塑料3D打印VS金屬3D打印?!

2018.11.10/文

近30年來,Stratasys公司率先開發并采用了3D打印(或增材制造)技術,其中包括精確、可靠的FDM及PolyJet 3D打印平臺。然而就在今年2月,Stratasys官網正式公布了最新的金屬3D打印機研發及測試進展。

Stratasys稱,該金屬增材制造系統將采用其專有的噴射技術,而且第一款金屬材料將是鋁合金。Stratasys將采用金屬注射成型(MIM)技術,而非傳統的激光或電子束能源的金屬熔融增材方式。

Q身為FDM和光固化噴射3D打印領域專家的Stratasys,如今也向金屬3D打印領域進軍了。原因何在?

眾所周知,塑料材料一直朝著高強度方向發展,通過增強塑料強度用來直接替換金屬用于各類復雜構件,既便宜又質輕,從而使塑料材料在3D打印制造中被廣泛應用。

此外,塑料材料還可以避開缺陷向復合化、功能化方向發展,特別是實現多元材料復合,進而賦予塑料特定功能。

例如,通過3D打印技術制造工藝復雜的智能材料、光電高分子材料、光熱高分子材料、光伏高分子材料及儲能高分子材料等新材料;利用生物塑料的生物相容性向醫學人體組織發展,3D打印在細胞、軟組織、器官及骨骼等方面仍具有巨大應用空間,尤其在組織工程應用中具有獨特優勢。

可以預見,在今后10 年乃至20年內,塑料材料將仍是主流3D打印材料。但是麥肯錫公司(McKinsey & Company)發布的一份報告也指出,金屬3D打印的市場價值將在未來15年內飆至100億美元,這也就不難理解Stratasys面對未來市場加快布局進軍金屬打印的原因了。

Q那么,塑料3D打印和金屬3D打印究竟有啥區別呢?

其實,二者不僅原材料性能不同,而且硬件基本物理性能也不同。因此,兩種制造解決方案不可互換。

由于AUTOCAD、SolidWorks、NX和CATIA 等3D計算機輔助設計(CAD)軟件并未對金屬或塑料基材進行區分,因此在輸入CAD數據時,工程師須進行正確判斷。

不良的設計實踐會導致零件報廢,尤其是當把一個塑料3D打印設計向金屬3D打印設計進行轉換時。

設計轉換的第一步,就是要清楚地了解二者在溫度、支撐材料和后處理等方面的不同需求。

客戶精誠合作,優化金屬3D打印的CAD設計圖紙

溫度控制

對塑料零件而言,溫度的控制往往“沒毛病”,但對金屬零件而言,溫度的控制確是個大問題。

塑料3D打印最常見的形式就是熔融沉積成型(FDM)。如果零件由于過熱而熔化或翹曲,則再次打印的成本不高。即便最后零件報廢,也不太會對加工設備造成多么嚴重的后果。

但這對于金屬3D打印就大為不同了。

高功率激光的燒結或熔化粉末可以產生超過1300攝氏度以上的高溫。這些熱量,有一些可能會被打印床(Build Plate)及周圍尚未使用的金屬粉末吸收。倘若沒有適當的補救措施,那么零件就會發生翹曲或卷曲,進而損壞3D打印機粉末床(powder-bed)的刮片。

此外,如果金屬零件報廢,那么重新制作的成本也較為昂貴。

熱區的大小是一個受激光功率、特征尺寸和材料類型影響的函數

出于這些原因,產品研發人員就需要與技術人員密切合作,以準確了解所用打印機的功率特性,及實現最佳制作效果的理想參數。

進的軟件可以顯示支撐材料對受熱區的影響

支撐材料如何放置?

塑料和金屬粉末的3D打印過程需要使用支撐材料。所謂支撐材料,指的是在3D打印過程中輔助制品懸空結構或者中空結構的部位成型,打印完成后需要去除的材料。

塑料零件往往可以使用很多支撐材料,原因很簡單,具體如下:

●  塑料本質上剛性較小,可能需要更多的外部支撐

(Additional Stability)來承受打印的機械應力。

●  塑料支架相對容易拆除,并且零件成品上的痕跡容易清理。

●  塑料原材料價格低廉,在使用時不用刻意節省浪費。

然而,金屬打印卻有著不同的動力學因素。支撐材料是必需的,但通常情況下,最好的做法就是把支撐材料的使用量降至最低。

這是為什么呢?其中一個原因是溫度。

激光焦點處的高溫會對周圍金屬形成剪切力。這種剪切作用在一定程度上要通過金屬支撐材料進行牽制。當支撐材料被移除后,這種剪切力就像彈簧一樣被釋放出來,零件就可能會發生嚴重變形。

明智的產品研發人員會與技術人員密切合作,并在零件設計階段就將這種變化考慮在內。然而,這對于塑料零件的制作而言,并不是什么大問題。

另一個理由就是,金屬粉末原材料可能較為昂貴,所以,除非是非使用不可,否則就會產生高昂的成本代價。

撐材料被移除后,剪切力可能會造成零件變形

另外,去除金屬支撐材料時不能簡單地用手折斷,而是可能需要進行大量的后處理操作,耗時耗力。這就大大增加了項目成本,而且,成品的表面外觀也很難令人滿意。

后處理

在3D打印完成之后,塑料和金屬零件都需要某種形式的后處理過程,總的來講,后處理主要分為剝離式和水溶式兩種。

其中,支撐材料移除、砂磨或鉆孔等步驟是通用的。但除此之外,金屬3D打印的零件還需要其他處理流程與制造資源,如磨削(Grinding)、數控銑削(CNC Milling)、應力消除(Stress Relief)及熱處理(Heat Treatment)等等。


未完成的3D打印散熱器,還需要大量的工作來拋光散熱片

而塑料3D打印的優點之一就是,后處理通常可以通過手工或簡單工具完成。例如,Stratasys PolyJet技術打印產品的支撐材料,一般可以通過可以手動或者水槍去除,可以配備專門的后處理水槽,簡單易操作。

但對于金屬3D打印而言,后處理工作必須足夠專業,否則“后果很嚴重”。這也是為什么塑料打印CAD設計不能簡單地切換到金屬打印機來實現類似結果的另一個原因。

寫在最后

而身為增材制造行業領導者的Stratasys,能夠同時提供可靠的FDM和PolyJet技術,而隨著未來推出更多金屬打印機技術和產品,將進一步完善客戶應用體驗,滿足各種應用的場景和需求。

正如Stratasys管理層表示:“我們非常高興地宣布開發這種新的增材制造平臺,針對各種行業的小規模生產應用,包括汽車、航空航天、國防、機械加工和金屬制造工廠。相信這個平臺將擴展公司未來的市場覆蓋,為客戶提供實現粉末冶金應用增材制造價值的有效手段。”


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