3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础,也是当前制约3D打印发展的瓶颈,在某种程度上,材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。
3D打印耗材形态多数为粉末状。通常根据打印设备的类型及操作条件的不同,所使用的粉末状3D打印材料的粒径为1~100μm不等,而为了使粉末保持良好的流动性,一般要求粉末要具有高球形度。
粉末材料的物理性能包括粒度、颗粒形貌、粒度分布、熔点、比热等。粉末材料的这些性质对烧结件成型性(所谓成型性是指粉末材料适合选择性激光烧结的难易程度和获得合格原型件或功能件的能力)有着重大的影响,处理不好,不仅会影响成型质量,甚至会导致整个工艺无法进行。
理论上讲,所有受热后能相互粘结的粉末材料或表面覆有热塑(固)性粘结剂的粉末材料都能用作SLS材料。但要真正适合SLS烧结,要求粉末材料有良好的热塑(固)性,一定的导热性,粉末经激光烧结后要有一定的粘结强度;粉末材料的粒度不宜过大,否则会降低成型件质量;而且SLS材料还应有较窄的“软化-固化”温度范围,该温度范围较大时,制件的精度会受影响。
大体来讲,粉末激光烧结成型工艺对成型材料的基本要求是:
1)具有良好的烧结性能,无须特殊工艺即可快速精确地成型原型。
2)对于直接用作功能零件或模具的原型,力学性能和物理性能(强度、刚性、热稳定性、导热性及加工性能)要满足使用要求。
3)当原型间接使用时,要有利于快速方便的后续处理和加工工序,即与后续工艺的接口性要好。(www.xing528.com)
SLS是一种以激光为热源烧结粉末材料成型的快速成型技术。任何受热后能融化并粘结的粉末均可作为SLS 3D打印材料,包括高分子、陶瓷、金属粉末及它们的复合粉末。其中,高分子粉末由于所需烧结能量小、烧结工艺简单、打印制品质量好,已成为SLS打印的主要原材料。满足SLS技术的高分子粉末材料应具有粉末熔融结块温度低、流动性好、收缩小、内应力小和强度高等特点。用于SLS的粉末材料主要有:
(1)陶瓷粉 陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性,在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。但由于陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成型尤其困难,特别是复杂陶瓷件需通过模具来成型,模具加工成本高、开发周期长,难以满足产品不断更新的需求。
3D打印陶瓷粉按工艺过程可划分为:逐层粘结法和直接成型法,直接成型法能直接打印更为复杂的含闭孔结构。逐层粘结法指利用喷嘴向待成型的陶瓷粉床上喷射粘结剂,打完一层后,在料床表层添加新粉,再喷粘结剂,如此重复进行,最后除去未喷射粘结剂的粉料即可得到立体物件。直接成型法是将待成型的陶瓷粉与结合剂制备成陶瓷墨水,通过3D打印直接成型(类似于FDM)。
(2)高分子粉末材料 目前常见的适用SLS的热塑性树脂有聚苯乙烯(PS)、尼龙(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)和蜡粉等。热固性树脂如环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂、氨基树脂、聚氨酯、有机硅树脂和芳杂环树脂等由于强度高、耐火性好等优点,也适用于SLS 3D打印成型工艺。其中,PS粉末因其吸湿率小、成型温度范围宽、收缩率相对较小等优点获得了广泛的应用,成为快速熔模铸造的主要成型材料。
(3)蜡粉 传统的熔模精铸用蜡(烷烃蜡、脂肪酸蜡等),其熔点较低,在60℃左右,烧熔时间短,烧熔后没有残留物,对熔模铸造的适应性好,且成本低廉。
(4)树脂砂 采用树脂砂进行SLS烧结成型,可以改进砂型铸造工艺,直接打印成型型芯。用选择性激光烧结成型的树脂砂芯经后固化后可直接进行浇铸,比传统的工艺节省时间和能源。
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