粉末床融合技术的工艺原理及应用.pdf
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1、 技术与创新 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料102粉末床融合技术的工艺原理及应用徐皓捷,袁新林常州大学,江苏 常州 213159摘要:3D 打印技术是一种新型的增材制造技术,其成型速度快,结构限制小,促进了工业设计行业的发展。文章具体分析了粉末床融合技术中的激光烧结技术、纳米喷射技术、粘接喷射技术,探讨每种技术的基本原理及在汽车部件制造、医疗、电子等领域的具体应用。关键词:3D 打印技术;粉末床融合技术;工业设计;激光烧结技术;纳米喷射技术;粘接喷射技术分类号:TP391.73D 打印技术,是一种以数字模型为基础的制造技术,通过逐层堆叠材料形成所需工件。其广泛应用于
2、航空航天、汽车制造、玩具生产等各个行业。3D 打印技术的主要优势在于可生产各种非标准造型件,大大降低生产时间和成本,省去开模步骤,十分适用于小批量和急需交付的原型制造需求。该技术以产品的三维数据为基础,通过将其切片为具有高度参数的二维平面坐标,逐层累积形成符合三维尺寸要求的打印工件1。3D 打印技术中的粉末床融合技术速度快、精度高,可用于生产金属、尼龙等材料的零部件。粉末床融合技术包括激光烧结技术、纳米喷射技术、粘接喷射技术。文章将以粉末床融合技术为主要内容,详细介绍其技术分类及在产品开发中的应用,探讨这些技术对行业的发展影响。1 激光烧结技术1.1 激光烧结技术介绍激光烧结技术包括直接金属激
3、光烧结(DMLS)和选择性激光熔化(SLM)。其中,DMLS 是一种增材制造技术,利用高能激光束将材料熔接在与三维模型一致的基质中,形成局部印刷材料。该制造工艺将金属粉末熔化并逐层堆积,使得零件的物理结构特征非常坚固且表面密度有序。目前广泛应用于核能、航空、汽车等领域2。SLM 则是另一种快速成型技术,可直接制造几乎全密度的金属零件。与激光选择性烧结相比,SLM 更容易用于金属零件的生产。SLM 技术使用激光在特定温度下熔化金属粉末,并在每层扫描后进行冷却固化。由于 SLM 技术需要达到较高的温度,对激光发射器的能量有特殊要求,通常要求能量密度超过 106 W/cm2。1.2 技术应用1.2.
4、1 汽车刹车卡钳制造3D 打印技术在制动器制造领域有着十分重要的应用。汽车研发领域,车辆部件轻量化一直是各大车企追求的目标。为了减重,在制动器设计之初就采用了大量的镂空设计,需要采用刚性更优异的材料,因此钛合金就成了首选。但是相比铝合金来说,钛合金切削加工难度大,这种特殊制动器结构采用铸造的方式也很难生产出来,采用 3D 打印的方式来进行制动器的生产制造是不二之选。3D 打印中最常用的技术就是 SLM 技术,该技术的制作致密度可达 99%以上。在汽车刹车卡钳制造过程中,需要打印堆叠 2 213 层熔化的粉末,共耗时 45 h。之后制动器还需经过热处理和化学处理以加强其分子结构刚性,表面打磨和螺
5、纹加工也需要一台五轴铣床工作 11 h 才能完成。3D 打印制造的制动器质量为 2.9 kg,比原产品减重 40%以上,拉伸强度高达 12.5 t/cm2。经过测试该制动器在 400 km/h 的制动条件下,温度超过了 1 000,依然存在很强的制动力,其刹车热衰减能力强,耐热能力强,这也很直观地体现了 3D 打印技术在汽车零部件制造领域的优势,为汽车部件的特殊轻量化结构设计的量产成为可能3。1.2.2 注射模具生产3D 打印技术广泛应用于模具生产领域。使用 3D打印技术改进模具,缩短了产品生产周期,提高了产文章编号:2096-3092(2023)08-0102-03*作者简介:徐皓捷,男,常
6、州大学硕士在读,研究方向为工业设计。通信作者:袁新林,男,硕士,教授,研究方向为产品设计。造纸装备及材料 第 52 卷 总第 221 期 2023 年 8 月 技术与创新103品的成品率。由于 SLM 技术是逐层累积成型,因此在设计中考虑了无支撑角度、壁厚和内腔通道尺寸等设计参数,计算机仿真验证了执行的可行性4。工件被加热至 70 随后回火冷却至 20,以模拟在注塑过程中 TPE 材料的冷却过程,通过对工件表面温度的监测,发现喷泉型和粗螺旋型的腔体设计具有最佳的冷却性能。由此可见,SLM 技术在模具生产与实验验证领域具有十分重要的作用,快速成型和特殊结构的制造解放了制造业工艺技术的限制,也为企
7、业加快了产品的研发周期。2 纳米喷射技术2.1 纳米喷射技术介绍纳米颗粒喷射技术原理与普通的 2D 打印机类似,其结构也类似于喷墨打印机,通过喷墨系统的 x、y 轴移动,将含有悬浮纳米颗粒的液体喷射在打印平台上,每一层的材料叠加都通过平台下移一个单位来实现5,由于液体在经过高温平台时就会蒸发从而留下纳米颗粒,高温的平台又会使纳米颗粒重新凝结形成工件,如图 1 所示。图 1 纳米喷射技术示意图2.2 纳米喷射技术的工作流程(1)将印刷平台表面加热至 250,目的是蒸发含有纳米颗粒的液体,使纳米颗粒粘附在印刷平台表面。适当的温度也可以提高纳米颗粒的粘附性,从而确保打印完成的质量。(2)打印机的打印
8、头由数千个墨水孔组成,这些墨水孔将释放含有纳米颗粒的液体,并将纳米颗粒沉积在打印平台上,极细的喷嘴可显著提高打印件的打印精度。(3)在印刷过程中,一旦液体与印刷平台接触,纳米颗粒液体蒸发,留在印刷平台上的纳米颗粒将在热作用下黏合在一起6。(4)在印刷一层之后,打印平台将下降一个单元的厚度,为下一个打印层留出空间。重复操作,直到打印完成。(5)印刷完成后,将工件取出进行后处理,如去除支架、高温烧结、改善特性、抛光等。2.3 纳米喷射技术的优点纳米喷射技术的打印分辨率高,由于采用喷头的孔径十分小,可以打印尺寸较小的产品,进行最小层厚为 10 m 或精度为 25 m 的极高精度打印7。同时相比于 S
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