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全面解析低成本SLS粉末燒結(jié)成型3D打印技術(shù)方案

3D打印動態(tài)
2017
04/25
14:05
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本帖最后由 笑笑熊 于 2017-4-25 15:40 編輯

南極熊前言:本文是全面解析了低成本SLS粉末燒結(jié)成型3D打印技術(shù)方案,給讀者提供了大量有價值的信息和思路。


投稿:黃子帆
編輯:南極熊

一般很多小伙伴最開始玩3D打印的時候,都先接觸的是FDM或者說FFF。接觸久了就發(fā)現(xiàn)FFF存在很多問題。比如精度太低、需要加支撐,特別是打印鏤空的零件,如果參數(shù)設(shè)置的不太好,那簡直沒法看。所以就有開始接觸光固化的無論是LCD SLA DLP也存在一些問題(約束式離型膜更換,自由式倒是沒有離型膜,但是零件在樹脂中泡會變形。7凑鞣N各樣的問題。SLS當(dāng)然是不錯的選擇,但是怎么搞呢。其中在long long ago wiki出現(xiàn)了opensls這個項目(http://reprap.org/wiki/OpenSLS)



SLS工藝流程



SLS采用鋪粉將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面,并加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點的某一溫度,控制系統(tǒng)控制激光束按照該層的截面輪廓在粉層上掃描,使粉末的溫度升到熔化點,進行燒結(jié)并與下面已成型的部分實現(xiàn)粘結(jié)。一層完成后,工作臺下降一層厚度,輥筒在上面鋪上一層均勻密實粉末,進行新一層截面的燒結(jié),直至完成整個模型。


opensls項目
OpenSLS是探索選擇性激光燒結(jié)工藝的平臺由Jordan Miller博士負(fù)責(zé)。能夠在各種材料中制造物體的功能正常的原型SLS 3D打印機。
機械部分采用的是激光切割機與粉末模塊相結(jié)合,粉末模塊有兩代。



R1粉末模塊由兩個相同尺寸的活塞缸組成,每個由不同螺距的絲桿桿驅(qū)動。

R2粉末模塊
1.對粉末缸成型缸都可以加熱
2.添加了保護氣體的裝置
3.可以從激光雕刻機中取出。



將粉末模塊添加到激光雕刻機中
電路部分采用RAMBo板,因為RAMBo板有PWM接口就是可以對CO2激光器進行功率調(diào)節(jié)。


RAMBo板      


               激光電源接線圖

打印材料
蠟基粉末
100:7的比例混合的蠟和碳粉組成,其中碳粉末作為近紅外激光波長的能量吸收。


蠟基粉末打印的齒輪
高倍率下可以看到單個的碳和蠟顆粒

尼龍
Taulman 618和PA 650第一層需要牢固地粘合到平臺上。采用400mW的激光,58mm / s的打印速度,150微米的層高度和0.075mm的光斑直徑尺寸制造。


打印的戒指

PA 650 最后一層打印

pwdr項目
特內(nèi)特大學(xué)(荷蘭)的一個團隊已經(jīng)為更廣泛的社區(qū)提供了一種基于開源粉末的3D打印機。pwdr。系統(tǒng)是可以獲得約1000歐元的第一代自組裝3D打印機。其目標(biāo)是促進粉末快速成型中的實驗和創(chuàng)新。

pwdr的規(guī)格 包括96 dpi分辨率,50微米的層厚度,每層建立一分鐘的速度,這取決于所建立的部分,最大構(gòu)建尺寸為125 mm x 125 mm x 125 mm。
機器構(gòu)建的組件都可以從現(xiàn)貨出貨,基于Arduino和Processing等開源工具的控制軟件可以輕松下載。

軟件
Pwdr Model 0.1附帶的軟件以可打印CAD模型。然后將該文件上傳到Pwdr Model 0.1微控制器。該機器由于易使用的軟件控制,可完全控制打印過程。




硬件
Pwdr Model 0.1由機架,噴頭和電子元件組成。打印機包括兩個成型缸(#1用于存儲粉末,靠近電子設(shè)備和#2構(gòu)建零件),它們在打印過程中相互上下移動。使用輥筒撲粉。
沉積粘合劑的打印頭是標(biāo)準(zhǔn)的Hewlett Packard C6602A墨盒。使用注射器可以使用定制的粘合劑來重新填充墨盒。20%酒精和80%水的定制粘合劑。打印機頭通過定制的控制板連接到Arduino微控制器為噴嘴提脈沖信號。
建立Pwdr Model 0.1機器的成本約為1000歐元。
在thingiverse 有具體的資料http://www.thingiverse.com/thing:27794

材料
當(dāng)使用3DP工藝:石膏,陶瓷,混凝土,糖等時,當(dāng)SLS工藝得到充分的支持時,像ABS,PP,尼龍和金屬這樣的塑料材料成為材料.Hewlett Packard噴墨墨盒是用于粘結(jié)劑的沉積。使用注射器可以使用定制的粘合劑來重新填充墨盒。

(詳細(xì)資料http://pwdr.github.io/

FCOUS項目
Focus是一種開源實驗粉末打印機,能夠?qū)Υ蛴『芏嗖牧稀K部梢杂糜诖蠖鄶?shù)其他3D打印應(yīng)用程序和激光雕刻。焦點是開放源代碼,基于代碼,可以建立在600歐元以下。
Focus是圍繞簡單的木制和3D打印零件。任何零件裝配都不需要復(fù)雜的工具。大多數(shù)框架由15mm 木板構(gòu)成,具有簡單的切割。使用簡單的3D打印機將Focus的大部分零件用FDM3D打印機打印出來。所有的零件都是無支撐的,易于打印。其余部分可以從硬件商店或從互聯(lián)網(wǎng)獲取。所有使用的連接件件都是標(biāo)準(zhǔn)件。




Focus的X軸Y軸是龍門。這具有軸相對較慢的缺點,但是由于Focus是實驗性的,因此不需要很多速度。聚焦仍然可以舒適地達到30mm / s的速度。打印頭很大,可以支撐較大的重量。
焦點可以用于各種各樣的技術(shù)。
· 它可以配備激光,激光雕刻/激光切割。
· 它可以安裝噴墨噴嘴進行3dp工藝。
· 它可以安裝標(biāo)準(zhǔn)的FDM噴嘴以常規(guī)方式打印。

規(guī)格:
由于Focus仍然是實驗性的,因此Focus并不知道精確值。所有數(shù)字都是估計值和最小值XY最大速度:30+ [mm / s](安裝時固定為30mm / s或1800mm / min)
最大成型缸活塞移動速度:4+ [mm / s]
打印機體積:130x117x80 + [mm]
XY軸行程:150x280 [mm ]
控制板:RAMPS 1.4
固件:Beta 0.02
電機:5x NEMA17 (42電機)

專業(yè):
· Focus是為愛好者提供的少數(shù)功能粉末打印機之一;
· Focus低于1000美元,低廉的3D打印機標(biāo)準(zhǔn),非常便宜的粉末打印機標(biāo)準(zhǔn)
;· Focus是可以添加多種功能,它可以容納幾乎任何工具,可以打印很多技巧;
· Focus易于構(gòu)建,簡單的木制零件,易于3D打印的零件和3D印刷中使用的標(biāo)準(zhǔn)硬件;

缺點:
· Focus很打印速度慢,由于載重量大,機架速度相對較低;
· 沒有可用的打印件,還沒有做足夠的實驗來制作可用的部件;
· Focus不是非常準(zhǔn)確,特別是在Z軸(相對于FDM);
· Focus缺乏加熱成型缸或惰性氣體室。
詳細(xì)資料(http://www.instructables.com/id/Focus-an-experimental-powder-printing-platform/
這些都是早期的一些SLS的項目,最近兩年內(nèi)有很多SLS項目,主要就是克服了早期項目的一些問題。比如穩(wěn)定性方面,控制系統(tǒng)方面等等。在instructables上介紹DIY sls項目的就是四個,最近兩年都有三個。



Sintratec(官網(wǎng))準(zhǔn)備2016年10月在indiegogo眾籌的SLS 3D打印機只需5277美金(32453人民幣)。目前研發(fā)中的版本可以打印尺寸130mm的正方體,作品如下圖所示,外觀類似于FDM最初版本的打印效果,有比較強的砂紙的粗糙感,還是需要做一次表面處理的。http://sintratec.com/stories




VulcaMan是一名17歲的創(chuàng)客,2016年5月公布了自己的DIY選擇性激光燒結(jié)(SLS)3d打印機項目。如果你對此感興趣,可以到Wevolver上尋找這個相當(dāng)復(fù)雜的設(shè)計。
他談?wù)摿怂捻椖浚骸白詮穆犝f以后,我一直想要一臺SLS打印機,但是它們都非常昂貴,只適用于工業(yè)應(yīng)用。因此,我決定制作自己的商業(yè)SLS打印機!




Tecnica 2016年10月推出一款名為CASA的桌面SLS 3D打印機,其速度比競爭系統(tǒng)快250倍。更令人吃驚的是,它的售價將低于20000美元。
Tecnica是一家位于紐約Great Neck的初創(chuàng)公司,其宗旨是優(yōu)化3D打印工藝。自2013年成立以來,他們申請到了一系列知識產(chǎn)權(quán)專利。2016年初,他們獲得了一種紅外3D打印床調(diào)平系統(tǒng)的專利。2016年9月,他們又獲得了一種自定義激光打印頭系統(tǒng)的的專利,正是該系統(tǒng)成就了CASA瘋狂的打印速度。
Tecnica解釋說,他們開發(fā)這一新的SLS技術(shù)是為了讓選擇性激光燒結(jié)(SLS)3D打印技術(shù)更切實可行,在成本方面更加吸引工業(yè)級和專業(yè)級應(yīng)用!凹す鉄Y(jié)未來發(fā)展的關(guān)鍵在于快速打印、材料的強度和便于獲取性。專業(yè)級3D打印機的成本太高,小中型公司無法負(fù)擔(dān)!彼麄冋f。
Tecnica還未詳細(xì)透露這項新的3D打印技術(shù)能做什么以及它是如何工作的,但他們揭露說,通過一個強大的、帶有一個內(nèi)部冷卻半導(dǎo)體系統(tǒng)和正壓氣流的5瓦激光,該技術(shù)允許在一個預(yù)先設(shè)定的溫度范圍內(nèi)進行3D打印,并能以快于競爭系統(tǒng)250倍的速度建造模型。各種硬件和軟件的調(diào)整也使得CASA能高頻率地控制激光束及其在打印床上的位置,這彌補了設(shè)備偏差和環(huán)境變化所造成的不足。
最重要的是,這樣驚人的打印速度并不影響打印質(zhì)量和精度。CASA的分辨率高于0.07毫米,其構(gòu)建體積為92x100x150毫米,這使得它成為一款對非金屬零件制造非常有吸引力的專業(yè)級3D打印機。
http://tecnica.com/investors-relation/



英國公司 Norge Systems在2012年開始打造“世界上第一臺低成本高品質(zhì)的基于SLS原理的3D打印機,價格方面即使是中小型設(shè)計工作室也能承受,而且使用方便、體積小! 團隊的成員:電子、激光專家Lica Venri、3D藝術(shù)家Alessandro Facchini和軟件開發(fā)人員Stefano Rebecchi一直努力開發(fā)軟件和優(yōu)化供應(yīng)鏈和組裝過程。最終制造出了兩款新的SLS 3D打印機:Ice9與Ice1。
Ice9最大打印尺寸為30x30x45cm,較小的Ice1也有20x20x25cm
Ice9 SLS 3D打印機可以打印塑料模型(使用尼龍或聚酰胺(PA)材料)。還具備激光雕刻/切割機的功能?梢岳L制或切割各種材料,比如木材、紙、泡沫,甚至毛氈。該公司于2014年8月18日在眾籌平臺Kickstarter上為Ice1和Ice9發(fā)起眾籌活動,可惜以失敗告終。


國內(nèi)在淘寶網(wǎng)上也有一家賣SLS套件的,不建議買,設(shè)計太爛了。專業(yè)點的一看就發(fā)現(xiàn)四個腿在打印過程中絕對很晃,據(jù)購買了的小伙伴說,兩個缸一樣大根本無法保證鋪粉能夠鋪完,就是轉(zhuǎn)移比不對。激光控制也很拙。打印鏤空的根本無法打印。更要命的有問題不協(xié)助解決。



武漢智壘也有一款桌面的SLS 3d打印機


打印效果沒有圖片

DIY SLS常見問題

用什么激光來做一個DIY SLS機器?

任何具有足夠功率以加熱粉末顆粒的激光器將起作用。使用特定類型的激光器進行DIY SLS項目的實踐主要受兩個因素的影響:激光管的尺寸和激光的波長。
DIY SLS機器的半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點和缺點是什么?
優(yōu)點:
· 半導(dǎo)體激光器體積小巧輕便,可以直接安裝在移動的支架上。也不會過熱,只需要簡單的散熱器。這樣可以確保SLS機器的結(jié)構(gòu)簡單。
· 半導(dǎo)體激光器采用簡單易用的電流/電壓工作。
缺點:
· 對于可見光或近紅外光(<1um),白色或透明的熱塑性粉末高度反射,這意味著只能使用深色粉末才能達到明顯的效果。CO2激光器敲好相反。
· 大功率半導(dǎo)體激光器(幾十瓦)往往比相同額定功率的CO2激光器 更貴。
DIY SLS 使用CO2激光的優(yōu)缺點
優(yōu)點:
· CO2激光器是深紅外線。在這種波長下,所有塑料都是不透明和高吸收性的,所以CO2激光器對白色或透明塑料不會有什么問題。
· CO2激光器比半導(dǎo)體激光器更強大,這可能意味著更快的處理速度
缺點:
· CO2激光器體積大而重。40W管長70厘米,重量2公斤,因此不可能將其直接安裝在移動的托架上。光纖耦合CO2激光器也是不可能的,所以唯一的選擇是采用復(fù)雜的鏡子系統(tǒng)來傳送激光束。
· CO2激光器需要數(shù)萬伏驅(qū)動。
· CO2激光器需要水冷。
什么材料適合DIY SLS工藝?
理論上任何一種熱塑性粉末都可以使用SLS加工。使用特定類型的熱塑性粉末的實用性取決于幾個因素:
1. 粉末在加熱時是否釋放出有毒的煙霧,由于燒結(jié)過程的特性,塑料粉末保持非常接近其熔點。
2. 粉末是否容易吸收特定波長的激光。
3. 是否充足供應(yīng)。
金屬粉末原則上是可能的,但在DIY環(huán)境中有一些實際的限制。
在SLS機器中使用熱塑性塑料是否安全?
目前在DIY環(huán)境中SLS的安全性尚不存在可靠數(shù)據(jù)。使用ABS和尼龍進行3D打印是安全的。另一方面,通常與ABS和尼龍中的3D印刷有明顯的氣味,這意味著從熔化的塑料中揮發(fā)的東西。因此,建議通過某種空氣過濾器(例如活性炭)排放所有的煙霧,或者至少排出房間。
在DIY SLS機器中需要加熱成型缸嗎?
激光將塑料粉末從室溫轉(zhuǎn)移到正好高于熔點時,會引起相當(dāng)大的膨脹。如果將構(gòu)建體積中的粉末預(yù)熱至剛好低于熔點的溫度以避免任何額外的溫度膨脹,則可以避免這種情況。
可以使用RepRap控制板和固件進行DIY SLS機器嗎?
SLS工藝中涉及的機械運動與FDM工藝相似,除了擠出機指令被激光脈沖代替以外,還需要在沿著Z軸推進之后施加一層粉末。因此,可以對傳統(tǒng)的RepRap控制板和固件進行修改。

我自己的SLS 3D打印機
在2014年4月份的時候趁著項目剛鑒定完,沒事干做了一臺SLS 3D打印機。仿制的FOCUS的機械部分。https://bbs.kechuang.org/t/64874 做好了測試了,想發(fā)帖結(jié)果沒有時間整理了,F(xiàn)在想想轉(zhuǎn)眼間三年已經(jīng)過去了,時間真像東流之水一去不復(fù)返啊。

首先兩缸體的絲桿進行了修改,由于focus設(shè)計時間早,對轉(zhuǎn)移比概念認(rèn)識不清,導(dǎo)致兩缸體積大小相等,我對絲桿進行更換采用M8 12mm導(dǎo)程與M8 8mm導(dǎo)程的T型絲桿。其次對行程開關(guān)進行了更換。原裝的focus是采用光電開關(guān)。我更換為輕觸開關(guān)。主要是光電開關(guān)在focus上使用有大量問題。其次對激光器進行更換,原裝采用200mw激光器我先更換為兩個2000Mw,來不方便更換為5000mw。

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對開源的激光燒結(jié)3D打印技術(shù)感興趣?可聯(lián)系作者黃子帆交流



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2018-4-3 22:35:40 | 只看該作者
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