光固化立體成型技術(SLA)光固化立體成型技術(SLA)是最早出現的3D打印技術,其以液態光敏樹脂(UV樹脂)作為3D打印材料。SLA打印技術核心原理是光敏樹脂在紫外光照射下,發生光聚合反應。3D打印過程中打印機液槽里充滿一定量的光敏樹脂,然后紫外光在計算機的控制下根據成型制品的切片路徑進行特定位置的光照,此時液槽中被紫外光照射部位發生光聚合反應,從而成型制品相應位置的形貌。隨后液槽在升降平臺的控制下向下移動一個層高的距離,然后此層的液態光敏樹脂在程序控制的紫外光照射下再繼續成型。反復重復上述過程,最終制品通過自下而上的方式打印完成。SLA技術由于采用光敏樹脂材料在光照作用下發生聚合反應從而成型制品的形貌,這種獨特的成型方式保證了制品的精度和表面光潔度,并且制品具有較高柔性,因此可用來進行如裝配結構等對制品精度要求較高的零部件的成型。但是由于光固化3D打印設備和光敏樹脂價格昂貴等因素極大的限制了SLA技術的廣泛應用。

選擇性激光燒結技術(SLS)選擇性激光燒結技術(SLS)其獨特之處是利用激光器發射紅外激光束作為能量使3D打印材料燒結以達到相互粘結的作用。其成型原材料來源廣泛,主要包括粉末狀的石蠟、聚合物、陶瓷、金屬、復合物等,這也是SLS技術相比于其他3D打印技術的顯著優勢。SLS技術成型原理是將一層很薄的粉末狀的打印材料平鋪在打印機工作臺上,然后計算機根據成型制品的切片數字模型為基礎控制激光束對該層平鋪的粉末打印材料進行選擇性激光燒結成型。每層燒結完成后打印工作臺在控制系統的控制下相應下降一個層高的高度,然后在上一層燒結面上平鋪一個層高的均勻粉末打印材料,再開始這一層的燒結成型,反復重復上述步驟,最終成型制品。SLS技術打印過程中采用粉末狀材料由激光束選擇燒結成型,每一層未燒結粉末材料可以回收再利用,材料利用率高同時成型材料來源廣泛,成型過程中對于鏤空等復雜結構無需添加支撐,工藝操作簡單,打印成功率高。但其存在成型制品精度低、制品表面粗糙,設備造價昂貴以及維修成本高等缺點,在一定程度上限制了其應用范圍。

立體噴印技術(3DP)立體噴印技術(3DP)同樣使用粉末狀材料作為成型材料,其打印原理類似于SLS技術。不用之處在于立體噴印技術通過噴射粘結劑以達到粉末之間的相互粘結,最終成型制品的形貌。由于粉末之間采用粘結劑粘結,所以造成成型制品的力學強度較差,打印噴頭容易堵塞,設備需定期維護。但是打印過程中可以通過改變粘結劑的顏色,可達到成型制品的色彩多樣化。3DP打印技術成型材料來源廣泛,材料價格低,制品成型速度快,所以被廣泛應用于科研探索、學校教學、產品新結構設計等方面。

近年來隨著各種3D打印技術在各領域的廣泛應用,伴隨而來的是3D打印原材料的種類也越來越多。TPU材料因其性能優異,而且硬度、強度、熔融溫度等性能具有很大的可調節性,所以也被廣泛應用到3D打印成型各種零部件。目前TPU材料的3D打印成型技術主要包括熔融沉積成型技術(FDM)和選擇性激光燒結技術(SLS)。采用SLS技術打印成型的TPU材料零部件在產品精度和強度上相對優異,但打印成本高,一般主要用于尺寸小、精度要求高的TPU材料零部件的打印成型。而FDM技術由于其操作簡單、設備成本低以及原材料廣泛等諸多優點,所以TPU材料利用FDM技術進行零部件的打印成型更加廣泛。

對于TPU材料基于FDM技術的3D打印成型,由于FDM技術在進料方式上通過兩滾輪將TPU線材送入到打印機噴嘴處,打印過程中再由兩滾輪處對TPU線材施加的牽引力傳遞到噴嘴處產生一個大小適中擠出力,從而將熔融態的TPU線材從打印機噴嘴處擠出,所以這就決定了TPU線材在兩滾輪處所受的牽引力和TPU材料從FDM打印機噴嘴熔融擠出時所需的擠出力嚴重影響著TPU材料FDM打印成型過程中的穩定性。而TPU材料在兩滾輪處所受的牽引力與其硬度有很大的相關性,材料硬度越大,TPU線材在兩滾輪出所受的牽引力就越大,也就越有利于將噴嘴處加熱熔融態的TPU材料擠出。同時TPU材料在噴嘴處擠出時所需的擠出力與材料的流動性有很大的相關性,TPU材料的流動性越好,熔融擠出時所需的擠出力就越小,也就越容易從噴嘴擠出。因此為保證TPU材料基于FDM技術打印過程中的穩定性,則TPU材料必須要具有較高的硬度、較好的流動性。而TPU材料的硬度可通過提高其硬段含量,從而將硬度提高,但伴隨著硬段含量的提高,則TPU材料的流動性必然會有所下降,所以對于硬段含量的提高需要同時考慮TPU材料的硬度和流動性的變化關系。同時通過對TPU材料FDM打印過程的分析,隨著TPU線材在打印機噴嘴處熔融擠出的時間延長,材料會產生傳熱效應,此時兩滾輪處的TPU線材由于受熱必然導致變軟,硬度下降,所以TPU線材的FDM打印過程對其耐熱性同樣有著嚴格的要求。鑒于以上分析,則TPU材料采用FDM技術進行長時間穩定打印成型時,對3D打印TPU材料本身的性能要求十分嚴格。
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