塑料件生产必看的高速烧结3D打印技术

| 3DScienceValley · 2022/05/15

随着技术和行业的成熟，越来越多的制造企业正在使用增材制造-3D打印技术生产产品。最新Wohlers 报告显示，2021年塑料3D打印粉末材料的消费量增长了43.3%，超过了光聚合3D打印所用的树脂材料，成为最常用的3D打印塑料材料。

在基于粉末床工艺的3D打印技术中，有一种在打印速度、相关部件成本等方面颇具优势的技术-高速烧结HSS。voxeljet-维捷将高速烧结3D打印技术进行了商业化，并基于该技术陆续推出了不同型号的工业级3D打印设备。

近日，voxeljet-维捷对其高速烧结设备的打印工艺、关键器件-喷墨打印头、控制软件以及材料进行了详细解读。本期，3D科学谷将借此与谷友们深入了解这一技术。

丰富的材料

实现自由的产品结构设计

高速烧结-HSS 3D打印的基本原理是，采用红外线灯和喷墨打印头进行粉末材料的增材制造。打印头快速准确地将油墨传送到粉末床上。在HSS加工过程中，喷墨打印头将黑色的红外辐射吸收油墨沉积在热塑性粉末床上，然后红外灯加热粉末，导致塑料粉末颗粒熔化，从而固化每一层的形状。

高速烧结过程

恰到好处的分辨率与更长寿命的喷墨头

高速烧结HSS技术使用工业压电喷墨头和单一能量吸收剂。能量吸收剂是一种油基墨水，用于为粉末床着色。通过精确的光波控制和波长定义，红外能量可以有选择地射入粉末床，并且仅在需要打印零件的地方射入，这种精确的控制容易保证清晰的边缘细节。

这种技术组合有利于建构打印过程中的温度管理。精密过滤防止了灯管烧坏，并显著提高了灯的使用寿命。还有一个积极影响是简化了组件的拆包。

虽然打印机喷墨头可实现的分辨率可达1200dpi，但最终粉末材料的平均粒度会成为实际分辨率的限制因素（PA12通常为55微米），因此打印头的分辨率并不是越高越好，只要做好热管理工作即可对细节精度起到很好的作用。在打印过程中，必须对各个颗粒的间隙和接触点进行染色，才能保证材料被烧结。维捷高速烧结设备中的打印喷墨头提供360dpi的分辨率，这意味着液滴仅比55微米的PA12颗粒稍大一些，因此可以使粉末颗粒完全涂上油墨。

数据来源：voxeljet-维捷

* 取决于材料和颗粒大小

** voxeljet-维捷将为用户提供有关材料选择的建议，但相关风险由用户负责。

*** 视打印高度而定

此外，工业喷墨打印头与墨水的优良匹配提高了打印头的耐用性。喷墨打印头与油基油墨结合使用，具有使用寿命长、磨损低的特点。根据voxeljet-维捷，其“长寿”的打印喷头已经连续使用了超过四年的时间。

喷墨打印头也可用于水性和溶剂型墨水打印。但油基油墨除了低磨损外还有其他优点—适用于更多种类的材料，例如，疏水性聚丙烯（PP）使用油基油墨更易于加工。

实现最大灵活性的开源软件

voxeljet-维捷的高速烧结控制软件是这项技术的一个亮点，用户可以使用该软件对任意参数（如软硬组件的属性）进行精确的个性化调整。这适用于各种类型的塑料材料，如PA12、PP、TPU、PEBA和EVA。

3D打印的工艺流程由voxeljet-维捷开发的控制软件ProPrint进行控制。这一开源解决方案的特别之处在于，用户可以根据自己的材料需求自由定制所有最重要的参数，并将它们调整到最佳设置。ProPrint允许自由控制用于熔融印刷颗粒的能量输入。层厚、墨水输入以及许多其他参数都可以进行单独配置。

I主要优势

单独配置温度源。
可自由调节重涂速度、层厚等，以微调印刷工艺流程。
可以加工粒度从30微米到1.3毫米不等的各种粉末。
可以针对更硬或更软的组件性能定义红外灯通路。
墨水用量调整。
可以单独分析、评估和编程工艺流程数据。
打印系统遥测数据的完全访问权限。
基于位图的打印，让用户可以访问单个打印切片（流线型）。
无论零件在作业框内采用何种对齐方式，组件都具有X、Y、Z轴各向同性的表面。

自由、丰富的材料选择

目前，voxeljet-维捷的高速烧结设备已拥有丰富的粉末材料选择。包括聚酰胺-12（PA12）、聚丙烯（PP）、热塑性聚氨酯（TPU）和乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）。这意味着用户可以在原型和功能部件制造时实现多样化的塑料特性。

丰富的3D打印材料种类意味着广阔的应用潜力。例如，使用PA12材料，可以制造塑料功能件、小型计算机外壳或汽车内饰；聚丙烯（PP）材料是应用最广泛的塑料之一，具有耐化学腐蚀性和疏水性，适用于汽车内饰、电线电缆套管或配件；而弹性TPU材料，可用于内外鞋底、精密密封件、滚轴、套筒等；EVA材料也广泛应用于制鞋行业，日用品和花园用品包装或柔性软管。

高速烧结v.s.注塑

塑料件增材制造与注塑工艺的区别是应用端迫切关注的问题。voxeljet-维捷对高速烧结3D打印技术与传统注塑工艺进行了对比。

VX1000 HSS设备塑料件批量生产

使用高速烧结技术，零件可在功能和耐久性方面进行优化，注塑件则是针对大规模生产进行优化。

VX1000 HSS设备塑料件批量生产

相比之下，高速烧结可实现高度复杂的几何形状，并提供优良的分辨率，这在生产板条或纹理等时尤为重要，注塑工艺难以实现微小的间隙或空间。然而，在大尺寸批量生产方面，HSS暂时还无法达到注塑成型的经济性。对于大批量生产几何形状较简单的零件，采用注塑工艺是更好的选择。尽管如此，voxeljet-维捷研发部门已在研究一种更经济的技术，具有更大的成形空间体积和相应更快的层打印时间。