PDM的3D打印材料的分析与研究

中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1672-3791(2016)03(b)-0001-02

中国制造2025“使3D打印技术成为产业发展的前沿,极受大众欢迎和关注。3D打印技术最突出的优点是无需传统加工机床或加工模具,据CA论文网D图形可直接制作形状非常复杂的工件,通常只需切削法30百分号～50百分号的工时和20百分号～35百分号的成本,极大地缩短了产品的研制周期,提高了生产率,并降低了生产成本,被誉为制造业的一场GM并获得了广泛应用。

但是,3D打印技术至今未实现产业化,也没走进广大老百姓的日常生活,原因很简单,首先是3D打印机本身的机器价格很高,其次是3D打印机打印所需的原材料的价格也很高,而且,精密度越高。速度越快对材料的要求就越高。因此,3D打印迟迟难以市场化。

1PDM的桌面级3D打印技术

经过近20年的努力,实现3D打印技术工艺的关键设备已有5种商品化的定型产品,分别是SLA(光固化/立体光刻)。SLS(选择性激光烧结)。LOM(分层实体制造)。3DP(三维印刷)和PDM(熔融沉积成形)。

国内3D打印机在工艺上采用最多的是制造和材料成本最低的FDM熔融沉积成形技术,该技术以一种丝材作为成形材料的快速成形工艺,丝材通过送丝机构送至喷头,在喷头内受热熔融并挤出,喷头根据层片形状进行扫描填充,挤出的材料固化在底板或者上一层层片上,如此反复直至所有层片加工完毕。

1991年,Stratasys成功研发出FDM技术的3D打印设备,该打印机体积小巧,结构紧凑,安装简单,易于操作,便利可靠,可以放在办公桌面上打印立体实物,所以又称桌面打印机。FDM的桌面级打印机分为开放式和密闭式两种。

2打印材料

PDM的3D打印技术工艺无需激光器,维护方便,特有空隙结构,节约材料与成形时间,运行成本低,材料利用率高,无污染。目前FDM的桌面级3D打印机的耗材以塑料丝材为主,熔点较低,韧性较高,如蜡。ABS。PC。尼龙。PC。PC/ABS。PPSF等,在这些塑料丝材中,以ABS丝材和PLA丝材最为常见。

ABS是目前产量最大,应用最早的FDM桌面打印机的塑料打印丝材。它是AcrylonitrileButadineStyrene(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)的缩写,具有优良的综合性能,冲击强度极好,有优良的耐磨性。耐热性。耐低温性。耐化学药品性。电气性能和染色性,易于成型加工和机械加工,制品尺寸稳定,可进行表面印刷。涂层和镀层处理,广泛应用于机械。汽车。电子电器。仪器仪表。纺织和建筑等工业领域。

PLA是一种新型的生物降解材料。它是PolyLacticAcid(生物降解塑料聚乳酸)的缩写,以玉米为原料,通过生产最终转化为聚乳酸,属可再生资源。它具有最良好的抗拉强度及延展度,也拥有良好的光泽性和透明度,相容性和可降解性也很好,适用于熔化挤出成型。射出成型。吹膜成型。发泡成型及真空成型等各种普通加工方式生产,打印出来的模型硬度好,色彩鲜艳,富有光泽。

这两种材料在打印时各有优缺点,主要表现在以下几个方面。

(1)温度。

ABS丝材在打印温度。加热板温度。玻璃转化温度和耐热温度上都比PLA丝材高,其具体数值见表1。

(2)打印性能。

虽然,ABS丝材容易打印,但打印时必须要用加热板,且不能在室温太低。通风太大的房间以及室外打印,打印物体的高度也不能太高,因为ABS材料冷却速度快,容易收缩,会导致打印制品在加热板上翘边。局部脱落。悬空,甚至整层剥离,因此,为避免造成问题,最好使用密闭式桌面打印机。

PLA丝材与ABS丝材几乎完全相反,60℃以下不使用加热板,60℃及以上时才使用加热板。它收缩率小,使用加热板时,即使是在开放式打印机和公共场所打印,也不必担心打印制品会从加热板上悬空。歪斜或破损;不使用加热板时,打印大型零件也不会翘边。但是PLA丝材熔化后容易附着和延展,经常会堵塞送丝机构加热部件的喷嘴,尤其是全金属制的加热部件喷嘴,不过这个问题,在安装轴承时滴一滴油就能解决。

(3)强度。

ABS材料的冲击强度相当高,主要是因为FDM熔融沉积成形技术是一层一层打印的,只要以适当的温度打印,就能让层层ABS丝材牢牢黏住。但ABS材料也具有柔软性,即使承受压力也只会弯曲,不会折断,且ABS材料弹性十足,要是掉落在地上,多半会弹起几个来回。虽然用PLA材料打印时,每一层丝材也都会黏得相当牢固,但是它却比ABS稍逊一筹,要是掉落地上或撞到东西时,多半会产生缺口或破损,而不会弹回来,且薄的地方容易在弯曲前折断。

(4)气味。

ABS材料最大的缺点是打印时会产生强烈刺鼻的气味。但PLA气味香甜,打印时气味就像棉花糖一样,气味微弱,但香气宜人。

(5)适用场景。

ABS材料适合做成穿戴用品,如手镯。戒指等,也适合制作可能会掉落。使用于高温环境下。或是以粗鲁的方式使用的物品,特别是薄壁物品,如刀柄。车用手机架。手机保护壳。玩具等。图1所示为ABS丝材打印的薄壁模型。

PLA材料可以广泛地用来制造各种应用产品,如盒子。礼物。模型和原型的零件等,它既能回收,也会腐朽消失,还具有耐水性。图2所示为PLA丝材打印的艺术花瓶。

(6)不适用场景。

ABS材料不适合在通风不良的房间使用,因没有加热板就无法打印,所以也不适宜在在没有挡风和抗温装备的状态下打印大型物体。PLA不适合放进60℃以上的东西里,因温度太高会让材料变形。此外,这种材料质地脆弱,不能用来制造工具的把手或会多次掉落的零件。再者,PLA只要稍微弯曲就会折断,不适合做成薄的东西。可见,ABS和PLA但是ABS是非晶体,PLA是晶体,对比观察,加热到195度,PLA可以顺畅挤出,ABS不可以;加热到220度,ABS可以顺畅挤出,PLA会出现鼓起的气泡,甚至被碳化,碳化会堵住喷嘴,非常危险。

3结语

总之,ABS丝材和PLA虽然从表面上很难判断,基本上没有差别,但都可作为FDM的桌面级3D打印的主要材料,它们都具备熔融温度低,材料粘度低,流动性较好的特点,都方便加热,能顺利从送丝机构中挤出,最终成型制品的质量也能得到保证。此外,这两种材料都方便成型,易于操作,不会产生多余垃圾,都适合在家庭和小型办公环境中使用,适用于家用电器。办公用品和机械行业。动漫行业以及各种工艺新产品的研发。

PDM的3D打印材料的分析与研究