FDM3D打印線材

1、FDM成型技術(shù)的線材有很多，例如：ABS PLA、尼龍、木質(zhì)，甚至食物。隨著時間的推移，越來越多的3D打印機生產(chǎn)廠家開始投身線材制作。相比通用線材制造商，3D打印機生產(chǎn)廠家推出的線材更加適用于該廠家生產(chǎn)的3D打印機。大部分線材在直徑上有 1.75mm、3.0mm兩種規(guī)格。一、3D打印材料分類1 .按材料的物理狀態(tài)分類 可以分為液體材料、薄片材料、粉末材料、絲狀材料等。2 .按材料的化學(xué)性能分類按材料的化學(xué)性能不同又可分為樹脂類材料、石蠟材料、金屬材料、陶瓷材料及其復(fù)合材料等。3 .按材料成型方法分類按成型方法的不同可以分為：SLA材料、LOM材料、SL川料、FDM材料等。液態(tài)材料：SLA,光敏

2、樹脂固態(tài)粉末：SLS非金屬（蠟粉，塑料粉，覆膜陶瓷粉，覆膜砂等）金屬粉（覆膜金屬粉）固態(tài)片材：LOM紙，塑料，陶瓷箔，金屬鉗 +粘結(jié)劑固態(tài)絲材：FDM蠟絲，ABS絲等二、3D打印材料基本性能1 . 3D打印對材料性能的一般要求：有利于快速、精確地加工原型零件；快速成型制件應(yīng)當(dāng)接近最終要求，應(yīng)盡量滿足對強度、剛度、耐潮濕性、熱穩(wěn)定性能等的要求；應(yīng)該有利于后續(xù)處理工藝。2 .不同應(yīng)用目標(biāo)對材料性能的要求：3D打印的四個應(yīng)用目標(biāo)：概念型、測試型、模具型、功能零件，對成型材料的要求也 不同。概念型對材料成型精度和物理化學(xué)特性要求不高，主要要求成型速度快。如對光敏樹脂,要求較低的臨界曝光功率、較大的穿透

3、深度和較低的粘度。測試型對于成型后的強度、剛度、耐溫性、抗蝕性能等有一定要求，以滿足測試要求。如果用于裝配測試，則要求成型件有一定的精度要求。模具型要求材料適應(yīng)具體模具制造要求，如強度、硬度。如對于消失模鑄造用原型，要求材料易于去除，燒蝕后殘留少、灰分少。功能零件則要求材料具有較好的力學(xué)和化學(xué)性能。三，3D打印光固化成型材料1、3D打印光固化材料的應(yīng)用制作各種樹脂樣品或功能件，用作結(jié)構(gòu)驗證和功能測試；制作精細(xì)零件；制作有透明效果的制件；快速模具的母模，翻制各種快速模具；代替熔模精密鑄造中的消失模用來生產(chǎn)金屬零件。2、光固化成形樹脂需具備的特性粘度低，利于成型樹脂較快流平，便于快速成型。固化收縮

4、小，固化收縮導(dǎo)致零件變形、翹曲、開裂等，影響成型零件的精度，低收縮性 樹脂有利于成型出高精度零件。濕態(tài)強度高，較高的濕態(tài)強度可以保證后固化過程不產(chǎn)生變形、膨脹及層間剝離。溶漲小，濕態(tài)成型件在液態(tài)樹脂中的溶漲造成零件尺寸偏大；雜質(zhì)少，固化過程中沒有氣味，毒性小，有利于操作環(huán)境。3、光固化成形樹脂的組成及固化機理應(yīng)用于SLA技術(shù)的光敏樹脂，通常由兩部分組成，即光引發(fā)劑和樹脂，其中樹 脂由預(yù)聚物、稀釋劑及少量助劑組成。當(dāng)光敏樹脂中的光引發(fā)劑被光源 （特定波長的紫外光或激光）照射吸收能量時， 會產(chǎn)生自由基或陽離子， 自由基或陽離子使單體和活性齊聚物活化， 從而發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而生 成高分子固化物。4、SL

5、A樹脂的收縮變形樹脂在固化過程中都會發(fā)生收縮，通常線收縮率約為3%。從高分子化學(xué)角度講，光敏樹脂的固化過程是從短的小分子體向長鏈大分子聚合體轉(zhuǎn)變的過程，其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，因此，固化過程中的收縮是必然的。從高分子物理學(xué)方面來解釋， 處于液體狀態(tài)的小分子之間為范德華作用力距離， 而固體態(tài)的聚合物，其結(jié)構(gòu)單元之間處于共價鍵距離，共價鍵距離遠(yuǎn)小于范德華力的距離， 所以液態(tài)預(yù)聚物固化變成固態(tài)聚合物時，必然會導(dǎo)致零件的體積收縮。5、SLA的后固化盡管樹脂在激光掃描過程中已經(jīng)發(fā)生聚合反應(yīng)，但只是完成部分聚合作用，零件中還有部分處于液態(tài)的殘余樹脂未固化或未完全固化（掃描過程中完成部分固化，避免完全固化引

6、起的變形），零件的部分強度也是在后固化過程中獲得的，因此，后固化處理對完成零件內(nèi)部樹脂的聚合，提高零件最終力學(xué)強度是必不可少的。后固化時，零件內(nèi)未固化樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)，體積收縮產(chǎn)生均勻或不均勻形變。與掃描過程中變形不同的是，由于完成掃描之后的零件是由一定間距的層內(nèi)掃描線相互粘結(jié)的薄層疊加而成， 線與線之間、面與面之間既有未固化的樹脂，相互之間又存在收縮應(yīng)力和約束，以及從加工溫度 （一般高于室溫）冷卻到室溫引起的溫度應(yīng)力，這些因素都會產(chǎn) 生后固化變形。但已經(jīng)固化部分對后固化變形有約束作用，減緩了后固化變形。零件在后固化過程中也要產(chǎn)生變形，實驗測得零件后固化收縮占總收縮量的 30%40%。6、SL

7、A材料的發(fā)展（1） SLA復(fù)合材料SLA光固化樹脂中加入納米陶瓷粉末、短纖維等，可改變材料強度、耐熱性能 等，改變其用途，目前已經(jīng)有可直接用作工具的光固化樹脂；（2） SLA作為載體.SLA光固化零件作為殼體，其中填加功能性材料，如生物活性物質(zhì)，高溫下, 將SLA燒蝕，制造功能零件。（3）其它特殊性能零件，如橡膠彈性材料。四、3D打印粉末燒結(jié)成型材料理論上講，所有受熱后能相互粘結(jié)的粉末材料或表面覆有熱塑（固）性粘結(jié)劑的粉末材料都能用作SL川料。但要真正適合SLS燒結(jié)，要求粉末材料有良好的熱塑（固）性，一定的導(dǎo)熱性， 粉末經(jīng)激光燒結(jié)后要有一定的粘結(jié)強度；粉末材料的粒度不宜過大， 否則會降低成型件

8、質(zhì)量；而且SLS材料還應(yīng)有較窄的“軟化-固化”溫度范圍，該溫度范圍較大時，制件的精度會受 影響。大體來講，3D打印激光燒結(jié)成型工藝對成型材料的基本要求是：具有良好的燒結(jié)性能，無需特殊工藝即可快速精確地成型原型；對于直接用作功能零件或模具的原型，機械性能和物理性能（強度、剛性、熱穩(wěn)定性、 導(dǎo)熱性及加工性能）要滿足使用要求；當(dāng)原型間接使用時，要有利于快速方便的后續(xù)處理和加工工序，即與后續(xù)工藝的接口性要好。1、蠟粉（1）用途：燒結(jié)制作蠟型，精密鑄造金屬零件。（2）傳統(tǒng)的熔模精鑄用蠟（烷燃蠟、脂肪酸蠟等），其熔點較低，在60c左右，燒熔時間短，燒熔后沒有殘留物，對熔模鑄造的適應(yīng)性好，且成本低廉。（3）

9、但存在以下缺點：對溫度敏感，燒結(jié)時熔融流動性大，使成型不易控制；成型精度差，蠟?zāi)３叽缯`差為± 0.25mm；蠟?zāi)姸容^低，難以滿足具有精細(xì)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的要求；粉末的制備十分困難。2、聚苯乙烯（PS）聚碳酸酯、工程塑料 （ABS）（1）特點：聚苯乙烯（PS）W于熱塑性樹脂，熔融溫度 100 C,受熱后可熔化、粘結(jié)，冷卻后 可以固化成型，而且該材料吸濕率很小，僅為0.05%,收縮率也較小，其粉料經(jīng)過改性后，即可作為激光燒結(jié)成型用材料。（2）用途：燒結(jié)成型件經(jīng)不同的后處理工藝具有以下功能：第一，結(jié)合浸樹脂工藝，進一 步提高其強度，可作為原型件及功能零件。第二、經(jīng)浸蠟后處理，可作為精鑄蠟?zāi)?/p>

10、使用，通 過熔模精密鑄造，生產(chǎn)金屬鑄件。3、尼龍粉末(PA)(1)用途：粉末粒徑小，制作模型精度高，用于 CAD數(shù)據(jù)驗證；因為具有足夠的強度 可以進行功能驗證。(2)特點：燒結(jié)溫度一粉末熔融溫度 180 C ；燒結(jié)制件不需要特殊的后處理，即可以具有49MPa的抗拉伸強度。(3)其它：尼龍粉末燒結(jié)快速成型過程中，需要較高的預(yù)熱溫度，需要保護氣氛，設(shè) 備性能要求高。4、覆膜砂粉末、覆膜陶瓷粉末材料(1)覆膜砂與鑄造用覆膜砂類似，采用熱固性樹脂，如酚醛樹脂包覆錯砂(ZrO2)、石英砂(SiO2)的方法制得。利用激光燒結(jié)方法，制得的原型可以直接當(dāng)作鑄造用砂型(芯) 來制造金屬鑄件，其中錯砂具有更好的鑄

11、造性能， 尤其適合于具有復(fù)雜形狀的有色合金鑄件， 如鎂、鋁等合金的鑄造。材料成分：包覆酚醛樹脂的石英砂或錯砂，粒度 160目以上；應(yīng)用：用于制造砂型鑄造的石英或錯型(芯)；應(yīng)用實例：砂型鑄造及型芯的制作，適用于單件、小批量砂型鑄造金屬鑄件的生產(chǎn)，尤 其適合用于傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實現(xiàn)的金屬鑄件。(2)覆膜陶瓷粉與覆膜砂的制作過程類似，被包覆陶瓷粉可以是A12O3、ZrO2和SiC等,激光燒結(jié)快速成型后，結(jié)合后處理工藝，包括脫脂及高溫?zé)Y(jié)， 可以快捷地制造精密鑄造用型殼，進而澆注金屬零件。也可以直接制造工程陶瓷制件，燒結(jié)后再經(jīng)熱等靜壓處理，零件最后相對 密度高達(dá)99.9%,可用于含油軸承等耐磨、耐熱

12、陶瓷零件。5、金屬粉末用SLS制造金屬功能件的方法有間接法和直接法，其中間接法速度較快，精度 較高，技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛。5.1 間接燒結(jié)成型：(1)間接燒結(jié)成型的原理。用高分子聚合物作為粘結(jié)劑。由于聚合物軟化溫度較低，熱塑性較好及粘度低， 采用包覆制作工藝， 將聚合物包覆在金屬粉末表面，或者將其與金屬粉末材料以某種形式混在一起，在用SLS成型時，激光加熱使聚合物成為熔融態(tài)，流入金屬粉粒間，將金屬粉末粘結(jié)在一起而成型。在成型的坯件 (green part)中，既有金屬成分，又 有聚合物成分。坯件還需要進行熱降解、二次燒結(jié)和滲金屬后處理，才能成為純金屬件。間接法使用的材料中， 結(jié)構(gòu)材料是金屬，

13、主要是不銹鋼和饃粉， 聚合物主要是熱塑性材 料。熱塑性聚合物材料有兩類，一類是無定型，另一類是結(jié)晶型。無定型材料分子鏈上分子 的排列是無序的，如PC材料；結(jié)晶型材料分子鏈上分子的排列是有序的，如尼龍(nylon)材料。這兩種熱塑性聚合物都可以用來作SL川料中的粘結(jié)劑。;.由于無定型材料和結(jié)晶型材料各有不同的熱特性，因此也決定了SLS工藝參數(shù)的不同。聚合物在成型材料中主要以兩種形式存在，一種是聚合物粉末與金屬粉末的機械混合物，另一種是聚合物均勻地覆在金屬粉粒的表面。將聚合物覆蓋在金屬粉末表面的方法有多種，如可將熱塑性材料制成溶液，稀釋后與粉末混合，攪拌，然后干燥；還可將聚合物加熱 熔化，以霧狀噴

14、出，覆在粉粒表面。在聚合物和金屬粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，覆層粉末燒結(jié)后的強度要高于機械混合的材料。目前，應(yīng)用最多的成型材料主要是覆層金屬粉末。(2)間接法燒結(jié)成型工藝激光燒結(jié)。工藝參數(shù)：激光功率、掃描速度、掃描間距、粉末預(yù)熱溫度。后處理工藝。成型坯件必須進行后處理才能成為密實的金屬功能件。后處理一般有三 步：降解聚合物、二次燒結(jié)和滲金屬。這三個階段可以在同一個加熱爐中進行，保護氣氛為 30%的氫氣，70%的氮氣。降解聚合物降解加熱在兩個不同溫度的保溫階段完成，先將坯件加熱到350 C,保溫5h,然后再升溫到 450C,保溫4h。在這兩個溫度段，聚合物都發(fā)生分解，其產(chǎn)物是 多種氣體，通過加熱爐

15、上的抽風(fēng)系統(tǒng)將其去除。通過降解，98 %以上的聚合物被去除。二次燒結(jié)當(dāng)聚合物大部分被降解后，金屬粉粒間只靠殘余的一點聚合物和金屬 粉末間的摩擦力來保持，這個力是很小的。要保持形狀，必須在金屬粉粒間建立新的聯(lián)系， 這就是將坯件加熱到更高溫度，通過擴散來建立聯(lián)結(jié)。加熱溫度根據(jù)材料確定，對 RapidSteel110,加熱到約 1000 C,保溫 8h。滲金屬二次燒結(jié)后的成型件是多孔體，強度也不高，提高強度的方法就是滲 金屬。熔點較低的金屬熔化后，在毛細(xì)力或重力的作用下，通過成型件內(nèi)相互連通的孔洞， 填滿成型件內(nèi)的所有空隙，使成型件成為密實的金屬件。滲金屬在可控氣氛或真空中進行。在可控氣氛中，必須使

16、滲入金屬單向流動，這樣可讓連通孔隙中的空氣離開成型件；如多方向滲入，會將成型件中的氣體封在體內(nèi)，形成氣孔而削弱強度。如果將成型件置于真空室內(nèi)滲金屬，由于成型件內(nèi)沒有空氣存在，可將成型件浸入液態(tài)金屬中，金屬液體從四周同時滲入，滲入速度快，時間短。(3)間接燒結(jié)快速成型零件工藝特點用SLS系統(tǒng)間接成型金屬件，其成型速度較快，可制造形狀復(fù)雜的金屬件，主要用來快速制造注塑模和壓鑄模。間接法制造金屬件的缺點是制件的精度有限，由于在降解和二次燒結(jié)過程之中存在體積的收縮，補償?shù)淖饔糜邢?；還有后處理時間比較長。為解決這些問題，在以下兩方面進行研究： 改進粘結(jié)劑，滲入非金屬材料， 取消降解和二次燒結(jié)過程，使坯件

17、不通過加熱，這樣的成型件具有高的精度，制造周期短，成本低，可滿足使用壽命短的模具要求。5.2直接燒結(jié)成型和間接燒結(jié)成型相比， 直接燒結(jié)成型過程明顯縮短，無需間接燒結(jié)時復(fù)雜的后處理階段。但必須有較大功率的激光器，以保證直接燒結(jié)過程中金屬粉末的直接熔化。因而，直接燒結(jié)中激光參數(shù)的選擇，被燒結(jié)金屬粉末材料的熔凝過程控制是燒結(jié)成型中的關(guān)鍵。激光功率是激光直接燒結(jié)工藝中的一個重要影響因素。功率越高，激光作用范圍內(nèi)能量密度越高， 材料熔化越充分，同時燒結(jié)過程中參與熔化的材料就越多，形成的熔池尺寸也就越大，粉末燒結(jié)固化后易生成凸凹不平的燒結(jié)層面，激光功率高到一定程度， 激光作用區(qū)內(nèi)粉末材料急劇升溫，能量來不

18、及擴散，易造成部分材料甚至不經(jīng)過熔化階段直接汽化，產(chǎn)生金屬蒸汽。在激光作用下該部分金屬蒸汽與粉末材料中的空氣一道在激光作用 區(qū)內(nèi)匯聚、膨脹、爆破，形成劇烈的燒結(jié)飛濺現(xiàn)象，帶走熔池內(nèi)及周邊大量金屬，形成不連 續(xù)表面，嚴(yán)重影響燒結(jié)工藝的進行， 甚至導(dǎo)致燒結(jié)無法繼續(xù)進行。同時飛濺產(chǎn)物也容易造成燒結(jié)過程的“夾雜”。光斑直徑是激光燒結(jié)工藝的另外一個重要影響因素?？偟膩碚f，在滿足燒結(jié)基本條件的前提下，光斑直徑越小， 熔池的尺寸也就可以控制得越小，越易在燒結(jié)過程中形成致密、精 細(xì)、均勻一致的微觀組織。同時，光斑越細(xì)，越容易得到精度較好的三維空間結(jié)構(gòu)，但是光 斑直徑的減小，預(yù)示著激光作用區(qū)內(nèi)能量密度的提高，光

19、斑直徑過小，易引起上述燒結(jié)飛濺現(xiàn)象。掃描間隔是選擇性激光燒結(jié)工藝的又一個重要影響因素，它的合理選擇對形成較好的層面質(zhì)量與層間結(jié)合， 提高燒結(jié)效率均有直接影響。 同間接工藝一樣，合理的掃描間隔應(yīng)保證 燒結(jié)線間、層面間有適當(dāng)重疊。五、3D打印熔融沉積材料FDM材料可以是絲狀熱塑性材料，常用的有蠟、塑料、尼龍絲等。首先，F(xiàn)DM材料要有良好的成絲性；其次，由于 FDM過程中絲材要經(jīng)受“固態(tài)-液態(tài)-固態(tài)”的轉(zhuǎn)變，故要求 FDM在相變過程中有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，且FDM材料要有較小的收縮性。對于氣壓式FDM設(shè)備，材料可以不要求是絲狀，可以是多種成分的復(fù)合材料。1、ABS塑料絲適用于料絲自加壓式送絲噴頭結(jié)構(gòu)和螺旋擠壓式送絲噴頭。2、