3D打印的最终用途生产
分析增材技术正在重新定义3D打印作为最终用途的制造方法
3d打印生产部件的案例
定义…的意思生产是重要的第一步。在典型的制造场景中，生产原型部件用于形状、配合和一些功能测试，然后进行CNC加工或注塑，直到数量足够高，值得投资大规模生产模具。生产3D打印捷径的过程。根据零件及其预期用途，通常可以打印出性能与传统生产的零件一样好(在某些情况下更好)的零件，并且这样做的成本效益足够低，从而延迟甚至不必要的下游投资。
一个值得注意的例子是通用航空该公司在LEAP发动机上使用了3d打印燃料喷嘴，此举每年为每架飞机节省了约300万美元。在医疗领域强生公司是众多使用3D打印定制手术工具和患者特定植入物的供应商之一，为患者和外科医生提供了更好的结果。Oreck利用3D打印将其真空吸尘器组装托盘的成本降低了65%。音频制造商Soundz使用它将推特烤架的交货时间从几个月缩短到几天。宝马使用它可以将手持装配工具的重量减少72%。如果没有3D打印，所有这些零件都需要漫长、昂贵的加工或注塑操作来生产。beplay体育下载ios
当然，3D打印在大多数应用中无法与大批量生产方法竞争，而且在未来一段时间内可能也不会。然而，值得注意的是，这些公司以及成千上万的其他公司都愿意接受增材制造技术，这是一种生产精密部件的有效方法，在制造最终用途的生产部件时，它们通常与机械加工或注塑成型的同类产品一样有能力。
3D打印技术比较
这在很大程度上是由少数3D打印技术实现的，所有这些技术都可以根据它们可以使用的材料类型进行分组。下面是它们的简要概述。
塑料的生产
bepaly下载app 是一种粉末床印刷技术。它使用激光融合微小的尼龙粉末，一层一层地描摹出数字化切割的CAD模型的几何形状，并从零件的底部向上工作。在每一层完成后，辊子将新材料铺在床的顶部，该过程继续进行，直到部分(或多部分组装)完成。在快速刷去多余的粉末和轻珠爆破后，零件就准备好最终使用了;虽然一系列的精加工工艺是可能的。由于尼龙是一种耐用的多用途材料，并且由于加热粉末床的整个体积都可以用来制造零件，因此SLS是许多设计师的最爱，用于小批量生产最终用途的机械部件和商业产品。
多射流聚变(MJF)是惠普公司推出的一项相对较新的3D打印技术。与SLS相似的是，它使用粉末床，目前仅限于尼龙聚合物，尽管随着技术的进步，几乎可以肯定会有更多的材料可用。不需要支撑材料，后处理最少，整个打印室都可以用来构建零件。然而，MJF使用喷墨阵列在打印层上沉积融合剂和细化剂，并使用红外加热元件来融合它们，而不是激光。与SLS相比，成品部件提供了更一致的各向同性完整性，并且由于整个床层都覆盖在每次打印过程中(类似于激光喷射打印机)，构建速度取决于构建一个部件或一批部件所需的层数，而不是表面积。
熔融沉积模型(FDM)使用一种类似鱼线卷的加热热塑性塑料丝，将其沉积在超细的并排珠子中。在这里，部件也是一次一层地构建，从底部开始。FDM在构建过程中打印自己的脚手架来支持工件，但一旦零件从打印机中取出，这些结构很容易溶解在洗涤剂和水中，之后零件就可以使用了。有各种商业级材料，如ABS、尼龙、聚碳酸酯和PEI (Ultem)可用，FDM可以在单个构建中打印多种颜色甚至多个部件。
碳是3D打印领域的新手，从上到下进行构建。它还使用一种称为CLIP(连续液体界面生产)的专有技术来制造“无层”零件，该技术将连续序列的零件图像投射到可紫外线固化的树脂浴中，并在一次流体运动中“生长”零件。完成后，零件被清洗，然后在烤箱中烘烤，引发化学反应，增强和固化树脂。构建速度大大快于竞争过程(有人说100倍的立体平版印刷)。此外，用于固化树脂的紫外光是可编程的，允许用户实时调整材料属性。例如，Carbon的类聚氨酯聚合物家族可以像聚丙烯一样柔韧，像ABS一样刚性，或者像热塑性烯烃(TPO)一样具有弹性。由此产生的零件可用于生产应用，从弹簧和垫圈到牙科植入物和制造夹具。
金属生产
直接金属激光烧结(DMLS)是另一种粉末床印刷技术。它使用激光将铝、钴铬、不锈钢、钛和其他粉末合金熔合成完全致密的金属部件，从下往上一层一层地“拉”它们。由于在极端温度下(快速加热和冷却)所产生的应力，在建造过程中需要支撑结构来防止零件弯曲或翘曲。完成后，必须对零件进行热处理以去除残余应力，之后可以通过机械加工或手工磨削去除支架。前面提到的GE燃料喷嘴是使用DMLS制造的，还有一系列同样复杂的航空航天和最终用途的医疗部件。
桌面金属(DM)是3D打印领域的另一个新人，并提供两种截然不同，但互补的金属打印技术。两者都拥有比基于激光的金属打印机更快的构建速度，以及更广泛的合金阵列，并面向更高的产量。这两个系统是:
- 的工作室系统采用一种类似于FDM的工艺，加热，然后挤压由粉末金属与聚合物粘合剂混合制成的棒材。完成后，将绿色部分放入溶剂中进行“脱脂”，去除一部分聚合物，并为接下来进入2500度的熔炉准备现在的“棕色”部分。这将单个金属颗粒以类似于金属注射成型(MIM)的方式相互融合。beplay体育下载ios其结果是，该部件的密度几乎与激光熔接的部件相同，但没有伴随的热效应(或需要构建支撑)，并且适合大多数最终用途应用。
- 的生产系统目前正在beta测试中，直到2018年底才会发布。它的部件将与那些用工作室系统打印的部件具有许多相同的属性，除了它使用了一种被称为单次喷射(SPJ)的过程，并承诺更快的构建速度。无需脱脂，褐色零件可直接进入烧结炉。它还提供了构建室的完整“嵌套”，这意味着可以在单个打印作业中构建许多部件。而且，与工作室系统一样，支撑结构很容易移除——不需要二次处理，除非要求比打印机提供的精度更高或更精细的表面处理——这在生产环境中是一个优势。
每种3D打印技术都有自己的一套规则，包括设计指南、精度和零件尺寸考虑因素、表面光洁度和分辨率、材料选择、机械性能等等。那些考虑将3D打印用于最终用途生产，或作为传统小批量制造的替代品的人，应该仔细研究每种技术，从可用的材料开始，然后是部件成本和功能。当然，任何3D打印项目的成功在很大程度上取决于部件设计，甚至比注塑或机械加工部件更重要。
这里是一个比较图表，尽管在对项目做出任何最终决定之前，所有的规格都应该与特定的技术供应商或3D打印合作伙伴进行验证:
| 可用的材料 | Max。部分尺寸 | 最小特征尺寸 | 层厚度 | 预期的宽容 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 直接金属激光烧结 | 许多常用的金属和高温合金 | 9.68英寸。X 9.68英寸。X 10.8英寸。(245.87毫米x245.87毫米x274.32毫米) | 0.006英寸。(0.152毫米)高分辨率。模式 | 0.0008英寸。(0.02毫米)高分辨率。模式 | ±0.003英寸。(0.076毫米) |
| 桌面金属工作室 | 200+金属合金 | 10。X 6.7英寸。X 6.7英寸。(255mm x 170mm x 170mm)后缩 | N/A | 0.0012英寸。(0.05毫米) | N/A |
| 桌面金属生产 | 200+金属合金 | 13。x13英寸。x13英寸。(330毫米x 330毫米x 330毫米)建筑面积 | N/A | N/A | N/A |
| 选择性激光烧结 | 仿尼龙PA850, PA650，填充尼龙，TPU | 19。X 19英寸。x22英寸。(482mm x482mm x558mm) | 0.030英寸。(0.76毫米) | 0.004英寸。(0.102毫米) | ±0.003英寸。(0.076mm)加上0.001英寸/英寸。 |
| 熔融沉积建模 | 类似ABS，尼龙，PC, PPSF, Ultem等 | 36。X 24英寸。x36英寸。 (914.4毫米x609.6毫米x914.4毫米) |
0.019英寸。(0.48毫米) | 0.007英寸。(0.178毫米)至0.020英寸。(0.508mm)，视材料而定 | ±0.0035英寸。或+/-0.0015英寸。每。(+/- 0.089毫米或+/- 0.0015毫米每毫米)，以较大者为准 |
| 多射流融合 | 仿尼龙PA650(尼龙12) | 11.1英寸。X 14.9英寸。X 14.9英寸。(284mm x380mm x380mm) | 0.020英寸。(0.5毫米) | 0.003英寸。(0.076毫米) | ±0.004英寸。(0.102毫米)加上0.001英寸/英寸。 |
碳 |
类似ABS，聚丙烯，TPO，玻璃填充尼龙，SLA树脂 | 7.4英寸。X 4.6英寸。X 12.8英寸。(189mm x118 mm x326 mm) | 因材料不同而异，但为0.004英寸。(0.1毫米) | N/A | 取决于材料和零件几何形状，但假设0.2% +/- 0.01英寸。(0.3mm)特征尺寸 |
使金属
正如通用电气通过其3d打印燃料喷嘴清楚地证明的那样，DMLS非常有能力生产高质量的金属终端生产部件，即使是大批量生产。此外，在Desktop Metal到来之前，DMLS和类似的基于激光的打印技术是唯一的技术。不幸的是，DMLS确实有一些缺点。这种机器很昂贵——在一个系统上花费100万美元或更多并不罕见——所以产品开发人员、设计师和工程师通常使用小批量零件供应商，而不是内部3D打印。由于dmls打印部件需要支撑结构，因此需要到机械车间或磨削部门进行打印后拆卸。热处理也是如此，以减轻印刷过程中产生的压力。尽管如此，航空航天和医疗公司都以十年前很少有人认为可能的方式接受了DMLS。生产的部件处于3d打印成本范围的高端，但这很容易被更低的组装部件数量、更轻的重量但更强的产品所抵消，以及以前从未有过的“不可制造”部件设计。
这就是桌面金属(DM)的用武之地。无论采用何种平台，该工艺在性能和产品完整性方面都与已有数十年历史的金属注射成型(MIM)工艺相似。beplay体育下载ios最大的区别是DM不需要像MIM这样的模具或其他工具。这增加了灵活性，缩短了交货时间，并且对于较低的零件数量(例如低于1000件，取决于零件的复杂性)，降低了零件成本。DM的工作室机器是DMLS系统的一小部分，而且DM的生产打印机预计也要便宜得多。当你考虑到据称加速的打印速度和在构建过程中不需要支撑结构的事实时，Desktop Metal有很大的潜力颠覆金属3D打印行业。
然而，DM零件在固化过程中收缩(尽管是可预测的)。基于零件的几何形状和材料，这可以说意味着它们永远不会像DMLS零件那样准确。此外，与DMLS一起使用的金属也花了很多年才通过飞机和人体使用的检测。由于DM利用了与MIM相同的金属，因此认证之路应该短得多，但仍然必须走下去。在加入Desktop Metal潮流之前，部件设计师必须考虑所有这些因素。
聚合物的潜力
类似的论点可以用来支持和反对各种基于聚合物的3D打印技术。例如，SLS生产非常精确的部件，具有良好的功能，不需要构建支撑，但仅限于尼龙类材料和TPU(热塑性聚氨酯)。MJF更精确(除了非常小的部分特征)，速度更快，具有更一致的各向同性(z轴)强度，但提供的材料选择更少(目前只提供未填充的尼龙12)。这两种工艺也允许填充整个构建室，这是需要大量零件的一个重要点。无论哪种方式，如果你正在寻找尼龙可以做的生产部件(它涵盖了许多要求)，这两种技术都是可靠的选择。
FDM机器提供比SLS和MJF加起来更多的材料选择。然而，它不是很准确，表面完成有点“细”，使它牢牢地在原型和小批量零件制造领域(尽管它仍然是尺寸之王，建造室大到足以容纳一个手提箱)。然后是碳。它可以处理和FDM一样多的聚合物，并承诺制造零件的速度要快100倍。它的精度也相当好，由于没有层次，表面光洁度更好。对于许多生产部件，这是一个很好的折衷方案，特别是考虑到它的速度更快。
在任何情况下，3D打印的优势在于:设计师可以很容易地将他们的零件设计发送出去进行原型设计，确定哪种工艺可以提供最佳的价格、精度和材料组合，然后如果最有意义的话，可以很容易地进入3D打印生产。只要确保随着零件数量的增加，数学仍然有效，并且你的零件设计可以使用传统工艺制造——太多的设计师把自己涂成3d打印的角落，最终在重新设计和开发时间上付出了高昂的代价。
传统的思维
说到部分体积，有什么问题beplay体育下载ios？绝对没有。许多供应商提供快速注射成型服务，允许在几乎任何数量的经济零件生产。beplay体育下载ios机械加工服务也是如此。很有可能，如果一个金属部件是容易和成本有效地在一个bepaly中文网 ，它可能不适合DMLS或Desktop Metal。记住，3D打印的复杂性是免费的。注塑、机械加工、铸造和其beplay体育下载ios他传统制造工艺却不是这样，复杂的零件设计使生产成本飙升。
具有讽刺意味的是，3D打印最大的成本之一(除了许多3D打印机的价格标签)是原材料本身。然而，大多数行业专家都认为，随着3D打印越来越受欢迎，以及越来越多的知名供应商加入，金属粉末的供需正在发生翻天覆地的变化。聚合物也是如此，尽管可能在较小程度上由于树脂基3D打印行业的相对成熟。随着巴斯夫(BASF)、陶氏化学(Dow Chemical)、惠普(HP)等公司争夺塑料和金属用品的市场份额，3d打印产品的消费者只能以更低的价格购买。
特别感谢Carbon和Go Engineer对本白皮书的投入。