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)各個行業(yè)的一次性部件和小體積部件。術(shù)語“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。這一工藝無需像注塑成型一樣使用模具對部件進行塑形。

　　術(shù)語“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，它們在應用領(lǐng)域和成品部件質(zhì)量方面存在千差萬別：

　　●3D打印只適用于研究或生成幾何模型，如化妝盒的設計。3D打印機只需幾百或幾千歐元即可從DIY賣場買到，它可用于生產(chǎn)低品質(zhì)的部件，主要針對家庭使用。

　　●快速原型技術(shù)可用于生產(chǎn)樣品和部件來滿足新品測試的需求。例如，一家汽車制造商在沙漠和北極條件下對原型洗滌液罐進行了測試和優(yōu)化，從而節(jié)省數(shù)月的開發(fā)時間。

　　●快速制造將工業(yè)增材制造提升到了一個更高的質(zhì)量水平。這一工藝適用于需要快速生產(chǎn)而無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。設備如注塑成型一般熔化標準顆粒，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或物理疊加方式進行區(qū)分。三種工藝主要都用于工業(yè)應用。

　　立體光刻（STL）：部件在填滿環(huán)氧樹脂或其他合成樹脂的材料缸中生成。隨后，活動反射鏡控制的激光束將樹脂硬化成薄層。最后，固結(jié)的成品部件與機架分離、經(jīng)過溶劑清洗并在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上。未熔化的粉末則充當突出部件的支撐結(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的熱噴嘴擠出并以液體的形式進行應用。在隨后的冷卻過程中，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)還可通過第二個熱噴嘴來實現(xiàn)。

　　基于標準顆粒的增材制造

　　與上述工藝相反，新開發(fā)的阿博格塑料無模成形技術(shù)（AKF）的基底材料是價格適中的傳統(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）。

　　阿博格塑料無模成形技術(shù)可使用標準顆粒進行增材制造。市場需求正以塑料加工市場相同的速度發(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、增長的變體多樣性和定制產(chǎn)品的渴望。本文所述的工藝彌補了快速原型和批量注塑成型之間的差距并實現(xiàn)了工業(yè)領(lǐng)域的成功。

　　塑料加工領(lǐng)域的各種材料、應用和工藝正在不斷增加。總部設在德國洛斯堡的阿博格公司早在多年前已意識到增材制造的潛力，并從設備制造商的角度來開發(fā)和實施除注塑成型之外的工業(yè)工藝，從而滿足這一不斷增長的市場需求。阿博格塑料無模成形技術(shù)（AKF）及其關(guān)聯(lián)設備——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)即可使用標準顆粒生產(chǎn)樣品和原型以及一次性功能部件或小體積部件。

　　部件支架可通過三軸或五軸移動，其所在位置必須確保每個液滴都能落到事先經(jīng)過計算的精確點上。部件的硬化無需特殊工藝，因為微小液滴在冷卻過程中會自動熔合在一起。所需的部件就這樣逐層制造而成（標題圖）。

　　Freeformer的構(gòu)造室設計成能夠生產(chǎn)最大尺寸為230×130個×250毫米的部件。在2014年技術(shù)日上，阿博格展示了如何通過Freeformer高效地制造小體積ABS連接器機架。12個Allrounder注塑機零部件在約18小時的生產(chǎn)時間內(nèi)制造完成（圖2）。

　　均勻的層次疊加和優(yōu)良的機械性能

　　熔體在塑化料筒里備好之后，卸料裝置通過定時噴嘴蓋的方式從中央增材制造工藝開始。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)生的表面相當于紋理粗糙的模制件的表面。雖然它由液滴形成，它的各個表面都非常平整，正如宏觀圖所示（圖3）。飲料杯的生產(chǎn)就是很好的一個例證，它在裝滿水時完全防漏。這一點還同樣適用于機器人抓爪的吸盤組件。通過Freeformer生產(chǎn)出來的組件功能齊全并且不會吸入一點空氣。

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

　　拉伸強度測量數(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，因為它幾乎沒有擴張行為。這一工藝所面臨的挑戰(zhàn)不在于實現(xiàn)良好的拉伸強度，而在于獲得小于0.6毫米的壁厚和精細的結(jié)構(gòu)。

　　AKF工藝的主要優(yōu)勢在于可加工價格適中的標準顆粒。目前可染色的特定材料包括ABS、PC、PA和軟TPE。這一新技術(shù)未來發(fā)展的主要任務之一是找到更多適用的塑料。與此相反，玻璃纖維增強塑料根本不適用于AKF，因為這些材料會阻塞噴嘴。

　　價格適中的標準顆粒和環(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，必須進行大量的測試和試驗。最重要的參數(shù)包括加工溫度和耐熱性以及幾何分層。

　　Freeformer工作時不會產(chǎn)生任何粉塵或廢氣，因此無需額外的基礎(chǔ)設施，用戶也無需準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，所需的不過是一個插座、3DCAD數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)的塑料顆粒。其操作也非常簡單，只需一至兩天的培訓即可學會如何使用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發(fā)（圖5）。操作面板包括一個配備多點觸摸屏的高性能的工業(yè)PC，可通過手勢直觀地操作。與Allrounder注塑機搭配使用時，訪問授權(quán)可通過電子標簽卡簽發(fā)，數(shù)據(jù)可存儲在小型閃存卡里。

　　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)將自動生成加工數(shù)據(jù)。個性參數(shù)錄入也成為可能。例如，一家已經(jīng)熟悉注塑機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架的工藝變體

　　配備兩個卸料裝置的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。這兩種材料相繼應用在每一層上。或者，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。該運動通過部件機架在機器上實現(xiàn)，所需的產(chǎn)品就在其上生成。標配部件支架通過三軸移動，此外還可選擇五軸的型號，主要用于制造突出部件和底部缺口。該工藝是旋轉(zhuǎn)對稱部件的理想選擇。如非絕對必要，支撐結(jié)構(gòu)也可省去。其優(yōu)勢包括材料消耗低、節(jié)省時間并且無需精加工。

　　結(jié)論

　　塑料加工市場正在發(fā)生變化。材料種類、應用和工藝正在不斷增加。2014年德國塑料展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)制造而設計。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)的用戶更易于進入無需模具即可生產(chǎn)部件的世界。這是因為，與傳統(tǒng)增材制造技術(shù)不同，AKF以低成本的標準顆粒為基底材料，因此無需準備預加工的專用材料。

　　在注塑成型過程中，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專利工藝的過程，它所使用的卸料裝置搭載一個由壓電技術(shù)控制的噴嘴。當搭載兩個噴嘴時，還有可能獲得軟硬組合和其他材料組合部件。