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3D打印初学者


欢迎来到3D印刷业


3D打印世界有时有时是技术,材料和新工艺和功能的纠结网络,可以使驾驶3D打印生态系统困难。

3D打印没有’T参考一种制造或技术过程,因此圆满的理解需要深入研究所有可用的3D打印系统。

虽然它’我们并不完全易于捆绑30多年的制造方面进入一个简洁的文章,我们’在挑战上采取的挑战,因为我们希望帮助您了解如何,何时以及何时实施3D打印到您自己的业务运营或甚至日常生活中的方式。

3D打印如何工作?


3D打印:定义


3D打印是指从CAD数据中添加到层中的任何制造过程中的任何制造过程。

该技术很重要,因为它提供直接制造,意味着设计通过计算机和打印机直接从您到物理产品。让’s进一步下降。

3D打印从计算机辅助设计(CAD)软件导出的数字文件开始。一旦设计完成,就必须将其作为标准曲面图语言(STL)文件导出,这意味着该文件被转换为三角形表面和顶点。

然后stl文件必须切成百分之一–有时数千个–2-D层(图1)。


CAD文件层
Fig. 1

然后,3D打印机将2-D层读取为其在另一个顶层层叠的构件块,从而形成三维物体。所有设计文件,无论3D打印技术如何,都会在打印之前切成图层。

层厚度–切片设计的每个单层的大小–部分地通过技术,部分按材料确定,部分是所需的分辨率和项目时间表;较厚的层等同于更快的构建,更薄的层等于更精细的分辨率,更可见的层线,因此更少的密集后处理工作(图2)。


3D打印的视频游戏控制器与层线
Fig. 2

切片后,它面向构建。



方向


定向是指部分在3D打印构建平台上放置零件的方向和哪个方向。例如,部件可以以角度或躺线/稳定垂直定向。

类似于CNC加工,方向因子进入表面的结果和3D印刷部分的细节。 由于3D打印一次构建一个二进制层,所以各个线路就显示为零件上的罗纹表面。

向下面向表面通常透露更多的层线。某些构建方向对于弯曲或方形的特征更好,而微妙的功能需要特殊考虑。

具有更高的经线(或物质变形)的技术必须在建立方向期间占大型平坦表面。

考虑这些因素是关键的,因为部件如何定向,确定添加支持的位置– or needed – within the build. 支持是3D打印的一个巨大因素,可以影响3D印刷部分的材料表面处理和准确性。


3D打印带支持结构动画
Fig. 3


支持


大多数3D打印过程需要支持结构以充当“scaffolding”适用于可以的功能’T构建在露天上方,如悬垂,底切,孔,空腔等。

在需要支撑的情况下大部分取决于材料,构建过程(3D打印技术)和构建分辨率(层厚度)等因素。

支撑结构通常使用与最终构建相同或相似的材料制成,并且在模型固化之后被移除。

我们将深入了解为什么技术需要支持–哪些没有–一旦我们闯入单独的3D打印过程。



用坚果壳的3d打印


让’s Recap:3D打印,无论进程如何,将3D CAD文件切成2-D层,并将零件2-D层累积为2-D层。 3D打印很重要,因为它会改变我们对制造的方式。

We’详细说明为什么3D打印被视为下一节中制造的游戏更换器,包括3D打印如何通过成本,提前期和设计自由改变原型和生产。

3D打印的好处

3D印刷通过三个关键优势带来了一种革命性的制造方法:更短的交货时间,设计自由和降低成本。


交货时间


在今天’它的按需生态系统(以及星巴克在线订购,为此)’在3D打印之前,有点难以欣赏制造。

与在3D打印之前的原型设计相比,我们在过去三十年中接近原型设计的方式可能被视为奢侈品。

如今,3D打印早期设计和再打印它过夜是可行的,并且由于多射斑和立体刻录等快速原型设计或3D打印平台,可行且价格实惠。

3D打印一到两天的最终产品是可行的,具有多种3D打印技术,如激光烧结,融合沉积建模和直接金属激光烧结。

然而,在这些快速转向原型制作和生产制造过程之前,将一个想法带入契约和昂贵的过程,并且经常存在’T房间或时间经常重新原型或进行多种设计调整。


传统制造过程

让’看看一个相当常见的例子。倒退到1985年:你’在新产品上竞标设计工程师。它’一个梦想项目;你已经了解了这个设计。

你从哪里开始?首先,您前往绘图室(AutoCAD,最早的计算机辅助设计软件(CAD),只有两年–为贵公司尚未完全采用它)太早了。

您开发了设计,手绘细节,并通过尺子和铅笔仔细测量尺寸。一旦设计完成,您就会与您的模型商店或外部建模公司遇到。

该商店可以手动加工模型 - 增加功能和细节,具有艰苦的手工劳动和制造 - 或者商店可以创建原型工具并铸造塑料或金属部分,这将为您的项目添加2-4周。

您选择CNC加工。机器起草人帮助将您的设计转换为说明书,机器师可以用于构建零件,并且您的设计被手动翻译成用于通过行读取和执行代码行的计算机的冗长程序(称为RS-274或简单的G代码)。

当您弄清楚可以和可以的内容时,该设计进一步配置’T鉴于您的时间范围和制造过程的约束构建。到目前为止,已通过一个多月份,您的模型仍处于早期生产阶段。


带3D打印的制造部件

快进至2005年。您提供了在新产品上出价的机会。它’一个梦想项目;你’多年来,ve对设计进行了粗略的想法。

在搬到3D CAD之前,你起飞了一个粗略的草图,轻松插入维度并在3D软件中执行设计(您’重新建立CAD型号!)。

您将您的设计与项目负责人一起完成,将3D CAD文件上传到Stratasys直接制造,然后选择PolyJet原型。

下午,你’将您的物理模型显示给您的团队。他们立即指出了一个缺陷– hey, nobody’s perfect –你回到了3D绘图板。

几个原型稍后,你和你的团队着陆,是完美的模特。您订购了新的打印–这次,您需要它是功能和化妆品完成的。您可信赖的3D打印合作伙伴Stratasys Direct Manufacturing,打印在融合沉积建模中,将其遮住砂,并将其送回您所有人的五个工作日。

It’■自从您开始原型以来才有四周。它只花了你大约一个月,让你的最终想法进入竞标室。那’差异3D打印已经制作—从数周到几天。从“no, we can’t make that” to “yes, we can build it”.


3D打印的应用

今天,3D打印ISN’用于原型和模型。 3D打印包括:

  • 原型设计
  • 制造大型娱乐型号,用于从电影到培训人员在新实践中
  • 低批量生产和工具
  • 航空航天制造
  • 医疗设备解决方案
  • 以及更多

It’知道哪种技术对于哪种技术有益,以及何时使用一个。但是,涨潮只是3D打印解决方案拼图的一小部分。

也许最革命性的优势3D打印提供是其固有的设计自由。


设计自由


传统上,设计师和工程师们已经严重依赖制造过程来规定最终设计。

涉及CNC加工等传统制造过程具有对装配规则,可制造性和整体可行性的固有的严格限制。

在这些传统制造工艺的设计实践之外踩踏直接导致成本和劳动力增加。

然而,坚持过去的设计规则,不可避免地导致发育不良的创新增长。

添加剂制造或3D打印,已经打开了以前对设计者和工程师毫不莫大的门,因为它不起作用’T依靠与传统制造相同的设计和制造限制。

通过3D打印,自由流动,有机和复杂的设计无缝地执行,同时通过任何其他制造过程维持不可能的方式。

在下面的图像中,我们’使用称为激光烧结的3D打印过程建造了一些更美妙复杂的设计。涉及这些3D印刷设计,但零件可以内置在整合单元中。

试图为这样的机器零件非常昂贵甚至不可能。设计只有3D打印可以执行,而没有3D打印,他们就是简单’t be feasible.


用选择性激光烧结打印的部分3D
Fig. 4

使用激光烧结3D打印技术制造的部件
Fig. 5

用SLS 3D打印过程生产的部件
Fig. 6

 

从NASA直接的3D印刷设计自由的一个绝佳例子。

美国宇航局’S Marshall Space Flight Center能够改变以前包含150多个零件的部分,并通过3D打印将整个设计巩固为一个连续单位!

考虑了3D打印的设计自由“zero-cost”由于分层过程。

设计功能无缝集成在每个横截面内,因为部件构建,消除了对工具,劳动密集装配装配和减少时间和部分计数的需求,以产生显着的成本节约。



成本


3D印刷通过各种进步降低了制造/生产成本,可以将其融入三个关键优势:零工具,零成本复杂性,减少劳动力。

这三个优点最终导致更短的交货时间,这涉及节省成本。我们’在下面定义了这三个成本节省者以及3D打印如何完成它们。


1.零工具

在各种生产过程中需要工具,从丢失的蜡工具中进行投资铸造到注塑成型的钢铁工具。工具通常涉及加工设计的A和B侧。

工具设计必须考虑释放点等设计功能,实际上将模压部分从工具中取出;孔和角度,这可能变得难以考虑到工具可以’T具有浮动内部功能,无法连接到工具本身和功能可以’T抑制模塑部件的释放;和典型的功能,如墙壁厚度,通常可以’T变化,因为不同的壁厚可以在不同的时间硬化,这甚至在小规模上的效果零件的精度效果。

工具固有的许多设计和可制造性约束,这就是为什么3D打印是如此游戏更换器的原因。 3D打印从自下而上的零件构建零件’T需要任何工具来执行复杂的设计。

通过消除工具,3D印刷消除了建筑工具的成本和劳动力。此外,3D打印可用于更广泛的几何能力范围更广泛的设计–像室内浮动部分!


室内浮动零件的例子
Fig. 7


2.零成本复杂性

我们在上面部分介绍了这个想法,但它’值得重申。例如,通过工具或加工,例如实现内部浮动部分,需要大量的额外劳动力。

在工具和模制方面,它需要针脚和手动引脚提取,或者在加工方面的多重编码和重新定向方面。

总的来说,这种内部特征将是如此经济高昂的生产,它很可能不会被认为是最终的设计。由于3D打印,内部,无需无缝地执行任何访问功能,而无需增加劳动力,时间或设计Finagling。


3.减少劳动力

虽然3D打印需要手动劳动力去除构建支撑或光滑表面,但与传统过程相比,它在许多方面减少了手动劳动。

正如我们上面提到的那样,因为3D打印没有’T需要工具,能够显着减少与模具生产相关的劳动力。

3D打印还通过将多个部件组件固结成一个单位来减少劳动力。消除组装是一个巨大的成本节约。 3D打印进一步通过自动化减少劳动力。

为构建准备零件基本上是以一种手动交互为自动化,以完美的部分方向或支持创建。

与加工不同,这通常需要手动编程器执行机器一部分所需的代码行,3D打印软件自动创建线路信息以一次构建一层。



3D打印的未来


虽然有些人可能不同意3D打印是否真正革命性的制造,其成本,时间和劳动力减少在工业革命以来未见的情况下积极地改变生产景观。

It’在行业中,作为进一步的材料开发和过程控制,进一步自动化和完善3D打印以供成千上万更多的应用程序的愉快时间。

要查看企业在今天和将来在实践中实施3D打印的地方,下载我们的700名专业人士的行业报告。

3D打印工艺,技术和材料


多数


绰号:材料喷射,光固化,喷墨印刷


这个怎么运作:

想想像你的家用2-D纸打印机一样的多角形。

您的2-D彩色打印机将微小的颜色液滴放在纸上,形成单词和图像。

以类似的方式,PolyJet使用精细打印头喷嘴,将可光固化材料的液滴存放在层中,如16微米,以形成详细的3-D部件。

材料同时固化,因为它通过UV光沉积。 多数部件需要支持结构来构建悬垂特征和孔。

在没有支持结构的情况下,材料可以逃脱其预期的形式,从而导致不准确的墙壁,特征和其他细节。

多数支持材料是配制的单独组合物,以在用水喷射时从部件释放。 Polyjet等其他材料喷射技术使用蜡支撑件,其需要烤箱来熔化并移除。


Polyjet 3D打印机构建了一部分
图8–支持(白色)填写设计以使部件(蓝色)的特征免于转换。


材料:

多数依赖于光聚合物树脂。光聚合物或光固化材料具有许多不同种类的组合物,从柔性到刚性,透明到不透明。

Polyjet是两种3D打印技术之一,可以直接打印颜色成一部分,并且是唯一能够同时印刷多种材料的技术,在一部分中提供从刚性到柔韧的灰度。


用多种材料印刷的Polyjet解剖模型3D
图9.–该模型演示了PolyJet’在多种材料中打印的能力。不透明器官和透明机构同时构建,创造了独特的效果。


应用程序:

由于Polyjet使用UV能量来固化液体树脂,因此部件可以经过翘曲和改变颜色,随着延长的暴露于热量和光线,这意味着Polyjet零件不用于涉及崎岖使用的压力应用。

理想的PolyJet应用包括:用于冷或低温模具的主模式;展示模型;详细的原型,以及形式,适合和感觉模型。


为什么它’s Significant:

多数 3D打印是可商购的最快3D打印技术。 5个零件”立方体可以在短短2小时内打印。

在一个5之外”多维数据集,PolyJet变得更慢(请记住,喷嘴在沉积薄材料层的平台上来回移动,因此,喷嘴进一步行进,过程变得更慢。

多数在任何3D打印过程的最薄层中打印,这意味着光滑,详细部件的可见层线。

其速度,分辨率和负担性使其成为快速转动应用的理想,从主模式显示模型到早期设计原型。


Polyjet Velociraptor恐龙
图10.–看看这个(奇怪的毛茸茸的)Velociraptor上的那些皱纹!这些皱纹是PolyJet的简单细节。


立体刻录


绰号:增值税光聚合,光固化,SLA,SL


这个怎么运作:

立体光刻依赖于精确的UV激光通过层固化液体塑料层。

它的构建平台坐落在液体塑料浴缸上。 构建平台涂有薄薄的液体塑料层。

UV激光击中动态镜,该镜子直接向下穿过构建平台的UV能量,一次将液体塑料固化一次横截面。

在每层固化之后,构建平台在液体浴中缩回,同时再蒸发刀片均匀地将塑料分布在每个新层。

与PolyJet一样,立体镀层也需要构建支持。立体镀缩刻标料与最终部件相同。

与Polyjet不同,立体光刻部分在构建过程中没有完全治愈。在印刷期间,腔室内的树脂可以在某些部件特征中被捕获在部件或池中。

如果没有去除剩余的树脂,它将重新吸收到导致膨胀和设计失真的部件中。因此,在构建完成后,排出过量的树脂并除去支撑件。然后部分进入UV烤箱以完成固化。


立体缩影动画
图11.


材料:

立体刻度法使用可光固化塑料以白色,灰色和清晰地形成刚性,不透明和透明部件。立体镀层材料,可延长或改变颜色,长时间暴露在光线和热量下,aren’适合压力应用。


立体缩影投资铸造图案
图12.


应用程序:

立体镀层可能是最为罕见的,因为它具有较厚的外壳和蜂窝内部的大多数空心零件。中空立体光刻件最常见的应用是投资铸造图案.

用于立体刻录的其他常见应用包括:用于冷或低温模具的大型娱乐型号,原型和母图案。


为什么它’s Significant:

虽然立体刻录是用于透明,大而轻巧的图案和零件的原型设计和建模的主食’对生产应用的最重要贡献可能是其印刷大多数空洞轻量级投资铸造模式的能力。

立体刻度是传统投资铸造模式的替代方案。传统的投资铸造蜡模式可能需要数周才能建造,如果出现错误或设计修改,则必须刮伤并重新构建该工具。

相比之下,立体刻度不需要工具,并在一件中构建,消除了对多部分组装工作的需求。

投资铸造图案设计可以直接从设计师到打印机到铸造,而无需与丢失的蜡工程相关的时间和金钱的重大投资。



融合沉积建模


绰号:熔丝丝制造(FFF),长丝挤出,熔融丝沉积,材料沉积,FDM


这个怎么运作:

FDM.挤出通过层层通过喷嘴层加热热塑性塑料以形成零件。

FDM.使用多个喷嘴进行最终部件和支持材料。

在挤出每层后,构建平台向下移动到以下层。

FDM.可以沉积较厚或更薄的层,这又可以加速构建(较厚的层)或由于光滑的表面而减少手工整理时间(较薄的层)。

FDM.需要支持材料来构建可以的角度,悬垂和孔’t薄的空气。


材料:

FDM.材料可以是多种颜色的半透明,包括蓝色,红色,黄色,白色,黑色和棕褐色。 FDM.热塑性塑料包括远定和生物相容性的热塑性塑料,以及许多用于注射成型的热塑性塑料,如ABS和ASA。


应用程序:

FDM.通常用于建造飞机内部部件和管道,以及医疗,消费者,工业和运输原型和产品。


FDM.飞机管道
图13.


为什么它’s Significant:

FDM.采用相同的材​​料航空航天,医疗和工业部门依靠注塑成型,能够建立复杂的几何形状和与3D印刷相关的较低的材料消耗。

由于FDM通过图层构建层,因此可以将功能和多个组件组合成一个设计,最小化组装。底切,室内特征,附件配件无缝地纳入一部分。

FDM.对需要轻量级,强大和实惠的塑料零件的行业变得非常宝贵–无需硬刀或加工。



激光烧结


绰号:粉床融合,选择性激光烧结,LS,SLS


这个怎么运作:

激光烧结需要封闭的构建室通过层加热和保险丝部分。

激光烧结通过将其内部构建室加热至粉末塑料的熔点而开始。

CO2激光以确定的设计模式命中粉末,从而使特定区域使特定区域一次形成一层零件。

激光烧结是唯一完全没有添加支持结构的3D打印过程。

腔室内的未烧成粉末足够密集,以在其构建时支撑零件。


材料:

激光烧结利用尼龙11和12,原料并填充,以提供远级和生物相容性塑料。与激光烧结一起使用的填充尼龙是一种或两个材料的复合材料,包括玻璃,碳或铝。填充的尼龙可以提高刚性,强度,热偏转或竣工表面光洁度。


SLS复合部分
图14.


应用程序:

激光烧结是航空航天管道和类似崎岖,高温使用的最广泛使用的3D印刷塑料技术之一。它还用于汽车,医疗,消费,艺术和建筑领域,以实现成千上万的产品。


为什么它’s Significant:

激光烧结是最早的3D印刷过程之一,以便在最终用途部分生产中采用。它是通过航空航天管道生产的第一个乘坐天空的3D印刷技术之一。

激光烧结不会’T需要劳动力去除支持结构;粉末简单地从内部区域摇晃。因此,激光烧结能够产生真正的零成本复杂性。

它用于巩固棘手的管道应用,因为它可以在使用高温,耐化学材料的同时无缝地构建内部,无接入功能。

它采用轻质材料具有卓越的力量来提供燃料箱,副龙,控制表面以及许多其他关键的无人机功能。



直接金属激光烧结


绰号:金属3D印刷,添加剂金属制造,金属粉床融合


这个怎么运作:

DMLS.需要完全封闭的构建室。 将腔室加热至低于金属熔点的程度。

薄薄的粉末金属层沉积在清洁的构建平台上,并将设计融合到粉末中。

该过程重复,烧结层逐层。

虽然塑料激光烧结不需要支撑,但DMLS需要支撑结构,用于角度,孔和过悬的功能。

DMLS.需要支持结构,因为用于熔化金属的温度是指数级性高于用于熔化塑料的温度。

一旦金属粉末熔化,它就会比未烧成的粉末更密集,因此如果不支持,因此可以简单地落下粉末或从设计中脱落。

在后处理期间,将支撑件被加工,并实施砂簇,珠爆炸或其他表面处理以除去支撑残余物。

为避免使用DMLS的支持结构,我们有许多设计技巧’在我们的DMLS白皮书中概述:充分利用金属3D打印。


材料:

创建与DMLS兼容的粉状金属是一个巨大的市场,因此新的金属每隔几年都会突出。目前,DMLS提供钛,铝,镍,钴铬和不锈钢合金。


DMLS.部分
图15.


应用程序:

DMLS.是制造金属零件的替代方案,并且使用常规方法如加工或铸件生产不可能或成本越平。

DMLS.是一个钉书针,用于复杂的部件,需要涉及几何形状,并且对于难以访问特征或需要劳动密集型组件来完成的部件。

DMLS.构建合并,轻量级单位,可拆卸集装箱流程和唐’T需要工具或模具来实现。

DMLS.的常见应用包括医疗器械原型和产品,航空航天和能源单位以及零件以及定制部件的金属制造。


为什么它’s Significant:

DMLS.生产完全密集,巧妙设计的金属零件,无需工具。使用DMLS可能是不可能的内部特征。

该金属印刷过程采用发动机,下面或医用部件,并给予它直接制造解决方案。

在某些应用中,DMLS已将150份综合成2个复杂的单位,最终简化生产,降低制造时间和劳动力,并提高整体业务效率。

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