3D打印简介

了解 3D 打印的基础知识,包括 3D 打印作为通用技术的优缺点及其适当的用例。我们还将讨论四种不同的 3D 打印技术。

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3D 打印的优点

最低的设置成本

使用 3D 打印的主要优点是没有设置成本和制造时间。

如果您使用其他技术,如注塑成型、机加工、钣金折叠等,您将需要相当大的设置成本,因为您需要拥有必要的设备和工具才能进行制造。

使用 3D 打印,您所要做的基本上就是将3D 模型设计文件 (.stl) 输入所谓的切片器软件,然后从那里输入您的 3D 打印机。在某些情况下,这个过程可能需要不到五分钟的时间。

设备负担能力

3D 打印设备的可负担性是另一个积极因素,因为可以以不到 1,000 美元的价格购买到高质量的 3D 打印机。

与大多数现代制造设备的数万或数十万美元相比。

设计灵活性

另一个鲜为人知的优势是设计的灵活性。对于注塑成型,您可以制作什么样的设计有很多限制。

使用 3D 打印,事情变得更加灵活。肯定有一些注意事项,我们稍后会讨论。但总的来说,您基本上可以 3D 打印您可以想象的任何形状。

主要的警告是,如果设计没有针对 3D 打印进行适当优化,那么之后您将需要做更多的工作来移除支撑。

任何具有悬垂区域的设计区域都需要物理支撑,这样它们就不会在打印过程中坍塌。

但总的来说,它是一种非常灵活的技术,可以让您将几乎任何您能想象到的东西变成现实。

减少浪费

最后一个优势,虽然对每个人来说可能不是一个重要的考虑因素,但对于当今时代的许多初创公司来说将很重要。这一优势在于 3D 打印产生的废物比其他塑料制造工艺要少得多。

对于大多数其他制造技术,您要么从一大块用于加工的材料(例如,预先存在的板材)开始,要么从用于注塑成型的大量液态塑料开始。

在所有这些情况下,生产过程中都会产生一定数量的材料浪费。这是机械加工的一个特殊问题。

在 3D 打印的情况下,基本上没有塑料浪费,特别是如果您可以优化打印以最小化您使用的支撑数量。

这意味着您使用的所有塑料都直接合并到您的最终零件中。这是 3D 打印材料的一个常见卖点,它与致力于减少塑料浪费的公司产生了共鸣。

3D 打印的缺点

难以扩大生产

3D打印的主要问题是扩大生产难度大且成本高。

如果一个零件需要一小时打印,两个零件将需要两个小时打印,等等。所需的人力、时间和金钱往往与您正在构建的零件数量成正比。

使用 3D 打印几乎没有规模经济。这意味着对于大批量生产,与其他制造方法相比,3D 打印变得越来越不经济。

此外,一旦复杂性增加,无论是零件的复杂性还是所涉及材料的复杂性,成本都会迅速上升。

具有多个部件的设计将需要对每个部件进行单独的打印,然后进行组装,而一些复杂的材料可能需要额外的技术,例如加热外壳,或对 ABS 进行特殊的丙酮蒸气后处理等。

与可能非常便宜的最基本的 3D 打印相比,所有这些都会迅速提高价格。

缺乏准确性

使用 3D 打印时的另一个主要问题是它不是很准确。大多数 3D 打印机,特别是在 FDM 领域,只能精确到大约半毫米。

使用某些 SLA 打印机,您可以将其降低到四分之一毫米,这会更好,但它仍然无法与您从机加工或注塑成型中获得的精度相提并论。

例如,如果你想创建带有滑动或互锁部件的机械装置,3D 打印就会出现问题。像这样的 3D 打印零件将要求您设计零件以使其能够正常工作,而不管公差是否很大。

在组装所有零件时,所有这些都会造成一定程度的不准确性,因为只有几分之一毫米会影响功能。

表面质量差

与其他方法相比,零件的表面质量将有所欠缺。通常,3D 打印部件的视觉渲染——除了一些技术,如 SLS 和 SLA——将不如您通过注塑或机械加工获得的效果。

有限的零件尺寸

最后,3D 打印的一个常见问题是 3D 打印机打印区域的大小有限。大多数 3D 打印机——您可以以可承受的价格获得的那种——将被限制在最大一立方英尺,即大约 30 x 30 x 30 厘米。

一些较大的印刷品需要重型工业设备,每台机器的成本可能高达数十万美元。

对于大多数便宜的 3D 打印,您将被限制在一立方英尺的区域内,这对于较大的产品可能会出现问题。

它们仍然可以打印为单独的部件,组装在一起形成一个整体,尽管正如我所提到的,3D 打印设计的不准确性意味着组装可能非常复杂。

3D 打印用例

考虑到我们所讨论的一切,3D 打印的逻辑用例是用于原型设计或小型测试运行。

一般来说,3D 打印最适合生产少于 100 个零件。

这种原型制作过程的一个特别有趣的应用是能够非常快速地测试您的零件。您可以设计一个零件,如果您不确定它是否足够厚或是否足够坚固等等,您不必经过模拟和复杂的计算机算法,您可以简单地打印您的零件并直接对其进行测试。

然后,您可以根据结果修改模型。

这导致了另一个可能的用例,即当您生产的产品中不同的项目基本相同,但只有细微的差别。这在当今人们想要定制和独特产品的市场中变得越来越普遍。

例如,我过去曾在定制的自行车座椅上工作过,这些座椅根据用户后部的扫描而符合人体工程学。

当您进行此类轻微修改时,3D 打印非常合适,因为您不必像注塑成型那样修改或重新加工整个模具。

您可以只修改 3D 文件,然后像其他任何文件一样将其发送到打印机。对于这种类型的应用程序,它非常有效。

常见的 3D 打印技术

现在让我们看看四种最常见的 3D 打印技术:FDM、SLS、SLA 和喷射,并比较它们的优缺点和用例,以便您找出最适合您要求的一种。

FDM(熔融沉积建模)

迄今为止,最常见的 3D 打印技术是 FDM。当灯丝被推过打印机的热端时,FDM 打印机就会工作。这一次打印一行塑料。该产品是由一层层塑料层层叠而成。

如有必要,打印机将添加支撑材料,这些支撑材料是塑料的一部分,以支撑悬停或悬挂在空隙上方的任何上层。

图表描述自动生成

显示 FDM 打印过程的插图

使用 FDM 技术的主要优势在于它是迄今为止最常见的 3D 打印技术。

这主要是因为打印机非常便宜且易于使用。它也是一种相当简单的技术,只需最少的技能即可使用,但它可以产生一些令人印象深刻的结果。

由于它是最常见的技术,它也变得极其多样化。可用的 3D 打印机种类繁多,其中一些具有不同的技术,例如多头打印,它允许您在同一台打印机上打印多种材料。

FDM 打印机还可以使用多种灯丝,这意味着单个打印机可以在实践中创建具有非常不同特性的部件。

FDM 印刷品总体上也非常坚韧。根据打印的密度,与其他技术相比,它们可以非常有弹性,这使其成为机械工作的不错选择。

FDM 打印的缺点之一是在大多数情况下,它会非常不准确。大多数打印机使用 0.4 毫米的打印头,这基本上意味着 0.4 毫米是您在任何零件上获得的最佳精度。

这意味着,如果您有几个必须相互移动的部件,那么制作联锁或协同工作的机械系统可能会相当棘手。卡扣配合是一种常见情况,其中缺乏准确性可能是一个真正的问题。

这也意味着与其他技术(尤其是注塑技术)相比,表面外观并不总是最佳的。

可能影响某些部分的另一个问题是打印的各向异性性质。这只是意味着它根据方向具有不同的强度特性。

由于它们是由重叠的层构成的,因此沿这些层的零件要脆弱得多,这意味着零件在水平方向上比在垂直方向上更容易断裂。

如果零件有一些薄的部分,那可能是有问题的。在某些情况下,厚度小于一毫米的零件很容易用手折断。

最后一个主要缺点是 FDM 打印的热行为。

所有使用的材料都必须易于通过打印头熔合,这意味着所有这些材料都需要具有相当低的耐热性。这将根据具体材料而有所不同。

那些电阻最低的材料,例如 PLA,可能在低至 70 摄氏度(158 华氏度)的温度下开始引起问题。最好的材料——例如 ASA、尼龙等——可以达到 120 摄氏度(248 华氏度)左右,但很少超过这个值。

这意味着这些部件不适合在特别炎热的环境中使用。对于一些更脆弱的材料,即使在热浪中将它们留在阳光下也足以让它们开始翘曲和变形。请记住,在阳光明媚的日子里,车内的温度会迅速攀升。

FDM 打印不会产生非常高质量的外观,也不是非常准确。但它便宜且易于使用,并提供了很多可能性。

它的最佳用例是外观不是您优先考虑的机械原型。

如果您想快速轻松地制作便宜的原型,或者如果您的设计简单但不太详细,FDM 绝对是适合您的技术。在所有可用的 3D 打印技术中,它是迄今为止最便宜和最容易掌握的。

SLS(选择性激光烧结)

质量/价格等级的另一端是 SLS。该技术通过使用激光固化该层的选定部分来打印一层粉末。

然后在顶部添加一层新的粉末,再次激光,然后重复。然后逐层构建您的零件。

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显示 SLS 打印过程的插图

与 FDM 打印相比的不同之处在于,您一次打印一整层,而不是一次打印一行,并且您将材料直接熔化到打印床上,而不是将其推到打印床上.

这个过程意味着设计比 FDM 更加灵活,因为您不需要支持材料。所有未烧结的粉末都起到支撑作用,然后被移除并在以后重复使用。

SLS 打印件坚韧且非各向异性,因此与 FDM 打印件相比,它们不太可能断裂。

虽然零件的外观在任何方面都没有光泽或光滑,但它会产生均匀的、略带沙粒感的表面,在零件的任何地方都是一样的,没有可见的层,精度非常好。

所有这一切都意味着 SLS 打印的部件看起来不错并且结构坚固。

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最后,一些专业的 SLS 打印机甚至可以通过使用微小金属颗粒床并用强激光熔化它们来打印金属。因此,SLS 相对于 FDM 打印的优势在于更大的灵活性、更好的质量和更高的韧性。

就缺点而言,SLS 非常慢。使用 SLS 打印所需的时间是使用 FDM 打印的两到三倍。

此外,设备和材料都比 FDM 打印昂贵得多。与 FDM 打印的低端相比,您通常可以预期使用 SLS 的花费要多 5 到 10 倍。

由于这些机器的可访问性要少得多,因此使用它们的自由职业者并不多。这意味着市场上的竞争较少,您通常必须与收费较高的成熟公司合作。

由于打印速度较慢且价格较高,SLS 通常不像 FDM 那样适合早期原型制作。

但是,如果您要小批量的高品质零件,其中韧性和外观很重要,但数量不是太大,那么 SL​​S 绝对是合适的。

使用 SLS,您的零件会更昂贵,但它们会比 FDM 打印的零件看起来更好且更坚固。

SLA 和 DLP

比 SLS 更常见但不如 FDM 常见的是树脂印刷技术,其中包括 SLA(立体光刻)和 DLP(数字光处理)。

这两种技术使用相同的过程:你有一个液态树脂床,在那个床下面,有一个透明板。然后,将激光照射到床的特定部分,以聚合和固化床内的树脂。

打印床不是位于打印件下方,而是位于打印件上方,并将随着打印的进行而升高。

它从底部位置开始,材料直接在打印床上固化,然后打印机将升起,材料在打印出来时将在打印件下方一层一层固化。

SLA 打印机很容易获得 —— 不如 FDM 那么多,但它们仍然可以被业余爱好者使用,因此已经在市场上广泛传播。

SLA 打印机也很便宜。与 FDM 相比,它们具有出色的外观和高水平的细节。

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这些通常是您将获得的最优质的打印件。它们可以非常准确地制作出栩栩如生的人物特征、小雕像和小细节。

SLA 打印的主要问题是它们非常脆弱。如果您不小心,大多数 SLA 打印件很容易用手抓拍,因此这严重限制了它们在任何类型的机械或工业环境中的使用。

此外,这些零件需要大量的后处理,因为当零件从液体中出来时,必须打印很多支撑物,以便液体可以继续扩散并保持在印刷零件的不同位上。

这意味着移除这些支撑涉及大量的人工工作。

然后固化的树脂需要几轮不同的处理才能完全发挥作用。这意味着您不仅需要一台 3D 打印机,而且之后还需要多台固化设备,这提高了这项技术的价格。

树脂印刷的最佳用例是装饰部件,因为它们很漂亮,并且使用各种可能的材料和外观具有漂亮的光泽表面。

它通常用于制作小雕像和各种详细的建模工作,例如当您尝试制作小型建筑物模型时。

对于这些应用,您可以从 SLA 中获得出色的结果,但您绝对不能在任何类型的机械或工业环境中使用 SLA 打印部件。

喷射

我要介绍的最后一种技术比已经讨论过的其他方法不太常见,称为材料喷射。

它的工作原理基本上与您通常的纸质打印机一样,但它会在彼此之上打印几层。

你基本上有一个由两部分组成的打印头。第一部分将一层材料逐层喷射到零件上。之后,一个微小的激光发射器将在机器运行时固化材料。

您可以将其视为类固醇上的 SLA。它具有与 SLA 相同的所有优点,但速度更快。事实上,它是可用的最快的技术之一。

但它也具有 SLA 的所有缺点,同时也不太常见且更昂贵。

用例与 SLA 相同 – 装饰部件和演示部件 – 但您可以承受更大的运行,因为它不像 SLA 那样需要大量人力,而且运行速度要快得多。

您可以使用这种喷射技术进行大中型运行,并且生产 100 到 1,000 个零件是可行的。

结论

3D 打印是一个快速发展的领域,因此一直有新技术出现。我刚才讨论的一些技术在三四年前甚至都不存在。

预计新技术会定期出现在市场上。当一项技术还很年轻时,通常与之相关的打印机价格昂贵且难以获得,但这是正常的。

SLS 目前正在相当快地进行此过程。FDM 和 SLA 已经是市场上的先行者并且相当发达,但请密切关注该领域的未来技术和新发展。