絕不僅僅是3D打印

　　注塑成型在生產(chǎn)大體積高品質(zhì)部件時(shí)是首選工藝，例如在包裝行業(yè)和醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，而增材制造則非常適合高效生產(chǎn)各個(gè)行業(yè)的一次性部件和小體積部件。術(shù)語(yǔ)“增材制造”是指利用3DCAD數(shù)據(jù)逐層疊加材料生成部件的所有流程。這一工藝無(wú)需像注塑成型一樣使用模具對(duì)部件進(jìn)行塑形。

　　術(shù)語(yǔ)“3D打印”、“快速原型”和“快速制造”通常被視作“增材制造”的同義詞。但是，它們?cè)趹?yīng)用領(lǐng)域和成品部件質(zhì)量方面存在千差萬(wàn)別：

　　●3D打印只適用于研究或生成幾何模型，如化妝盒的設(shè)計(jì)。3D打印機(jī)只需幾百或幾千歐元即可從DIY賣(mài)場(chǎng)買(mǎi)到，它可用于生產(chǎn)低品質(zhì)的部件，主要針對(duì)家庭使用。

　　●快速原型技術(shù)可用于生產(chǎn)樣品和部件來(lái)滿足新品測(cè)試的需求。例如，一家汽車(chē)制造商在沙漠和北極條件下對(duì)原型洗滌液罐進(jìn)行了測(cè)試和優(yōu)化，從而節(jié)省數(shù)月的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　●快速制造將工業(yè)增材制造提升到了一個(gè)更高的質(zhì)量水平。這一工藝適用于需要快速生產(chǎn)而無(wú)需具備注塑成型部件相同性能的塑料部件。

　　這就是Freeformer所屬的類別。設(shè)備如注塑成型一般熔化標(biāo)準(zhǔn)顆粒，并將塑料液滴用于生成一次性功能部件和小體積部件。

　　工業(yè)工藝

　　增材制造工藝可根據(jù)所使用的基底材料以及部件的化學(xué)或物理疊加方式進(jìn)行區(qū)分。三種工藝主要都用于工業(yè)應(yīng)用。

　　立體光刻（STL）：部件在填滿環(huán)氧樹(shù)脂或其他合成樹(shù)脂的材料缸中生成。隨后，活動(dòng)反射鏡控制的激光束將樹(shù)脂硬化成薄層。最后，固結(jié)的成品部件與機(jī)架分離、經(jīng)過(guò)溶劑清洗并在UV光線下完全硬化。

　　選擇性激光燒結(jié)（SLS）：這一工藝也采用了激光。在加工過(guò)程中，首先將部件熔化或燒結(jié)，一層接一層地鋪在粉末材料工作臺(tái)上。未熔化的粉末則充當(dāng)突出部件的支撐結(jié)構(gòu)。SLS的后續(xù)步驟需要額外的下部構(gòu)造。隨后，塑料部件從粉末工作臺(tái)上取下并清洗，未熔化的粉末則被取下重新加工。

　　熔融沉積成型（FDM）：這一工藝的基底材料是成卷的塑料絲。這種材料從可靈活移動(dòng)的熱噴嘴擠出并以液體的形式進(jìn)行應(yīng)用。在隨后的冷卻過(guò)程中，每一層片熔合在一起形成三維部件。如有必要，支撐結(jié)構(gòu)還可通過(guò)第二個(gè)熱噴嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　基于標(biāo)準(zhǔn)顆粒的增材制造

　　與上述工藝相反，新開(kāi)發(fā)的阿博格塑料無(wú)模成形技術(shù)（AKF）的基底材料是價(jià)格適中的傳統(tǒng)塑料顆粒。如注塑成型工藝一般，這些材料首先在塑化料筒里熔化。隨后，帶特殊噴嘴的靜止卸料裝置通過(guò)高頻壓電技術(shù)以60-200赫茲的特定周期將塑料液滴逐層疊加在部件支架上（圖1）。

　　阿博格塑料無(wú)模成形技術(shù)可使用標(biāo)準(zhǔn)顆粒進(jìn)行增材制造。市場(chǎng)需求正以塑料加工市場(chǎng)相同的速度發(fā)生改變，其原因包括快速的技術(shù)發(fā)展、縮短的產(chǎn)品生命周期、增長(zhǎng)的變體多樣性和定制產(chǎn)品的渴望。本文所述的工藝彌補(bǔ)了快速原型和批量注塑成型之間的差距并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)領(lǐng)域的成功。

　　塑料加工領(lǐng)域的各種材料、應(yīng)用和工藝正在不斷增加�？偛吭O(shè)在德國(guó)洛斯堡的阿博格公司早在多年前已意識(shí)到增材制造的潛力，并從設(shè)備制造商的角度來(lái)開(kāi)發(fā)和實(shí)施除注塑成型之外的工業(yè)工藝，從而滿足這一不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。阿博格塑料無(wú)模成形技術(shù)（AKF）及其關(guān)聯(lián)設(shè)備——Freeformer在2013K展上舉行了全球首發(fā)儀式。這一全新的系統(tǒng)只需3DCAD數(shù)據(jù)即可使用標(biāo)準(zhǔn)顆粒生產(chǎn)樣品和原型以及一次性功能部件或小體積部件。

　　部件支架可通過(guò)三軸或五軸移動(dòng)，其所在位置必須確保每個(gè)液滴都能落到事先經(jīng)過(guò)計(jì)算的精確點(diǎn)上。部件的硬化無(wú)需特殊工藝，因?yàn)槲⑿∫旱卧诶鋮s過(guò)程中會(huì)自動(dòng)熔合在一起。所需的部件就這樣逐層制造而成（標(biāo)題圖）。

　　Freeformer的構(gòu)造室設(shè)計(jì)成能夠生產(chǎn)最大尺寸為230×130個(gè)×250毫米的部件。在2014年技術(shù)日上，阿博格展示了如何通過(guò)Freeformer高效地制造小體積ABS連接器機(jī)架。12個(gè)Allrounder注塑機(jī)零部件在約18小時(shí)的生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)制造完成（圖2）。

　　均勻的層次疊加和優(yōu)良的機(jī)械性能

　　熔體在塑化料筒里備好之后，卸料裝置通過(guò)定時(shí)噴嘴蓋的方式從中央增材制造工藝開(kāi)始。根據(jù)噴嘴尺寸的不同，在壓力下產(chǎn)生的塑料液滴直徑介于0.18-0.3毫米之間，它們經(jīng)過(guò)連續(xù)沉積和熔合，最終逐層形成三維塑料部件。

　　由此產(chǎn)生的表面相當(dāng)于紋理粗糙的模制件的表面。雖然它由液滴形成，它的各個(gè)表面都非常平整，正如宏觀圖所示（圖3）。飲料杯的生產(chǎn)就是很好的一個(gè)例證，它在裝滿水時(shí)完全防漏。這一點(diǎn)還同樣適用于機(jī)器人抓爪的吸盤(pán)組件。通過(guò)Freeformer生產(chǎn)出來(lái)的組件功能齊全并且不會(huì)吸入一點(diǎn)空氣。

　　此外，不同的噴嘴尺寸還會(huì)影響加工參數(shù)（圖4）。噴嘴越小，液滴越細(xì)小，表面紋理也越精細(xì)。但是，噴嘴越大，層片疊加的速度越快。

　　拉伸強(qiáng)度測(cè)量數(shù)據(jù)表明，采用AKF方法生產(chǎn)的部件的質(zhì)量完全能夠滿足大部分功能部件和小體積部件的要求。它與注塑成型件的區(qū)別之一是裂紋行為，因?yàn)樗鼛缀鯖](méi)有擴(kuò)張行為。這一工藝所面臨的挑戰(zhàn)不在于實(shí)現(xiàn)良好的拉伸強(qiáng)度，而在于獲得小于0.6毫米的壁厚和精細(xì)的結(jié)構(gòu)。

　　AKF工藝的主要優(yōu)勢(shì)在于可加工價(jià)格適中的標(biāo)準(zhǔn)顆粒。目前可染色的特定材料包括ABS、PC、PA和軟TPE。這一新技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要任務(wù)之一是找到更多適用的塑料。與此相反，玻璃纖維增強(qiáng)塑料根本不適用于AKF，因?yàn)檫@些材料會(huì)阻塞噴嘴。

　　價(jià)格適中的標(biāo)準(zhǔn)顆粒和環(huán)保的操作

　　為了檢查一種新的材料能否加工以及如何加工，必須進(jìn)行大量的測(cè)試和試驗(yàn)。最重要的參數(shù)包括加工溫度和耐熱性以及幾何分層。

　　Freeformer工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何粉塵或廢氣，因此無(wú)需額外的基礎(chǔ)設(shè)施，用戶也無(wú)需準(zhǔn)備抽氣裝置或冷卻水。該系統(tǒng)完全適合在辦公室環(huán)境中使用，所需的不過(guò)是一個(gè)插座、3DCAD數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)的塑料顆粒。其操作也非常簡(jiǎn)單，只需一至兩天的培訓(xùn)即可學(xué)會(huì)如何使用Freeformer。

　　用于處理3DCAD數(shù)據(jù)（分層）的控制系統(tǒng)和軟件也由阿博格開(kāi)發(fā)（圖5）。操作面板包括一個(gè)配備多點(diǎn)觸摸屏的高性能的工業(yè)PC，可通過(guò)手勢(shì)直觀地操作。與Allrounder注塑機(jī)搭配使用時(shí)，訪問(wèn)授權(quán)可通過(guò)電子標(biāo)簽卡簽發(fā)，數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在小型閃存卡里。

　　操作員只需讀入STL數(shù)據(jù)并限定材料。在此基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)將自動(dòng)生成加工數(shù)據(jù)。個(gè)性參數(shù)錄入也成為可能。例如，一家已經(jīng)熟悉注塑機(jī)Selogica控制系統(tǒng)的公司可為特定的產(chǎn)品指定材料。

　　搭載雙組件和五軸部件機(jī)架的工藝變體

　　配備兩個(gè)卸料裝置的Freeformer還能夠生產(chǎn)多組分部件，例如涂刷不同的顏色、產(chǎn)生特殊的質(zhì)感或軟硬組合部件。這兩種材料相繼應(yīng)用在每一層上�；蛘撸�第二組分也可用于構(gòu)建支撐結(jié)構(gòu)（圖6）。

　　卸料裝置和噴嘴的位置是固定的。該運(yùn)動(dòng)通過(guò)部件機(jī)架在機(jī)器上實(shí)現(xiàn)，所需的產(chǎn)品就在其上生成。標(biāo)配部件支架通過(guò)三軸移動(dòng)，此外還可選擇五軸的型號(hào)，主要用于制造突出部件和底部缺口。該工藝是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱部件的理想選擇。如非絕對(duì)必要，支撐結(jié)構(gòu)也可省去。其優(yōu)勢(shì)包括材料消耗低、節(jié)省時(shí)間并且無(wú)需精加工。

　　結(jié)論

　　塑料加工市場(chǎng)正在發(fā)生變化。材料種類、應(yīng)用和工藝正在不斷增加。2014年德國(guó)塑料展Fakuma2014上展示的Freeformer專為一次性或小體積的功能性塑料部件的工業(yè)制造而設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)增材制造工藝的替代解決方案將使用戶——尤其是注塑成型行業(yè)的用戶更易于進(jìn)入無(wú)需模具即可生產(chǎn)部件的世界。這是因?yàn)�，與傳統(tǒng)增材制造技術(shù)不同，AKF以低成本的標(biāo)準(zhǔn)顆粒為基底材料，因此無(wú)需準(zhǔn)備預(yù)加工的專用材料。

　　在注塑成型過(guò)程中，顆粒首先在塑化料筒里熔化。從微小的塑料液滴疊加形成部件幾何是一個(gè)專利工藝的過(guò)程，它所使用的卸料裝置搭載一個(gè)由壓電技術(shù)控制的噴嘴。當(dāng)搭載兩個(gè)噴嘴時(shí)，還有可能獲得軟硬組合和其他材料組合部件。