光固化立体成型技术(SLA)光固化立体成型技术(SLA)是最早出现的3D打印技术,其以液态光敏树脂(UV树脂)作为3D打印材料。SLA打印技术核心原理是光敏树脂在紫外光照射下,发生光聚合反应。3D打印过程中打印机液槽里充满一定量的光敏树脂,然后紫外光在计算机的控制下根据成型制品的切片路径进行特定位置的光照,此时液槽中被紫外光照射部位发生光聚合反应,从而成型制品相应位置的形貌。随后液槽在升降平台的控制下向下移动一个层高的距离,然后此层的液态光敏树脂在程序控制的紫外光照射下再继续成型。反复重复上述过程,最终制品通过自下而上的方式打印完成。SLA技术由于采用光敏树脂材料在光照作用下发生聚合反应从而成型制品的形貌,这种独特的成型方式保证了制品的精度和表面光洁度,并且制品具有较高柔性,因此可用来进行如装配结构等对制品精度要求较高的零部件的成型。但是由于光固化3D打印设备和光敏树脂价格昂贵等因素极大的限制了SLA技术的广泛应用。

选择性激光烧结技术(SLS)选择性激光烧结技术(SLS)其独特之处是利用激光器发射红外激光束作为能量使3D打印材料烧结以达到相互粘结的作用。其成型原材料来源广泛,主要包括粉末状的石蜡、聚合物、陶瓷、金属、复合物等,这也是SLS技术相比于其他3D打印技术的显著优势。SLS技术成型原理是将一层很薄的粉末状的打印材料平铺在打印机工作台上,然后计算机根据成型制品的切片数字模型为基础控制激光束对该层平铺的粉末打印材料进行选择性激光烧结成型。每层烧结完成后打印工作台在控制系统的控制下相应下降一个层高的高度,然后在上一层烧结面上平铺一个层高的均匀粉末打印材料,再开始这一层的烧结成型,反复重复上述步骤,最终成型制品。SLS技术打印过程中采用粉末状材料由激光束选择烧结成型,每一层未烧结粉末材料可以回收再利用,材料利用率高同时成型材料来源广泛,成型过程中对于镂空等复杂结构无需添加支撑,工艺操作简单,打印成功率高。但其存在成型制品精度低、制品表面粗糙,设备造价昂贵以及维修成本高等缺点,在一定程度上限制了其应用范围。

立体喷印技术(3DP)立体喷印技术(3DP)同样使用粉末状材料作为成型材料,其打印原理类似于SLS技术。不用之处在于立体喷印技术通过喷射粘结剂以达到粉末之间的相互粘结,最终成型制品的形貌。由于粉末之间采用粘结剂粘结,所以造成成型制品的力学强度较差,打印喷头容易堵塞,设备需定期维护。但是打印过程中可以通过改变粘结剂的颜色,可达到成型制品的色彩多样化。3DP打印技术成型材料来源广泛,材料价格低,制品成型速度快,所以被广泛应用于科研探索、学校教学、产品新结构设计等方面。

近年来随着各种3D打印技术在各领域的广泛应用,伴随而来的是3D打印原材料的种类也越来越多。TPU材料因其性能优异,而且硬度、强度、熔融温度等性能具有很大的可调节性,所以也被广泛应用到3D打印成型各种零部件。目前TPU材料的3D打印成型技术主要包括熔融沉积成型技术(FDM)和选择性激光烧结技术(SLS)。采用SLS技术打印成型的TPU材料零部件在产品精度和强度上相对优异,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技术由于其操作简单、设备成本低以及原材料广泛等诸多优点,所以TPU材料利用FDM技术进行零部件的打印成型更加广泛。

对于TPU材料基于FDM技术的3D打印成型,由于FDM技术在进料方式上通过两滚轮将TPU线材送入到打印机喷嘴处,打印过程中再由两滚轮处对TPU线材施加的牵引力传递到喷嘴处产生一个大小适中挤出力,从而将熔融态的TPU线材从打印机喷嘴处挤出,所以这就决定了TPU线材在两滚轮处所受的牵引力和TPU材料从FDM打印机喷嘴熔融挤出时所需的挤出力严重影响着TPU材料FDM打印成型过程中的稳定性。而TPU材料在两滚轮处所受的牵引力与其硬度有很大的相关性,材料硬度越大,TPU线材在两滚轮出所受的牵引力就越大,也就越有利于将喷嘴处加热熔融态的TPU材料挤出。同时TPU材料在喷嘴处挤出时所需的挤出力与材料的流动性有很大的相关性,TPU材料的流动性越好,熔融挤出时所需的挤出力就越小,也就越容易从喷嘴挤出。因此为保证TPU材料基于FDM技术打印过程中的稳定性,则TPU材料必须要具有较高的硬度、较好的流动性。而TPU材料的硬度可通过提高其硬段含量,从而将硬度提高,但伴随着硬段含量的提高,则TPU材料的流动性必然会有所下降,所以对于硬段含量的提高需要同时考虑TPU材料的硬度和流动性的变化关系。同时通过对TPU材料FDM打印过程的分析,随着TPU线材在打印机喷嘴处熔融挤出的时间延长,材料会产生传热效应,此时两滚轮处的TPU线材由于受热必然导致变软,硬度下降,所以TPU线材的FDM打印过程对其耐热性同样有着严格的要求。鉴于以上分析,则TPU材料采用FDM技术进行长时间稳定打印成型时,对3D打印TPU材料本身的性能要求十分严格。
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