自Sachs等首先提出粘结型三维打印(Three Dimensional Printing,3DP)快速成型的思想以来,世界各大3D打印公司如美国3DSystems公司、Z Corp 公司、以色列Objet公司等纷纷投入研究开发不同的3DP技术。根据成型工艺的不同,3DP成型技术主要分为粘结型三维打印和直接喷墨打印成型。
粘结型三维打印是指喷头在计算机的控制下,根据分层截面的数据信息,选择性地将粘结剂喷射到粉床上需要粘结的地方,粘结粉末形成一层截面;一层截面打印完成后,工作台下降一个截面层的距离,在打印完成层上铺粉,喷射粘结剂,进行下一层的粘结成型,如此循环铺粉粘结形成立体物体。
1997年,英国布鲁内尔大学Q.F.XIANG等人提出直接喷墨打印成型(Direct Inkjet Printing,DIP)工艺,将待成型的材料与结合剂制备成墨水,由喷头直接喷出成型材料,然后经固化成型得到成型件。相比于粘结型三维打印,直接成型三维打印可以直接成型结构较为复杂的零件,如具有中空的内腔结构的零件,直接成型三维打印系统没有粉床和铺粉系统,系统的结构更简单,控制更容易;另外直接喷墨打印成型能够同时打印多种材料,其应用更加广泛。直接成型三维打印的关键是制备出固相含量高粘度小、分散稳定性好的陶瓷墨水。
- 打印成型精度高。三维打印以微滴喷射自由成形为基础,喷射的微滴逐层沉积成型形成三维制件。制体的精度与微滴大小紧密相关,而喷出的墨滴大小为皮升(10-12L)级别,因此理论上三维打印精度很高。
- 设备成本低,体积小。与SLA, SLS, LOM等快速成型系统相比,三维打印成型系统没有价格昂贵的激光系统,因此其设备成本低。与FOM相比,三维打印工作温度低。另外,三维打印系统高度集成化,特别是直接成型三维打印成型系统,其结构设计简单紧凑,与平面打印机相似,设备维护起来相当方便,非常适合在实验室或办公室使用。
- 打印材料选择广泛,且能够同时打印多种材料。三维打印成型可以打印粘结性高分子材料、光敏树脂材料,也可以打印粉末材料,如陶瓷、金属、石膏、淀粉等。装有多喷头的三维打印机不仅可以同时打印多种材料,还在很大程度上加快了打印速度。
尽管三维打印成型技术有以上诸多优点,但是在实际打印过程中,也有诸多不足之处。如喷嘴堵塞导致打印不连续;喷射出的墨水不能够沉积成型;打印出的制件强度不能满足工业使用要求;打印尺寸受限制,很难成型尺寸较大的零件,但是对于小尺寸、薄层零件的打印很适用。三维打印快速成型技术的基础是制备出固相含量高粘度小且分散稳定性良好的墨水。
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