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選擇性激光燒結塑料3D打印的隱患和挑戰

  盡管其幾十年的悠久曆史,選擇性激光燒結(SLS)仍然具有未開發潛力,形成使用其他3D打印方法難以制作的高質量生産零件。生産高質量塑料部件的3D打印的最大挑戰之一是通常以z軸的強度降低而觀察其機械性能強弱。

  

選擇性激光燒結塑料3D打印的隱患和挑戰


  雖然Essentium和Rize3D等公司已經嘗試克服這些局限性,但是在熔融長絲制造(FFF)方面進行了新的修改,而碳已經在類似于立體光刻(SLA)的方法中證明了改進的機械性能,這些公司在提供更多的機械各向同性部件方面是獨一無二的。


  相比之下,作爲打印技術的SLS固有地提供了更多的機械各向同性的部件。此外,SLS打印中的粉末床作爲零件的天然支撐結構,使得難以使用FFF或SLA進行打印的幾何以及垂直“嵌套”零件。


  结构聚合物如何解决SLS 3D打印的局限性


  然而,由于有限數量的市售熱塑性粉末,SLS受到材料限制。此外,SLS設備開發落後于其他技術,封閉材料平台許多大型SLS打印機制造商使用進一步限制了新材料采用。


  我们最近与SLS打印公司的发明者Carl Deckard及其结构聚合物公司 Vikram Devarajan的联合创始人就他们对SLS未来机会的看法以及他们如何设想材料开发来解决SLS打印在整个价值链中的核心挑战。

  

選擇性激光燒結塑料3D打印的隱患和挑戰


  選擇性激光燒結系統具有一系列價格點,但由于許多系統的溫度範圍有限,材料選擇有限。值得注意的例外是粗體。


  表:PA =聚酰胺; TPE =热塑性聚乙烯; PEEK =聚醚醚酮; PEKK =聚醚酮酮; TPU =热塑性聚氨酯


  今天SLS的主要限制之一是缺少可以以這種打印方法所需的粉末形式生産的材料,這反映在上表中所示的各種可用材料中。市售的塑料粉末通常通過以下兩種方法之一制成:冷凍研磨或溶劑型沈澱。


  這些方法中的每一種都與許多期望的熱塑性塑料不相容,並且兩種方法都是昂貴的並且産生具有寬的粒度分布的粉末。


  結構聚合物旨在通過其通過斬波纖維生産粉末的新方法來擴大SLS打印的熱塑性粉末的範圍。其紡織加工設備的生産方法可以從廣泛的熱塑性塑料制造粉末,並且顯示出更好的受控粒度分布。

  

選擇性激光燒結塑料3D打印的隱患和挑戰


  雖然尼龍12是今天最常見的SLS材料,但Carl和Vikram表示,結構聚合物已經展示了幾種高度商業利益的聚合物的生産,其中可接受的粉末目前不能用于SLS。


  這些材料包括彈性體(特別是熱塑性聚氨酯),幾種聚丙烯和聚酯。盡管材料多樣性是推動應用應用的必要條件,但從流程的角度來看,通過低溫研磨或溶劑型沈澱驗證新粉末的時間表仍然非常慢,並且可以擴大到滿足需求,而不會影響粉末質量和一致性。


  新材料的商業化取決于材料供應商和打印機制造商合作提供與其常規制造的類似物競爭的材料性能。


  除了有限数量的可打印塑料粉末外,目前的SLS打印机还有几种设备限制。由于早期使用SLS中的尼龙,大多数日期安装的打印机只能达到200°C的最高烧结温度,因此不能烧结高性能聚合物(EOS和Oxford Performance Materials作为显着的例外)。


  SLS在地平線上的變化


  此外,大多數系統使用過于簡單的溫度控制系統,阻礙了精度以及最終的打印速度。卡爾預測,類似于FFF打印機創新和設計的激增,允許更全面的打印機價格和能力範圍,在未來五年內,SLS打印機將在設計過程中進行大修,從而消除對溫度,速度的限制,以及早期型號的成本。


  这种技术创新将需要投资SLS的承诺和材料供应商和电驴影院制造商的支持,并且在设备层面已经有显着的支持迹象。该低成本SLS 3D打印机通过Sinterit,取得Sintratec和Formlabs反映的FFF桌面专业打印机的研发和EOS的高温双激光系统的公告是对更加方便和电驴影院导向SLS系统早期步骤。


  開放材料系統


  SLS打印中新材料采用的最终限制是主要SLS打印机制造商使用的封闭业务模式。像3D Systems 这样的公司要求客户在其SLS系统上使用公司的材料,并且只提供有限的材料。


  展望未來,Carl和Vikram預計,新材料開發將導致對可以使用更廣泛的熱塑性塑料的開放系統的需求更強。Prodways等公司已經如上表所示朝著這個方向發展。封閉系統市場領導者是否遵循開放材料模式,成爲打印機銷售未來收入的一個問題,超過了材料銷售向第三方的未來收入損失。在這方面,惠普雖然也使用尼龍粉末打印,但其材料平台是開放的,允許第三方材料的加入測評,這一塊做的很好。


  在上表中可以看到克服當前SLS打印技術的局限性的進展情況,顯示了市場上一些領先的SLS打印機的技術規格。具體來說,大膽的文字顯示了一些公司如何開始應對與設備成本,材料多樣化和溫度限制有關的挑戰。


  然而,SLS打印的廣泛采用將需要材料開發商,打印機制造商和零件制造商共同合作,並模擬垂直整合,這有助于推動成功的金屬粉末床技術在航空航天和醫療應用中的應用。


  如何改善SLS 3D打印


  雖然卡爾表示,SLS打印機的改進將受到材料開發的推動,但材料開發又需要受到打印機開發商和最終零件制造商的關注。


  對材料開發和供應有興趣的公司應探索新穎的熱塑性粉末生産方法,通過與結構化聚合物等初創公司的合作夥伴關系或通過內部開發擴大SLS熱塑性塑料的範圍。


  打印機開發商有機會通過更便宜,更快速和更高的處理溫度設備來區分自己。最重要的是,电驴影院設計師和制造商應該考慮SLS打印的定制电驴影院,需要比FFF或SLA目前提供的更好的各向同性特性,並且應該與材料和打印機開發人員合作,將材料和加工能力推向所需的电驴影院規格。


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