程使用零件的计算机模型,通常切成“切片”,而不是工具。在过去的几年中,增材制造设备和材料的进步不仅使所谓的快速原型的“形式、配合和功能”的改进成为可能,而且还使这些工艺能够用于生产更广泛的产品。生产零件。从较旧的立体光刻、激光烧结和熔融沉积建模等增材制造技术到较新的“3D 打印”技术,这些进步是全面的。

十多年前出现的 3D 打印机是增材制造中增长最快的领域。有一段时间,人们最熟悉的技术是与 Z Corp.、3D Systems 和 Objet Geometry 等公司的部门联系在一起,这些公司利用“喷墨”型打印头来分配材料液滴——液体光聚合物或树脂基材料。液体粘合剂——分层构建零件,并通过激光束或紫外线灯固化或固结。然而,术语“3D打印机”已经包括任何类型的小型增材制造系统,这些系统成本相对较低、易于使用并且适合在办公环境中使用。Stratasys 产品营销经理 Fred Fischer 表示,尽管其功能和材料选择比高端系统更为有限,但这些优势确保了它们的受欢迎程度。
EnvisionTec 提供了另一种 3D 打印技术。该公司的 Perfactory 系统基于德州仪器 (TI) 的数字光处理 (DLP) 技术,通常用于高清电视和数据投影仪。这些装置不使用喷射器、激光或打印头。EnvisionTec 首席执行官 Al Siblani 表示,更新、更大的单元以连续体素(体积像素)“无层”模式构建 3D 对象。该系统将一系列不同尺寸的体素(体积像素)投影到液体光聚合物中。一系列位图以不同的灰度光强度投影体素,从而一次性固化整个部件。预先指定的灰度值控制每个单独体素的固化深度。当体素数据集向任意打印方向投影时,

2008 年 Wohlers 报告由行业权威和顾问 Terry Wohlers 每年编写,确定了增材制造技术使用最多的三个领域。最大的是消费品和电子产品,包括玩具、手机和电视;其次是机动车辆——汽车、皮卡和摩托车;然后是医疗和牙科设备。Wohlers 预计这些机器(尤其是 3D 打印机)将越来越多地用于产品设计和测试。根据他 2008 年的报告,最受欢迎的 3D 打印机是 Stratasys 的 Dimension 设备,其次是 Z Corp 的机器,这两种打印机的价格都在 20,000 美元到 60,000 美元之间。



转向零件生产
尽管制作原型仍然是增材制造的主要用途,但该技术已越来越多地扩展到快速制造(也被制造工程师协会称为“直接数字制造”(DDM))以及快速模具。未来的一个行业预测将涉及使用一台机器进行设计、原型和成品零件。

沃勒斯表示,这一趋势的体现是行业术语“桥梁制造”的出现,该术语旨在弥合零件设计完成与零件投入生产之间的差距。“假设您在等待制造模具时需要模制数千个零件。您可以在等待生产工具的同时使用激光烧结或 FDM 等技术来制造生产零件,”Wohlers 解释道。他引用了卡特彼勒公司的例子,该公司不得不等待数月才能为新的线束组件制造工具。与此同时,卡特彼勒通过激光烧结制造了数百个这种相对较大、具有复杂通道的零件。这一成功促使 Caterpillar 再次将这种“桥接”方法用于新的机油滤清器组件。

增材制造正用于高价值产品的短期或“过渡”生产,其中工具的生产可能更加复杂、昂贵且耗时。Wohlers 表示,定制和/或限量生产零件的增材制造市场包括航空航天、机械(从越野设备到复印机)以及家居饰品和圣诞装饰品等装饰物品等消费品。到目前为止,尽管有些是 FDM,但大多数都是激光烧结的。

Wohlers 估计 DDM 在过去四年中在增材制造市场的份额从约 4% 增长到近 15%。Stratasys 报告称,去年该公司高端 FDM 系列收入的 36% 来自航空航天、汽车、消费品和重工业等领域的 DDM 活动。Fischer 表示:“过去两年,DDM 一直是我们的增长动力,增长速度甚至比 3D 打印机还要快。我们看到这种趋势在未来将远远超过快速原型设计。”

Wohlers 表示,EOS 凭借其激光烧结系统在 DDM 领域表现出色。EOS 指出,新产品开发 100% 面向成品制造。北美副总裁 Jim Fendrick 表示:“我们专注于航空航天和医疗等领域的快速制造。这些不是关键的结构零件,而是复杂的零件,例如风管,其加工成本非常昂贵。我们预计零件数量约为 5000 个,除此之外,您最好选择模具和注塑成型。”

激光烧结直接制造的一项新的 EOS 医疗应用是由尼龙 12 制成的用于膝关节置换术的定制切割导轨。Fendrick 还引用了德国实验室离心机制造商 Hettich GmbH 的例子,该公司选择激光烧结洗衣机转子。该产品由 32 个独立部件注塑而成,需要使用特殊钢管进行去毛刺,成本高昂。EOS 激光烧结产品仅包含两个塑料部件和一个钢环。



FDM 经验
选择 DDM 时需要考虑几个因素,包括产量、零件尺寸和复杂性以及材料成本。Wohlers 表示,如果零件和产量都相对较小,则值得考虑 DDM。“规模是一个因素。对于小零件(例如拳头大小),跳过工具是有意义的,这与仪表板等较大零件不同。DDM 可能适用于数百个零件,尽管在医疗等某些行业,他们正在制造数千个定制零件,例如助听器。”

商业定制助听器外壳由光聚合物材料制成,采用 3D Systems 的立体光刻 (SLA) 技术或 EnvisionTec 的 Perfactory 3D 打印系统。EnvisionTec 目前声称拥有该增材制造市场约 60% 的份额,Siblani 估计在全球范围内,Perfactory 单位每月生产约 600,000 个此类产品。

位于俄亥俄州荷兰的 PET 瓶顾问 Plastic Technologies, Inc. 两年半​​以来一直在利用 SLA 为其手持式 TorqTraQ 扭矩测试设备(测量拧开瓶盖所需的扭矩)创建夹盘),副总裁唐纳德·米勒(Donald Miller)表示,由于其高精度和新材料选择。PTI 开始使用最先进的 SLA 单元和一种较新的光聚合物来实现这种快速制造功能,而不是使用传统机械加工来制造这些卡盘,这使得 TorqTraQ 设备能够与几乎所有闭合件精确配合。这些都是非常复杂的部件,并且光敏聚合物材料能够很好地粘附在闭合件上而不会打滑。

色彩的使用是快速原型制作的趋势,Z Corp.也利用其3D打印机的全彩功能进入快速制造领域。其新的 ZPrint 中心一直在为《吉他英雄 II》和《孢子》等视频游戏制造商打造色彩缤纷的动作玩偶。首席执行官 John Kawola 表示,客户还使用 ZPrinters 为吹塑和热成型中的约 100 件小批量生产塑料模具。

Wohlers 警告说,可用于 DDM 的材料的成本可能比典型的注塑热塑性塑料高 10 到 100 倍。此外,材料的关键性能,如强度、随时间变化的尺寸稳定性、耐热性和耐湿性以及颜色稳定性都需要仔细评估。“我们对常用热塑性塑料的性能的了解比对这些材料的了解要多得多,”他指出。

PTI 的 Miller 补充道:“尽管这些材料的成本很高,但事实是,您可以制造比多件式注塑成型零件更坚固的一件式功能零件,同时无需组装。利用当今的技术,您可以制造带有底切的更复杂的零件,因为 RP 支撑材料可以在制造后溶解掉。其他需要考虑的关键因素包括制造零件的速度、精度和可重复性以及这些零件的耐用性。”

更好的材料不断被引入用于所有类型的增材制造系统。但由于热塑性塑料构成了大部分最终用途产品,因此激光烧结和 FDM 被认为在快速制造方面最具潜力。值得注意的新产品示例包括用于激光烧结的 EOS 的 PEEK 材料,以及 Stratasys 添加的用于 FDM 的 Sabic 的 Ultem 聚醚酰亚胺。两者都是广泛用于飞机内饰的 UL 94V-0 阻燃工程热塑性塑料。Wohlers 表示,3D Systems 推出了用于 SLA 的新型改进光聚合物,但其长期稳定性对于许多制造应用来说仍然是一个问题。

位于威斯康星州纳索塔的定制注塑商 Dickten Masch Plastics (DMP) 的工程服务总监 Tom Walczak 表示,该公司的材料实验室和技术服务小组正在与密尔沃基工程学院的快速原型联盟合作,研究一些较新的 RP材料并确定其在不同温度下的机械特性。测试包括在高温和低于环境温度下的拉伸、弯曲和仪器冲击测试。该数据将用于将实际测试的 RP 零件与有限元分析 (FEA) 模拟结果进行比较。这种比较将有助于确定实际的材料能力和设计要求,以便优化 DDM 零件的生产。



有关零件和工具的更多信息
如上所述,就 Z Corp. 而言,设备制造商直接参与 RP 和 DDM 活动正在成为一种趋势。它显然是由 Stratasys 及其拥有七年历史的红眼快速原型设计和制造中心发起的,该中心主要构建原型,但现在也使用 FDM 生产很大一部分 DDM 零件。Wohlers 预计这一趋势将持续下去,并表示如果看到 EOS 或 3D Systems 等公司利用其激光烧结技术提供类似服务,他不会感到惊讶。

沃勒斯并未计划在快速模具中大量使用增材制造机器和材料。不过,他指出,FDM 和激光烧结可用于热成型模具,因为这些工艺生产的零件具有孔隙,可用于通过工具抽真空。

DMP 的 Walczak 同意 Wohlers 的观​​点,并指出尽管增材制造材料在​​机械性能和价格方面都在提高,但与大多数用于生产的工程材料相比仍相距甚远。“我们确实尝试过使用 SLS 制造模具,但事实证明该技术没有我们需要的那么强大,因此我们目前使用更传统的模具制造方法,通过加速流程在一两周内生产出生产工具,而不是典型的 10 到16周。”

另一方面,PTI 正在使用 Stratasys 的 FDM 工艺及其较新的 ABS Plus ( ABS /PC) 材料来制造其拉伸吹塑机中的模具零件。Miller 说:“这些是接触预成型件表面的变化部件,FDM 加快了我们的开发过程,而不是走典型的工具路线。”

DMP 和 PTI 都使用增材制造来制作原型。“快速将设计概念转化为实体模型,然后转化为物理零件的能力对于满足当今加速的产品开发时间表至关重要,”DMP Walczak 说道。DMP 在过去两年中拥有 SLA 5000 装置,并一直使用机械强度介于 PP 和 PC 之间的光聚合物。“SLA 样品可以以合理的成本快速、准确地制作。我们还通过与当地大学和行业合作伙伴的关系提供其他快速原型制作技术,例如 SLS、FDM 和 3D 打印。”

Walczak 看到了各种技术之间的权衡。他认为 SLA 在尺寸稳定性和翘曲方面更胜一筹。另一方面,“虽然 SLA 光聚合物的刚度更好,但它们的耐候性不如 SLS 材料。” DMP 还利用 SLS 或 FDM 来生产每年产量低于 1000 件的小批量小零件。

对于某些应用,PTI 采用 FDM 和 SLA 代替注塑和吹塑成型。米勒说:“我们根据我们的目标选择流程。例如,FDM 提供更低的材料成本和更快的构建时间。FDM 使您能够在一夜之间获得零件,而 SLA 流程通常需要几天时间。” 通过 FDM,PTI 使用 Stratasys 的 ABS 和 ABS/PC 生产数千种用于开发的零件,包括瓶子和其他功能组件。“我们制造的模型在质量上与商业注塑模型相当。在进行注塑成型之前,我们能够制造 FDM 适合和功能部件进行市场测试。我们并不是想取代注塑成型,只是为了加快开发过程。”

关于 SLA,Miller 指出,现在的光聚合物透明度足以制造用于汽车测试的透镜,但对于 PET 瓶原型来说还不够透明。“随着工艺和技术的微调,我们希望创建透明原型的能力将以经济高效的方式渗透到瓶子取样中。”

ThermoFab 是一家位于马萨诸塞州雪莉市的计算机、医疗和工业设备定制塑料外壳热成型商,最近使用 SLA 协助其一位客户对其产品进行了彻底的重新设计,从方角和金属外壳的复古外观到现代风格具有曲线、塑料和颜色的设计。当前的项目是打印机门盖。制造工程师 Lisa King 表示,该客户选择 ThermoFab 是因为它能够在 SLA 原型设计阶段提供协助,然后在四到七周内转向生产工具。“我们主要使用 SLA,并且在形状适合功能原型中看到了速度和完成度的改进,然后我们将其涂上颜色。” 金说。

3D 打印机更新
Stratasys 基于 FDM 的 Dimension 系列产品的最新成员是 uPrint 个人 3D 打印机,这是一款紧凑型桌面设备,占地面积 25 x 26 英寸,售价仅为 15,000 美元。它使用 ABS Plus(ABS/PC 合金)生产功能测试模型。
Objet Geometry 的 Alaris 30 是一款新型、价格较低的台式机(约 40,000 美元),结构紧凑(32 x 24.4 x 23 英寸),可以制作复杂、极其详细的模型,具有出色的表面效果,尺寸可达 11.6 x 7.7 x 5.9 英寸,或同时许多小零件。它采用与该公司的 Eden 系列相同的超薄 PolyJet 技术,可喷射 16 微米层的光聚合物。其两个打印头使用凝胶状 Vero White FullCure830 光聚合物,可提供 0.1 至 0.2 毫米的精度。四个墨盒可实现长达 36 小时的无人值守打印。
Objet 还在其高精度 3D 打印机 Eden 系列中添加了紧凑型 260V。这是第一台小型 Objet(34.3 x 29 x 47 英寸)打印机,可以支持该公司的所有专有材料。可提供72小时连续打印。
Objet 推出已有一年的 Connex 500 是第一台能够在一个构建周期内制造由具有不同物理特性的多种材料制成的零件和组件的 3D 打印机。它可以打印 600 x 900 dpi 的大型模型,公差为 0.3 毫米,使开发更接近于早期阶段实现最终产品,包括可行性测试和包覆成型工艺模拟。
Objet 的新型光聚合物包括 DurusWhite,据说它可以赋予 PP 乳白色的外观和触感,并且还可以模拟 PP 的抗疲劳性,以实现卡扣配合和活动铰链功能。一年前,该公司推出了 TangoPlus FullCure 930,这是一种半透明弹性体,断裂伸长率为 218%,是任何其他快速原型材料的两倍多。它的目标是垫圈、密封件、软管、运动鞋和玩具的原型。
Z Corp. 最近推出了市场上最大、自动化程度最高的多色 3D 打印机,声称其分辨率为其他设备的两倍多(600 x 540 dpi),速度提高了 5 到 10 倍。ZPrinter 650 的打印尺寸为 8 x 15 x 18 英寸,超过了两年前的型号 450(8 x 10 x 8 英寸)。它还拥有更好的分辨率、色彩和鲜艳度。
Z Corp. 仍然是唯一一家采用全光谱、24 位颜色和多个打印头同时进行多色打印的 3D 打印机制造商。它通过在标准青色、品红色、黄色和透明颜色中添加专用黑色打印头,提高了 650 型号的标准。(竞争的 3D 打印机一次只能打印一种颜色,需要对多色部件进行颜色更改。)
Z Corp. 的新材料包括 zp131 和 zp140 复合材料。前者是一种多用途材料,具有高分辨率和色彩精度,适用于非常坚固的配合和功能原型。另一种生产亮白色模型,只需喷洒自来水即可达到最终强度。

3D Systems 推出了 ProJet CPX 和 CP 3000 3D 打印机,它们利用其专有的多喷射建模技术,并结合了新的 VisiJet 蜡构建材料和可溶解蜡支撑。这些模型可产生 100% 的“真蜡”模型,其性能类似于失蜡铸造中的注射蜡模型。据称,CP 3000 对于一般铸造应用(如发动机、气动、航空航天和重型设备的中型到大型机械零件)来说是一种经济高效的选择。它具有 11.75 x 7.3 x 8 英寸的大构建体积和单通道打印头,可以构建单个大型或多个较小的图案。其零件堆叠和嵌套软件可以充分利用 Z 方向构建体积,实现更长时间的无人值守操作。
双模式 ProJet CPX 适合制作医疗器械和设备、机械零件、珠宝和收藏品的模型。其HD高清模式适用于高速、高清生产小型到大型零件,具有优异的表面光洁度;据称,其 XHD 超高清模式可为具有微铸造中常见的精致细节的零件提供 16 微米的层厚。

该公司已有一年历史的 ProJet HD3000 3D 打印机同样提供两种高清模式、大打印量以及特殊零件堆叠和嵌套功能。

正如我们上个月报道的那样,最近推出的两款 3D 打印机具有价格实惠和更广泛的建模选项,其中包括 V-Flash Desktop Modeler(9900 美元),这是该公司基于新胶片转移成像 (FIT) 技术的第一款产品;Pro-Jet SD 3000 使用 MJM 技术为概念开发和形状/配合测试提供具有异常光滑表面和微小特征细节的零件。它特别适合优质消费品包装、电子元件和医疗设备。

EnvisionTec 在过去四年中推出了两款基于 DLP 技术的较大型号 Perfactory 3D 打印机。据报道,Perfactory Xede 和 Xtreme 可以快速构建超大型 3D 零件,而无需牺牲表面质量和精度。构建尺寸范围从 Xtreme 的 15 x 12 x 15 英寸到 Xede 的 20 x 16 x 20 英寸。据称,基于这些单元的连续、“无层”Z 构建消除了其他竞争性基于层的技术中可见的零件分层。
这些装置可以使用模仿 ABS、PP 或玻璃填充尼龙的光聚合物材料创建从概念到全功能的模型。新推出的产品包括用于助听器等医疗设备制造的 6 类和 2 类生物相容性材料,以及用于高温塑料应用的纳米填充材料。例如,新型 Nanocure RC25 具有 400 F HDT,适合需要卓越刚度和耐热性的应用,例如汽车部件、泵壳和叶轮、风洞测试零件、光反射器和注塑模具。较新的材料还包括用于高精度、零收缩部件的环氧基光聚合物,以及用于牙科市场的 Edent 50% 玻璃复合材料。


激光烧结新闻
EOS 最近推出了 Eosint P 800,据说是世界上第一个用于激光烧结高性能聚合物的高温系统。迄今为止,熔化范围为 428 至 725 F 的工程树脂无法用于该工艺。P 800 基于其前身 P 730,使用两个 50W CO2 激光器,具有类似的构建体积,为 27.6 x 15 x 22.9 英寸。构建速度高达 1.38 英寸/小时,层厚度通常为 0.005 英寸。
该机器可以用高性能聚合物粉末生产部件,适用于需要阻燃、生物相容且易于消毒材料的航空航天、赛车和医疗应用。首批推出的材料之一是 PEEK HP3,该材料已用于生产商用飞机的风道。该材料的拉伸强度高达 95 MPa,杨氏模量高达 4400 MPa。这些值是目前主导激光烧结市场的尼龙 12 和 11 等材料的两倍。对于电气应用,树脂的连续使用温度约为 500 F;对于静态机械性能,树脂的连续使用温度约为 464 F;对于动态机械性能,树脂的连续使用温度约为 356 F。

EOS 的另一种新材料是 Prime Part DC,这是一种耐冲击尼龙 11,可以承受高机械负载和热负载。拉伸强度为48MPa,断裂伸长率为50%,耐燃料性。

3D Systems 最近推出了 DuraForm PP 100 Plastic,据称是第一种具有聚丙烯韧性和耐用性的 SLS 材料。据说这种聚丙烯可以为包装、医疗和汽车市场生产原型和最终用途零件。它具有出色的耐化学性,据说可以为活动铰链提供出色的疲劳寿命。


FDM新闻
Stratasys 的最新 FDM 材料和设备包括 Ultem 9085 聚醚酰亚胺(来自 Sabic Innovative Plastics),用于该公司的两台顶级增材制造机器 FDM 900mc 和 400mc。由于该树脂经过认证可用于商用飞机,因此用户可以绕过漫长的认证过程。固有阻燃材料的耐热性高达 320 F。

据去年 12 月报道,最近推出的其他材料包括用于 FDM 360mc 的 PC 和 PC/ABS 以及用于 FDM 400mc 的半透明 ABS 和医药级(USP VI 级)PC。

在硬件方面,去年夏天推出的 FDM 900mc 由于具有 3 x 2 x 3 英尺的更大构建尺寸能力以及高精度和可重复性,因此适合 DDM。平滑站是一种新的半自动化工艺,据说可以为 FDM ABS 零件提供相当于注塑成型的表面光洁度。该装置由两个室组成;第一个处理零件 15 到 30 秒以使外表面光滑。然后将部件移至第二个腔室,在部件从初始过程固化时将其固定在第二个腔室中。30 至 45 分钟后即可处理部件,并在 12 至 18 小时或更短的时间内完全固化。



SLA新闻
3D Systems 的新型 iPro 9000 和 8000 SLA 精密中心据说可以使用该公司的 Accura Plastics 光聚合物来生产超高清零件,这些光聚合物可模拟 PP、ABS、PC 和其他工程树脂。据称,这些设备生产的耐用零件具有前所未有的表面光滑度、特征分辨率、边缘清晰度和公差,可与数控加工塑料零件的精度相媲美。
iPro 9000 和 8000 配备 ProScan,这是一种专有的数字扫描系统,配备新的 SteadyPower 成像仪,据说可以比任何其他 SLA 系统更快的构建速度。构建信封范围最大为 59 x 30 x 22 英寸。

去年的新产品是 3D Systems 用于 SLA 的 Accura Greystone 灰色环氧纳米复合材料。它专为赛车和航空航天零件的风洞测试而设计,也可用于工具、汽车引擎盖下零件、电气绝缘组件以及夹具和固定装置。

DSM Somos 的专有 DMX-SL 100 光聚合物于两年前推出,据说可以为高耐用性应用提供前所未有的刚度和韧性组合。它具有标准 ABS 型树脂的刚度,但冲击强度是其两倍以上。该公司声称,Gardner 的影响比其他 SLA 和 3D 打印材料高出四倍。据报道,它的抗冲击性是 FDM ABS 或 PC 以及一些激光烧结尼龙的两倍。
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发表于 2023-7-9 12:24:33 | 显示全部楼层
这是什么东东啊
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发表于 2023-7-9 12:26:27 | 显示全部楼层
小手一抖,钱钱到手!
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发表于 2023-7-9 12:27:41 | 显示全部楼层
找到好贴不容易,我顶你了,谢了
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发表于 2023-7-9 13:00:53 | 显示全部楼层
谢谢楼主,共同发展
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发表于 2023-7-9 13:07:16 | 显示全部楼层
学习了,不错,讲的太有道理了
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发表于 2023-7-9 13:10:28 | 显示全部楼层
看帖回帖是美德!

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