詳細對比幾種工業聚合物3D打印技術：VOXELJET HSS、HP MJF 和 SLS
時間：2022-10-14 10:09 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：如今的聚合物3D打印市場正在迅速增長，據有關報告顯示，整個2021年聚合物粉末消費增長了43.3%，超過了光敏樹脂，成為使用最多的3D打印材料。因此，工業3D打印機原始設備制造商之間的競爭比以往任何時候都要激烈，高速燒結（HSS）、多射流融合噴射（MJF）和選擇性激光燒結（SLS）等技術讓制造企業有了充分的選擇。
HSS技術最初是由拉夫堡大學的NeilHopkinson和贏創公司的Sylvia
Monsheimer在21世紀初同時發明的，是一種基于粉末的3D打印工藝，類似于粘合劑噴射，因其快速的打印速度和大型部件的生產能力而聞名。自2016年該技術獲得商業化許可以來，voxeljet已經開發了自己的HSS版本，并在2017年推出了其第一臺HSS3D打印機。此后，該公司以VX200
HSS和VX1000HSS等幾款由HSS驅動的3D打印機充實了其產品系列。同樣，MJF也是粘合劑噴射器旗幟下的一項技術。惠普公司為功能原型和終端生產提供工程級的聚合物部件，在汽車和消費品等行業都有應用。與HSS和MJF（基于噴墨的工藝）不同，SLS是一種激光粉末床熔合的形式。該方法利用高功率激光束和掃描系統，在聚合物粉末床中3D打印零件。由于所有工藝都具有類似的特性和表面處理，這些聚合物打印技術被視為競爭對手的情況并不少見。在本篇概述中，我們將介紹這三種技術的來龍去脈，看看它們之間有什么不同。
△voxeljetVX1000 HSS。圖片來自voxeljet。
噴墨打印之爭：HSS與MJF
那么，HSS是如何工作的？它首先將一層薄薄的聚合物粉末涂在一個加熱的構建平臺上。然后，噴墨打印頭在平臺上移動，將紅外反應墨水噴射到粉末床的選定區域。一旦暴露在紅外光下，注入墨水的粉末就會吸收熱量，燒結并融合成一個固體層，留下未打印的區域作為散粉。然后，構建平臺被降低，新的粉末層被沉積，這個過程逐層重復，直到3D零件被打印出來。
MJF在許多方面與HSS相似。與HSS工藝非常相似，MJF涉及將一種吸收輻射的液體（又稱熔融劑）噴射到聚合物粉末床的某些區域。其他區域的邊界，即不被打印的區域，用一種稱為細化劑的輔助液體進行冷卻。一旦噴射完成，就用一個紅外燈來輻射整個構建區域，使沾有結合劑的部分融合。用細化劑噴射的邊界則保持不融合。除了voxeljet的VX1000打印機的巨大尺寸之外，這兩種技術的主要區別在于使用的液體數量。HSS不需要第二種冷卻劑，因為voxeljet的3D打印機可以獨立控制結合和未結合的粉末材料的溫度。他們通過使用兩種不同波長的紅外發射器來做到這一點，這意味著不需要細化劑來實現精確的邊緣定義。
由于其細化劑，MJF擁有1200dpi的分辨率，而HSS只有360dpi。但決定零件分辨率的關鍵因素仍然是粉末的粒度，所以在這種情況下，更高的噴頭分辨率并不一定意味著更精確的零件。事實上，由于HSS的液滴比單個聚合物晶粒（通常約55微米寬）略大，它們能夠完全覆蓋晶粒之間的交叉點，這對于燒結的發生至關重要。
△HSS和MJF的分辨率比較。圖片來自voxeljet
從一些關鍵技術規格來看，MJF系統的最大構建體積為380 x 294 x 380毫米，而voxeljet
VX1000 HSS的特點是1000 x 540 x 180毫米（用于PA12）。在打印速度方面，VX1000
HSS也有自己的優勢，其速度為7300cm3/h。另一方面，生產力最高的MJF 3D打印機的打印速度為5058cm3/h。這兩種工藝的另一個主要區別是HSS對3D打印的開源方法。Voxeljet的客戶能夠自由訪問他們機器的所有工藝參數，毫無障礙地將他們的構建適應自己的材料。由于用戶直接與材料供應商談判自己的粉末價格，這可以大大節省成本。兼容的聚合物清單很長，包括PA12、TPU和PP，這些都是商業化的或即將上市的。此外，成功的概念驗證包括PA613、PEBA和EVA。相比之下，MJF 3D打印機能夠加工PA12、PA11和PP。這兩種技術都允許對未打印的粉末材料進行回收和再加工。
△MJF3D打印機的構建室。照片來自Protolabs。
將SLS 3D打印添加到組合中
為了全面起見，我們還將在這次對比中提及SLS 3D打印。SLS三維打印機是這樣工作的：激光器最初將零件的第一層的二維截面掃描到粉末床上，這并不完全是融化粉末，而是將其打碎，使其融合成一個固體層。一旦第一層完成，構建平臺向下移動，促使再涂層機在現有的粉末床上鋪上一層薄而均勻的材料。這種打印和重涂的循環一直重復到整個構建完成。最大的SLS系統可以打印一米范圍內的零件，Z高度的打印速度約為48毫米/小時（取決于盒子的利用率）。粉末床熔融生態系統是3D打印行業中最先進的系統之一，這意味著今天的工業級SLS系統可以兼容所有形式的聚合物粉末。這包括PA6、PA11、PA12、TPU、PP、PAEK、PEEK，以及更多。
△EOS工業聚合物3D打印機的構建室。照片來自EOS。
HSS vs MJF vs SLS：機械性能
為了評估每種3D打印技術的機械性能，我們看了一些由一系列供應商提供給我們的拉伸測試數據。這些數據涵蓋了每種技術的總共15個拉伸測試狗骨樣品（5個沿X軸打印，5個沿Y軸打印，5個沿Z軸打印），每個都是用PA12 3D打印，并根據ISO 527標準進行測試。首先，為了確定哪種聚合物打印技術能產生最強的零件，我們看一下平均極限拉伸強度（UTS）。這是一個部件在斷裂之前所能承受的最大拉應力。在這一輪比賽中，是SLS打印的試樣平均強度最高（45.17MPa），其次是MJF（43.10MPa），然后是HSS（40.60MPa）。這三種技術對應的最大斷裂載荷分別為1885.01N、1782.7N和1659.1N。
有趣的是，在voxeljet的官方PA12數據表中，XY的UTS值為52（+/-1）MPa，Z的UTS值為46（+/-2）MPa。造成這種差異的原因是，材料數據表中給出的數據是指針對機械數據優化的工藝參數的打印。相比之下，為本研究打印的狗骨是用針對精度和細節優化的參數打印的。因此，客戶可以選擇以針對自己的應用進行優化的規格來打印零件，這與voxeljet提供的開源策略是一致的。
接下來是楊氏模量，它是衡量拉伸剛度的一個指標。楊氏模量越高，意味著部件越硬，在彈性負載下只發生輕微變形，而楊氏模量越低，相當于部件的彈性越大，在負載下越靈活。這一次，HSS產生了最堅硬的部件（1.82GPa），其次是SLS（1.73GPa）和MJF（1.43GPa）。
最后，我們有斷裂伸長率，這是一種延展性的測量。該測量顯示了一個零件在斷裂之前可以被拉伸多少，占其原始長度的百分比。有趣的是，在XY平面上，SLS打印的零件延展性最好（17.53%），其次是MJF（16.87%）和HSS（8.88%）。然而，在Z平面上，MJF產生了最多的延展性部件（14.40%），其次是SLS（9.32%），和HSS（6.36%）。
(責任編輯：admin)
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