3D打印的最终用途生产
一项加法技术的分析正在重新定义3D打印作为一种最终用途的制造方法
3d打印生产零件的案例
定义什么是生产是重要的第一步。在典型的制造场景中，生产原型零件进行形式、配合和一些功能测试，然后要么数控加工，要么注射成型，直到数量增长到足以值得投资大批量生产工具。生产3D打印的快捷方式的过程。根据零件及其预期用途的不同，通常情况下，打印出的零件性能与常规生产的零件一样好(在某些情况下甚至更好)，而且这样做的成本效益足够高，从而推迟了下游投资，甚至是不必要的。
一个值得注意的例子是通用航空该公司的LEAP发动机使用了3d打印燃料喷嘴，这一举措为每架飞机每年节省了约300万美元。在医疗领域，约翰逊和约翰逊是众多使用3D打印定制手术工具和患者特定植入物的供应商之一，为患者和外科医生提供更好的结果。Oreck利用3D打印技术将其吸尘器组装托盘的成本降低了65%。音频制造商Soundz使用它将高音烤架的交付时间从几个月缩短到几天。宝马使用它可以将手持组装工具的重量减少72%。如果没有3D打印，所有这些部件都将需要漫长、昂贵的机械加工或注射成型操作来生产。2022世界杯足球赛时间表
当然，在大多数应用中，3D打印无法与大批量生产方法竞争，在未来一段时间内可能也不会。然而，值得注意的是，这些公司和成千上万的其他公司都愿意采用增材制造技术，因为它是一种生产精密部件的有效方法，在制造最终用途的生产部件时，增材制造技术往往与机械加工或注射成型的同行一样有能力。
对比3D打印技术
这在很大程度上是由一些3D打印技术实现的，所有这些技术都可以根据它们可以使用的材料类型进行分组。以下是它们各自的简要概述。
塑料的生产
选择性激光烧结是一种粉床印刷工艺。它使用激光融合微小的尼龙粉末，一层一层地追踪数字切割的CAD模型的几何形状，并从零件底部向上工作。在每一层完成后，一个滚筒在床的顶部铺上新鲜的材料，这一过程继续下去，直到部分(或多部分组装)完成。在快速刷去多余的粉末和轻喷珠后，部件就准备好了，等待最终使用;虽然可以采用一系列的精加工工艺。由于尼龙是一种耐用、多用途的材料，而且由于加热的粉床的整个体积都可以用来制造零件，所以SLS是许多设计师生产最终用途机械部件和小批量商业产品的最爱。
多射流聚变(MJF)是惠普公司推出的一项相对较新的3D打印技术。与SLS相似的是，它使用了粉末层，目前仅限于尼龙聚合物，尽管随着技术的进步，几乎肯定会有更多的材料可用。不需要支撑材料，后处理极少，整个打印腔都可以用来制造零件。然而，MJF并没有使用激光，而是使用喷墨阵列在整个打印层上沉积熔合和细化剂，并使用红外加热元件来熔合它们。与SLS相比，成品部件提供了更一致的各向同性完整性，而且由于整个床层覆盖在每个打印孔道中(类似于激光喷射打印机)，制造速度取决于制造一个或一批零件所需的层数，而不是表面面积。
熔融沉积建模(FDM)用加热的热塑性塑料制成的鱼线状细丝，将其沉积在超细的并排珠上。在这里，零件一次一层地制造，从底部开始。在制造过程中，FDM打印自己的支架来支持工件，但这些结构很容易溶解在洗涤剂和水，一旦该部件从打印机上移除，之后该部件就可以使用了。各种各样的商业级材料，如ABS，尼龙，聚碳酸酯和PEI (Ultem)， FDM可以打印多种颜色，甚至在一个单一的构建中多个部件。
碳是3D打印的新手，从上到下构建。该公司还使用了一种名为CLIP(连续液体界面生产)的专利技术，将连续序列的部件图像投射到紫外线固化树脂浴中，并在一次流体运动中“生长”部件。完成后，零件被清洗，然后在烤箱中烘烤，引发化学反应，增强和固化树脂。制造速度大大快于竞争过程(有人说是立体光刻的100倍)。此外，用于固化树脂的UV光是可编程的，允许用户在飞行中调整材料性能。例如，Carbon公司的聚氨酯类聚合物可以制成像聚丙烯一样柔软，像ABS一样坚硬，或像热塑性烯烃(TPO)一样弹性体。由此产生的零件可用于从弹簧和垫圈到牙科植入物和制造夹具的生产应用。
金属生产
直接金属激光烧结(DMLS)是另一种粉床印刷技术。它使用激光将铝、钴铬、不锈钢、钛和其他粉末合金熔合成完全致密的金属部件，从下往上一层一层地“拉伸”它们。由于在极端温度下(快速加热和冷却)形成的应力，在制造过程中需要支撑结构，以防止零件卷曲或翘曲。完成后，必须对零件进行热处理以消除残余应力，之后可以通过机械加工或手工磨削去除支架。前面提到的通用电气燃料喷嘴是使用DMLS制造的，以及一系列同样复杂的航空航天和最终用途的医疗部件。
桌面金属(DM)是3D打印领域的另一名新人，提供了两种截然不同但互补的金属打印技术。两者都以比激光金属打印机更快的制造速度，以及更广泛的合金种类而自豪，并以更高的产量为目标。这两个系统是:
- 的工作室系统使用类似于FDM的工艺，加热然后挤压由粉末金属混合聚合物粘合剂制成的棒材。完成后，绿色部分被放入溶剂中进行“脱粘”，去除一部分聚合物，并准备现在“棕色”的部分，随后送往2500度的熔炉。这种方法以类似于金属注射成型(MIM)的方式将单个金属颗粒相互融合。2022世界杯足球赛时间表其结果是，该部件的密度几乎与激光熔接的部件一样，但没有伴随的热效应(或需要构建支撑)，适合大多数最终用途的应用。
- 的生产系统目前处于beta测试阶段，直到2018年底才会发布。它的部件将与使用studio系统打印的部件有许多相同的属性，除了它使用了一个称为单次喷射(SPJ)的过程，并承诺更快的构建速度。不需要脱脂，棕色部分可以直接进入烧结炉。它还提供了完整的“嵌套”的构建腔，这意味着许多部分可以建立在一个单一的打印工作。而且，与工作室系统一样，支撑结构很容易移除——除非需要比打印机更精确或更精细的表面处理，否则不需要进行二次加工——这在生产环境中是一个优势。
每一种3D打印技术都有自己的一套规则，包括设计指南、精度和零件尺寸考虑、表面光洁度和分辨率、材料选择、机械性能等。那些考虑将3D打印用于最终用途生产，或作为传统小批量生产的替代品的人，应该仔细研究每一项技术，从可用的材料开始，然后是部分成本和功能。当然，任何3D打印项目的成功在很大程度上取决于零件设计，甚至比注射成型或加工零件更甚。
下面是一个比较图表，尽管所有的规格都应该与特定的技术供应商或3D打印合作伙伴进行验证，然后再对您的项目做出任何最终决定:
| 可用的材料 | Max。部分尺寸 | 最小特征尺寸。 | 层厚度 | 预期的宽容 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 直接金属激光烧结 | 许多常用的金属和超级合金 | 9.68英寸。x 9.68。x 10.8。(245.87毫米x245.87毫米x274.32毫米) | 0.006英寸。在高分辨率(0.152毫米)。模式 | 0.0008英寸。在高分辨率(0.02毫米)。模式 | + / - 0.003。(0.076毫米) |
| 桌面金属工作室 | 200 +金属合金 | 10。x 6.7。x 6.7。(255mm × 170mm × 170mm)后收缩 | N/A | 0.0012英寸。(0.05毫米) | N/A |
| 桌面金属生产 | 200 +金属合金 | 13。x 13。x 13。(330毫米× 330毫米× 330毫米)建筑面积 | N/A | N/A | N/A |
| 选择性激光烧结 | 类尼龙PA850, PA650，填充尼龙，TPU | 19。x 19。x 22。(482毫米× 482毫米× 558毫米) | 0.030英寸。(0.76毫米) | 0.004英寸。(0.102毫米) | + / - 0.003。(0.076mm) + 0.001 in /in |
| 融合支配权建模 | 类似ABS，尼龙，PC, PPSF, Ultem等 | 36。x 24。x 36。 (914.4毫米x609.6毫米x914.4毫米) |
0.019英寸。(0.48毫米) | 0.007英寸。(0.178毫米)至0.020英寸。(0.508mm)，视材质而定 | + / - 0.0035。或+ / -0.0015。每。(每毫米±0.089毫米或±0.0015毫米)，以较大者为准 |
| 多射流融合 | 类尼龙PA650(尼龙12) | 11.1英寸。x 14.9。x 14.9。(284mm x380mm x380mm) | 0.020英寸。(0.5毫米) | 0.003英寸。(0.076毫米) | + / - 0.004。(0.102mm) + 0.001 in /in |
碳 |
类似ABS，聚丙烯，TPO，玻璃填充尼龙，SLA树脂 | 7.4英寸。x 4.6。x 12.8。(189毫米x118毫米x326毫米) | 因材料而异，但0.004英寸。(0.1毫米) | N/A | 取决于材料和零件几何形状，但假设0.2% +/- 0.01。(0.3mm)特征尺寸 |
使金属
通用电气已经用其3d打印燃料喷嘴清楚地证明，DMLS非常有能力生产高质量的金属最终用途的生产部件，即使是大批量生产。此外，在桌面金属到来之前，DMLS和类似的基于激光的打印技术是唯一的技术。不幸的是，DMLS确实存在一些缺点。这种机器很昂贵——在一个系统上花费100万美元或更多并不罕见——所以产品开发人员、设计师和工程师经常使用小批量的零件供应商，而不是内部的3D打印。因为dmls打印的零件需要支撑结构，所以需要到机加工车间或研磨部门进行印后去除。热处理也是如此，以减轻印刷过程中产生的应力。尽管如此，航空航天和医疗公司还是以十年前很少有人认为可能的方式接受了DMLS。所生产的部件处于3d打印成本的高端，但这很容易被较低的组装部件数量、更轻的重量但更强的产品以及以前从未可能的“不可制造”部件设计所抵消。
这就是Desktop Metal (DM)的用处。无论采用何种平台，该工艺在性能和产品完整性方面与已有几十年历史的金属注射成型(MIM)工艺相似。2022世界杯足球赛时间表最大的区别是DM不需要模具或MIM之类的其他工具。这增加了灵活性，缩短了交货期，并且，在较低的零件数量(如1000件以下，取决于零件的复杂程度)下，降低了零件成本。DM的工作室机器只是DMLS系统的一小部分，而且DM的生产打印机预计也会便宜得多。当你考虑到据称加速打印速度和事实，在构建过程中不需要支撑结构，桌面金属有很大的潜力颠覆金属3D打印行业。
然而，DM零件在固化过程中收缩(虽然可以预测)。基于零件的几何形状和材料，这可以说意味着他们将不像DMLS零件一样准确，永远。此外，与DMLS一起使用的金属需要很多年才能通过用于飞机和人体的检验。由于DM利用了与MIM相同的、众所周知的金属，认证之路应该短得多，但它仍然是必须要走的。部分设计师在跳上桌面金属的潮流之前必须考虑到所有这些。
聚合物的潜力
支持和反对各种基于聚合物的3D打印技术也有类似的争论。例如，SLS生产非常精确的部件，具有良好的特征，不需要构建支撑，但仅限于尼龙类材料和TPU(热塑性聚氨酯)。MJF更精确(除了非常小的零件特征)，明显更快，且具有更一致的各向同性(z轴)强度，但提供的材料较少(目前只有未填充尼龙12)。这两种工艺都允许填充整个造腔室，这是一个需要大量零件的重要点。无论哪种方式，如果你正在寻找生产部件尼龙将做(涵盖许多要求)，这两种技术都是一个可靠的选择。
FDM机器提供了比SLS和MJF加起来更多的材料选择。然而，它的精度不高，表面处理有点“粗糙”，使它牢牢地留在原型和小批量零件制造领域(尽管它仍然是尺寸之王，有足够大的建造室)。然后是碳。它可以处理与FDM一样多的聚合物，并承诺以高达100倍的速度制造零件。它的精度也相当好，因为没有层，表面光洁度更好。对于许多生产部件，这是一个极好的妥协，特别是在其更大的速度。
无论如何，3D打印的优势在于:设计师很容易通过将他们的零件设计发送到原型中进行测试，确定哪种工艺提供了价格、精度和材料的最佳组合，然后很容易地过渡到3D打印生产，如果这是最有意义的。只要确保随着零件体积的增加，数学计算仍然有效，并且你的零件设计是可以使用传统工艺制造的——太多的设计师把自己画成3d打印的角落，最终在重新设计和开发时间上付出高昂的代价。
传统的思维
说到部分体积，怎么了2022世界杯足球赛时间表？绝对没有。许多供应商提供快速注射成型服务，允许经济部分生产几乎任何数量。2022世界杯足球赛时间表华体会app官网加工服务也是如此。华体会app官网如果一个金属部件很容易和经济有效地制造在一个数控车床或铣床中心，它可能不是DMLS或桌面金属的好候选者。记住，3D打印没有复杂性。但在注射成型、机械加工、2022世界杯足球赛时间表铸造和其他传统制造工艺中，复杂的零件设计使生产成本飙升。
讽刺的是，3D打印最大的成本之一(除了许多3D打印机的价格标签)，是原材料本身。然而，大多数行业专家都认为，随着3D打印越来越受欢迎，以及越来越多的大牌供应商的加入，金属粉末的供应和需求正在发生翻天覆地的变化。同样的道理也适用于聚合物，尽管可能在较小程度上要感谢基于树脂的3D打印行业的相对成熟。随着巴斯夫(BASF)、陶氏化学(Dow Chemical)、惠普(HP)等公司争夺塑料和金属供应的市场份额，这只会导致3d打印产品的消费者价格下降。
特别感谢Carbon and Go工程师为本白皮书提供的信息。