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    3d打印机应用领域_3D打印机的应用及选购指标

    www.3ddyjsw.com | 发布:10-20 | 编辑: 3D打印技术网 | [点击收藏本文]

    3D打印已经不仅仅是原型设计。如今,从最初的概念设计到最终的产品生产,以及此过程涉及的所有环节——3D打印为创作的每个阶段带来变革性的便利。在今天这个竞争激烈的社会环境中,为创作的各个阶段选择适合的3d打印机比以往任何时候都更为重要。

    几年前,只有少数的专业设计工程师使用个人3D打印技术,而且往往仅限于概念模型和一些原型的打印。3D打印一度被认为是新颖的奢侈品,然而事实证明3D打印技术能产生长期的战略价值——它可以提高从概念设计到产品制造的能力,并缩短产品上市时间。如今,3D打印技术使得越来越多的创作者能进行快速个人3D打印,享受其为创作过程带来的便捷。

    许多龙头企业已经开始应用3D打印技术,在短时间内评估更多的概念,从而在产品研发早期做出更佳的决策。无论产品大小,随着设计过程的向前推进,每一阶段都会对技术方案进行迭代测试以指导决策,旨在改善性能、降低成本、提高质量,推出更成功的产品。在预生产阶段,3D打印技术能够更快地制造第一批样品,供给市场营销和早期采用者。在最终生产过程中,3D打印技术为越来越多的行业带来更高的生产力、经济的个性化定制、更优的质量和更快的效率。
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    哪种3d打印机的技术更符合您的应用需求?

    从众多品牌和型号中选择合适的3d打印机,乍一看似乎是一项艰巨的任务。数字数据转变成实物的打印技术,在各台打印机之间存在着巨大的差异。今天的3d打印机可以使用各种材料,这些材料在结构属性、特性定义、表面光洁度、耐环境性、视觉外观、准确性和精密度、使用寿命、热性能等方面各不相同。重要的是要先确定3D打印的主要应用,这才能引导选择合适的技术,为您的工作带来最有效的积极影响。本文将重点介绍一些常见的3D打印技术应用,并简单介绍选择一台3d打印机需要考虑的关键属性。

    概念模型

    早期设计决策往往会影响之后的每一个设计和工程活动,而概念模型将会有助于做出最佳的早期设计决策。选择正确的设计思路可以降低研发阶段调整所造成的昂贵成本,缩短整个开发周期,使产品能更快上市。无论是设计新款电动工具、办公配件,还是设计建筑、鞋子、玩具,3D打印都是评价设计理念的理想方式——便于输入所有干系人提出的功能需求,从而做出最优的选择。
     
    在创作的早期阶段,如果能用合理的成本费用制作仿真模型而无需实现其功能,从而快速评估众多设计方案,那是最理想的。干系人可以更好地将设计意图可视化——通过视觉和触觉来共同感受不同的设计理念,实现更快、更有效的决策分析。

    对于大多数概念建模应用来说,选购3d打印机时需要关注的性能属性是打印速度、零部件成本和打印输出的仿真程度。
     
    验证模型

    当产品设计初步成型时,设计师需要验证各个设计元素以确保新产品达到预期效果。个人3D打印使设计验证成为一个迭代过程——在整个设计过程中,设计师识别并解决每个设计挑战,促成新的发明或者快速识别设计修改的必要性。
     
    类似的应用可能包括造型和调整、功能特性、装配验证等等。验证模型提供了实际动手操作的机会,这样的反馈可以迅速证明设计理论。对于验证应用而言,零部件应能提供真实再现的设计性能。材料特性、模型精度和最小细节分辨率,是在选购3d打印机进行验证应用时需要重点考虑的属性。
     
    预生产应用

    随着产品研发进入最终设计阶段,注意力迅速转向生产启动阶段。这一阶段往往涉及制造新产品必需的机床安装、钻模和固定装置投入。在这个阶段,供应链随着原材料和其他所需组件的采购承诺而逐步扩展。这些必要的投产准备时间可能会导致上市时间延后。而3D打印可以从各方面降低投资风险,缩短产品推出的时间周期。
     
    预生产的3D打印应用包括:快速的短期机床安装、钻模和固定装置工作。实现最终产品和最终使用零件的早期生产和装配,生产出第一批功能型产品的样品,供给测试和早期采用者。

    这个阶段,打印材料的功能特性是至关重要的。为了保证最终产品质量达标,且制造模具不会需要昂贵和费时的返工,准确度和精密度也非常重要。
     
    数字化制造

    一些3D打印技术几乎可以打印任何几何形状,不受传统制造方法所固有的限制。因此,设计师可以获得更多的设计自由,达到产品功能的新水平。通过取消时间和劳动密集的生产步骤,同时减少传统消减制造工艺导致的原材料浪费问题,实现制造成本的降低。
     
    3D打印的组件可能是最终使用零部件,也可能是推动生产流程合理化的牺牲品。各行业的领先企业,无论是珠宝首饰、牙科、医疗器械、汽车或航空领域,都已采用3D打印来生产最终使用零件,或铸造样板和模具,以降低制造成本,实现更灵活的定制,提高产品质量和性能,缩短生产周期。

    对于制造应用而言,3d打印机的关键属性是高准确度和精密度,并且能按应用需求提供相应工程领域的专业打印材料。医疗和牙科应用的打印材料可能需要满足特殊的生物相容性要求。
     
    3d打印机性能属性

    适合的3d打印机要根据应用需求和能够提供最佳综合价值的关键性能指标,来进行选择。可重点考虑以下这些具体的性能属性,比较预备购买的3D打印机。

    打印速度

    因供应商和实现技术的不同,“打印速度”的含义不尽相同。打印速度可能是指单个打印作业在Z轴方向打印一段有限距离所需的时间(例如,每小时在Z轴方向打印的英寸或毫米值)。拥有稳定垂直构建速度的3D打印机通常采用这种表达方式。其垂直打印速度与打印部件的几何形状和(或)单个打印工作的部件数无关。垂直构建速度快、且因部件几何形状或打印部件数而产生很少或不产生速度损失的3D打印机,是概念建模的首选。因为这类打印机能够在最短时间内快速生产大量替换部件。

    另一种描述打印速度的方式是打印一个具体部件或者具体体积所需的时间。采用此描述方法的打印技术通常适用于快速打印单个简单的几何部件,但遇到额外的部件被添加到打印作业中,或者正在打印的几何形状复杂性和(或)尺寸增加时,就会出现减速。由此产生的构建速度变慢,会导致决策过程的延长,削减个人3D打印机在概念建模方面的优势。然而,打印速度始终是越快越好,对概念建模应用而言更是如此。垂直构建速度不受打印数量和复杂度影响的3D打印机,是概念建模应用的首选,因为它们可以快速地大量打印不同的模型,用于同时进行比较,这就能加速和改善早期决策过程。

    部件成本

    部件成本通常表示为每单位体积的成本,如每立方英寸的成本或每立方厘米的成本。即使是同一台3D打印机,打印单个零部件的成本也会因为几何形状的不同而相差很大,所以一定要了解供应商提供的部件成本是指某一特定部件,还是各类部件的平均值。根据您自己常用的典型零部件STL文件包来估算部件成本,往往更有助于决定您所期望的部件成本。为了准确地比较不同供应商声称的参数值,有必要了解下成本估算中包含什么、不包含什么。

    一些3D打印机厂商的部件成本只是指某特定数量打印材料的成本,而且这个数量仅仅是成品的测量体积。这种计算方法并不能充分体现真实的部件打印成本,因为它忽略了使用到的支撑材料、打印工艺产生的过程损耗及打印过程中使用的其他消耗品。各种3D打印机的材料使用率有显著的差异,因此了解真实的材料消耗是准确比较打印成本的另一个关键因素。

    部分成本取决于3D打印机打印一组既定部件所消耗的材料总量和使用材料的价格。通常,使用粉末材料的3D打印技术,部件成本最低。廉价的石膏粉是基础建模材料。未使用的粉末会不断地在打印机中回收和再利用,因此其部件成本可以达到其他3D打印技术的三分之一到二分之一。

    有一类塑料部件技术仅使用一种消耗材料,既用于打印部件所需,也用于印刷过程中的支持需要。相比其他塑料部件技术,它通常使用较少的材料作为支撑材料,因此其产生稀疏的支撑结构,而且很容易被清理掉。大多数单材料3D打印机不会产生大量工艺废料,这使其具有极高的材料性价比。

    另一类塑料部件技术需要使用专门的支撑材料,但材料售价不高。这类支撑材料需要在打印完成后通过融化、溶解或加压喷水的方式清理。比起前者,这类技术往往使用大量的材料用于打印支撑结构。可溶解的支撑材料需要高强度、腐蚀性化学物质进行特殊处理和清洁措施。喷水清理方法需要进水口和排水口,为此您工作场所的预算成本可能要增加几千元。这种处理采用劳动密集型方式,并可能导致精致的部件细节被损坏,因为喷水清理是通过加压的方式清除支撑材料。此外,卡在凹槽处的支撑材料可能由于喷不到而无法清理干净。能最快、最有效地清理支撑材料的,是采用蜡作为支撑材料的3D打印机,通过融化方式进行清理。可融化的支撑材料只需要一台专门的整理烘箱就能进行快速、批量清洁,使用最少的劳动力,且不对物体表面施压,故不会对脆弱的细节处造成损坏。即使是卡在凹槽内的支撑材料也可以被清理掉,这就能顺利打印复杂的几何形状,实现最大的设计自由。蜡支撑材料的清理不需要使用化学用品,且清理掉的蜡材料可以与普通垃圾放置在一起,无需特殊处理。

    请注意:一些受欢迎的3D打印机在打印过程中会将昂贵的构建材料融入支持材料,共同进行支撑,这就增加了打印过程中消耗材料的总成本。这些打印机通常还会产生大量的过程损耗,因此在打印同一组部件的情况下,会比其他打印机使用更多的材料。

    最小细节分辨率

    分辨率是3D打印机的最令人困惑的指标之一,应谨慎使用。分辨率可能写成每英寸点数(DPI)、z轴层厚、像素尺寸、束斑大小和喷嘴直径等等。尽管这些参数有助于比较同一类3D打印机的分辨率,但是很难用来比较不同的3D打印技术。最好的比较策略是亲自用眼睛去鉴定不同技术打印出来的部件成品。查看锋利的边缘和拐角清晰度、最小细节尺寸、侧壁质量和表面光滑度。使用数字显微镜会有助于部件成品的鉴定,因为这种廉价设备可放大并拍摄微小的细节便于比较。对3D打印机进行鉴定测试时,至关重要的是打印部件能准确地呈现设计效果。根据鉴定测试方式,对最小细节质量进行妥协,降低测试结果的准确度。

    准确度

    3D打印通过层层叠加的方式制造部件,将材料从一种形式处理成另一种形式,从而创造出打印部件。处理过程中可能会出现变数,如材料收缩——在打印过程中,必须进行补偿以确保最终部件的准确度。粉末材料的3D打印机通常使用粘合剂,打印过程中拥有最小的收缩变形度,因而成品准确度往往较高。塑料3D打印技术一般通过加热、紫外线光或二者共用来处理打印材料,这就增加了影响准确度的风险因素。其他影响3D打印准确度的因素还包括部件尺寸和几何形状。有些3D打印机提供不同程度的打印准备工具,可以为特定的几何形状细调准确度。制造商宣称的准确度一般是指特定测试部件的测量值,实际情况会因部件的几何形状而有所不同,所以有必要先确定您应用领域的准确度要求,然后使用该应用涉及的几何形状进行测试打印。

    材料属性

    了解预期的应用和所需材料的特性,对于选择3D打印机来说很重要。每种技术各有所长也各有所短,都应作为选择个人3D打印机的考虑因素。对宣传中声称的可用材料数量应谨慎考察,因为并不能保证所有的可用材料都能实现真正需要的使用性能。至关重要的一点:作出购买决定前,务必在预期应用中进行测试,对打印部件进行评估。官方发布的详细参数中不会介绍随着时间的推移和使用环境的改变,部件的稳定性如何。如果没有充分考虑和测试这一点,可能会造成实际使用的限制。

    对于概念建模应用来说,实际的物理特性可能没有部件成本和模型外观那么重要。概念模型主要用于可视化效果的沟通,可能使用后很快就被丢弃。验证模型可能需要模拟最终产品的效果,需要实现与最终生产材料接近的功能特征。快速生产应用的材料可能需要具有可铸性或耐高温。最终使用零部件一般需要在较长的时间内保持牢固。

    每种3D打印技术都受限于具体的材料类型。对于个人3D打印,材料大致可分为非塑料、塑料、蜡这几类。您应该以哪类材料最符合价值和应用范围要求为依据,来选购3D打印机。与单台3D打印机相比,多种技术的结合可提高打印灵活性,扩展应用领域。通常,比起使用一台昂贵的系统设备,组合使用二台不太贵的3D打印机虽然预算相同,但是可以实现更高的价值,提供更大的应用范围和打印能力。

    非塑料材料常使用石膏粉与可打印的粘合剂,部件成品紧密而坚硬,可以通过浸润变得非常牢固。这类部件可以表现优秀的概念模型,在没有弯曲性要求的情况下提供一定程度上的功能测试。明亮的白色基本材料,结合独家的全彩色打印能力,可以制造出逼真的视觉模型,而无需额外的绘画或后期处理。

    塑料材料可以柔软可以坚硬,有些还具有高耐温性。透明塑料材料、生物相容性塑料材料、可铸性塑料材料均有销售。不同技术制造的塑料部件性能差异很大,这在厂家公布的规格上可能并不显而易见。一些3D打印机制造的部件会随着时间的推移或环境的不同而持续改变特性和尺寸。例如,用来标识塑料耐热性的常见规格参数是“热变形温度(HDT)”。虽然HDT是一种衡量指标,但是它并不能预测在实际应用中超过HDT时材料的可用性。有些材料可能当温度略高于规定的HDT时就出现功能特性的急剧退化;而某些材料的性能退化缓慢,从而扩大了塑料的适用温度范围。另一个例子是湿度对部件的影响。部分3D打印的塑料成品是防水的,而部分塑料成品则是多孔的,会因吸收水分,导致部件膨胀而改变尺寸。多孔部件显然是不适合高湿度应用或加压应用环境,可能需要进一步的劳动密集型后期处理,方能适用于这些环境。

    3D Systems公司的新型“混合”3D打印机结合了经过验证的光固化(SLA®)性能和个人3D打印机的易用性。这类3D打印机提供较广的塑料材料范围,单台3D打印机可实现ABS、聚丙烯和聚碳酸酯塑料打印。可以简单、快速和经济地进行材料更换,一台3D打印机可实现广泛的塑料应用。特别注意:声称支持众多打印材料的技术,常常在材料转换过程中产生废料。这类3D打印机中有些带有多个打印头,更换材料时必须完全清理干净,而清理的过程中就会产生昂贵的废料。

    色彩

    有三大类彩色3D打印机:可选颜色的打印机,但同一时间只能打印一种颜色;基本色打印机,可以在一个部件上打印几种颜色;全彩打印机,可以在单个部件上打印数千种颜色。目前只有3D Systems公司的ZPrinter® 3D打印机能实现全彩打印。它可以达到与3D打印模型一致的颜色,包括彩色文档打印机能呈现在纸张上的390,000种颜色以及几乎无限的色彩组合,因此能打印出令人难以置信的逼真模型。除了能在正确的位置显示相应的逼真色彩外,ZPrinter可以直接在模型上打印照片、图形、标志、纹理、文本标签、有限元分析结果等,可以生产出以假乱真的模型。

    3D打印技术能够造福整个创作过程,从最初的概念设计到最终的产品制造,以及这之间的所有步骤。不同的应用会有不同的需求,了解这些应用需求是选择3D打印机的关键。相比单系统,多系统能实现更广泛的应用,将有助于为您的机构定义理想的3D打印能力,因此确定您的打印需要,将3D打印应用于整个设计到生产过程中,可以缩短上市时间,提高产品性能,精简生产流水线,降低生产成本,提高产品质量和客户的满意度。

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