粉末床和喷墨头3D打印

粉末床和喷墨3D打印,被称为“粘合剂喷射”和“粉末滴落” – 或简称为“3D打印”(3DP) – 是一种快速原型制作和增材制造技术,用于制作由数字数据描述的物体,如一个CAD文件。

历史
该技术最初于1993年在麻省理工学院开发,1995年Z Corporation获得了独家许可。术语“三维印刷”是商标。

描述
与许多其他增材制造工艺一样,要印刷的零件是由3D模型的许多薄横截面构建的。喷墨印刷头移过粉末床,选择性地沉积液体粘合材料。将一薄层粉末铺展在完成的部分上,重复该过程,每层粘附在最后一层上。

当模型完成时,在称为“去粉化”的过程中自动和/或手动移除未结合的粉末,并且可以在一定程度上重复使用。

去粉末部分可任选地经受各种渗透剂或其他处理以产生最终部件中所需的性质。

技术
在3D打印中,工件是逐层构建的。 3D数据(例如CAD数据)用于计算要为每个单独层生成的几何形状。在3D打印中,将粉末或颗粒层施加到高度可调节的桌子上,并通过粘合剂在属于工件的点处胶合。这类似于传统的喷墨打印机,使用打印头,其使用粘合剂代替墨水。随后,将工作台降低一层厚度并施加新的粉末层。重复这一过程,直到工件完全形成,然后被周围的粉末完全隐藏。此后,将上清粉返回进一步使用,从打印机中取出工件并除去粉末残留物。

因此,工艺原理类似于选择性激光熔化,其中金属粉末通过激光局部熔化。

物料
在最初的实施方案中,淀粉和石膏灰泥填充粉末床,液体“粘合剂”主要是水以激活灰泥。粘合剂还包括染料(用于彩色印刷),以及调节粘度,表面张力和沸点以匹配印刷头规格的添加剂。得到的石膏部件通常缺乏“生坯强度”,并且需要在常规处理之前通过熔化的蜡,氰基丙烯酸酯胶,环氧树脂等渗透。

虽然不一定采用传统的喷墨技术,但可以采用各种其他粉末 – 粘合剂组合以通过化学或机械方式形成物体。然后可以对所得部件进行不同的后处理方案,例如渗透或烘烤。例如,这可以通过消除机械粘合剂(例如,通过燃烧)和固结芯材料(例如,通过熔化),或形成混合粉末和粘合剂的性质的复合材料来完成。根据材料的不同,全彩色打印可能是也可能不是。截至2014年,发明者和制造商已开发出用于形成砂和碳酸钙(形成合成大理石),丙烯酸粉末和氰基丙烯酸酯,陶瓷粉末和液体粘合剂,糖和水(用于制作糖果)等物体的系统。第一种结合使用石墨烯的市售产品是用于粉末床喷墨头3D打印的粉末复合物。

3D打印技术在单个构建中具有改变材料特性的有限潜力,但通常受到使用共同芯材料的限制。在最初的Z Corporation系统中,横截面通常印有实线轮廓(形成实心外壳)和较低密度的内部图案,以加速印刷并确保部件固化时的尺寸稳定性。

特点
除了通过使用多个打印头和彩色粘合剂的体积颜色之外,3D打印过程通常比其他增材制造技术更快,例如熔融沉积造型材料喷射,其需要100%的构建和支撑材料以所需的分辨率沉积。在3D打印中,无论复杂程度如何,每个印刷层的大部分都通过相同的快速扩散过程沉积。

与其他粉末床技术一样,通常不需要支撑结构,因为松散粉末支撑悬垂特征和堆叠或悬挂物体。消除印刷支撑结构可以减少构建时间和材料使用,并简化设备和后处理。然而,除粉本身可能是一项微妙,混乱和耗时的任务。因此,一些机器在可行的程度上使脱粉和粉末再循环自动化。由于整个构建体积填充有粉末,如同立体平版印刷术一样,必须在设计中容纳抽空中空部件的装置。

与其他粉末床工艺一样,表面光洁度和精度,物体密度以及 – 取决于材料和工艺部件强度可能不如立体光刻(SLA)或选择性激光烧结(SLS)等技术。虽然“阶梯式”和不对称尺寸特性是3D打印的特征,但是大多数其他分层制造工艺,3D打印材料通常以最小化垂直和平面内分辨率之间的差异的方式合并。该过程还有助于在目标分辨率下对图层进行光栅化,这是一个可以容纳交叉实体和其他数据工件的快速过程。

粉末床和喷墨3D打印机的价格通常在50,000美元到2,000,000美元之间,但是有一个爱好者DIY套装,售价800美元,用于将消费者FDM打印机转换为粉末/喷墨打印机。

的优点和缺点
理论上,所有材料都可以使用,只要它们可以粘合到粘合剂上即可。特别是,可以加工食品或温度敏感物质如药物。此外,可以在单个工件内使用不同的粘合剂来产生具有不同机械性能的区域。作为粘合剂,可以使用多种物质。例如,那些基于水,合成树脂或活细胞的那些。原则上,粉末在每一层中不必相同。

此外,在Binder Jetting中,类似于激光烧结,不需要支撑材料,因为工件在生产过程中由粉末承载。

然而,3D打印不提供非常强的工件。特别是当使用金属作为材料时,必须随后将工件从粘合剂中取出并烧结以确保足够的强度。这会导致收缩,因此最终的几何形状很难提前设置,但这基本上可以通过足够的经验进行管理。