最后的“致密化”阶段通常需要在窑中长时间加
2.2 金属熔融沉积建模工艺
实际上很多材料都可以用图2-1所展示的3D打印过程打印出来。毕竟许多物质都能以固态形式置于打印头中,再经过加热至熔化,并在计算机的控制下进行沉积。唯一的问题是使用非塑料材料实现这一目标的复杂性。
目前最新研究的一项变体技术是“金属熔融沉积建模技术”,也就是“FDMm”。有几项报道指出标准型热塑挤压打印机已经被改良成可以用金属合金作为材料的 3D 打印机。例如,德克萨斯大学一支由 Jorge Mireles率领的团队通过以金属合金线圈为材料对改良的打印机进行测试。使用的合金具有相对较低的熔点(低于300℃)。有了这个限制条件,就能将金属成功加热并挤压为不到一毫米的厚度层。
还有一个方法,研究人员用气体金属电弧熔融焊接遥控装置来帮助实现金属熔融沉积建模。例如,克兰菲尔德大学的研究人员与 Lockheed Martin 公司合作开发了 FDMm 的另外一种形式,他们称之为“线圈与电弧增材制造”(WAAM)。这种3D打印硬件与计算机控制的电焊机类似,都可以挤压出熔融金属。正如Mark Cooper于2012年11 月在Engadget 中报道的一样,在WAAM机器上,钛丝穿过活动臂,顶端熔化,只要不大于该机械的打印范围,就可以将其制作成任何形状的物体。虽然目前这比传统制造方法要慢一些,但不至于浪费大量昂贵的金属材料。
克兰菲尔德的团队用 WAAM 硬件已经成功打印出许多 3D 物体。其中包括一个180毫米高的“品脱杯”,重约3千克,大约花费了一个小时打印完成。WAAM硬件成本大约50000英镑,可以打印层厚在0.5毫米到2毫米间的空心物体。
目前,虽然金属熔融沉积建模技术还在试验期间,但它有可能成为一种制造某些类型产品的主流工业方法。从理论上来说,同时挤压金属和塑料的打印机也是可以开发出来的。
2.3 多相喷射凝固工艺
另一项基于挤压的3D打印试验形式是多相喷射凝固技术(MJS)。方法是用“粘合剂”将陶瓷或金属粉末混合形成一种可用于3D打印的丝(或粉末),过程如图 2-1 所示。MJS 粘合剂的材料多种多样,包括热塑性聚丙烯或蜡。供给到打印头的丝或粉末也很多样化,但通常都是60%的陶瓷或金属粉末和40%粘合剂的比例。
在最初的打印过程中,粘合剂是熔融的,当黏度达到一定程度就能通过打印喷头成功挤压进而形成物体层。打印完成后,还需要将这个“半成品”上的粘合剂去除。根据所使用的材料不同,可以用化学方法(将半成品浸入到适当的溶剂中),或加热法(将半成品加热至几百摄氏度从而去除粘合剂)。最后的“成品”或“脱脂品”是十分脆弱的,还需要加热到非常高的温度。根据所使用的材料,最后的“致密化”阶段通常需要在窑中长时间加热至1000℃,窑内的物体也会出现一些收缩现象。
首次使用MJS是在20世纪90年代中期,目前已被多种形式的颗粒状材料所取代并用于商业中,本章后面会再讲到。当MJS使用纯陶瓷粉末打印时,这种工艺通常被称为熔融沉积陶瓷技术( FDC )。英国艺术家Jonathan Keep 发明了一种FDC 的DIY 版本,通过挤压半液态粘土进行3D打印。可以访问 keep-art.co.uk 网站,查看更多 Jonathan 做的实验和他的“数字时代的陶器”。
2.4 木质材料挤压工艺
还有一项试验是验证熔融沉积的木质材料也可以被挤压。坦白地说,使用一台标准的材料挤压技术的3D打印机是可以实现打印木质物体的。为了实现这一目标,3D 打印爱好者 Kai Parthy 发明了一种称为“LAYWOO-3D”的 3 毫米细丝材料。这是一种由木质纤维和高分子粘合剂混合而成的复合材料,任何型号的热塑挤压3D打印机都可以使用这种材料,通过熔融和挤压来打印木质物体,包括成本低于 1000 美元的消费级型号。
用 LAYWOO-3D 材料打印出来的物体触感和气味都像木头。它们还可以被打磨或加工成木质复合材料,如中密度纤维板(MDF)。
LAYWOO-3D的最大优点是,它的最终颜色取决于用于熔融和挤压的打印头的温度。在实践中,这意味着 LAYWOO-3D 可以输出为深色木质材料、浅色木质材料或介于两者之间的材料。事实上,在适当温度的控制下,它还可以呈现出“树木年轮”或微妙的颜色渐变。如果这还不够强大的话,那么 LAYWOO-3D 在打印过程中不会变形或收缩,这一点不同于热塑性材料。
2.5 混凝土材料挤压工艺
木材和混凝土都是普通的建筑材料。鉴于倒入混凝土之前,先要将其混合成粘稠状,研究人员使用混凝土作为挤压材料就丝毫不奇怪了。与其他大多数挤压材料不同,混凝土无需加热熔融。相反,它可以通过预先设定状态的运动控制喷嘴来形成物体层,进而固化。
第一台使用混凝土的3D打印机2004年诞生于南加州大学。当时这项技术被称为“轮廓工艺”,并用于制造了世界上第一面3D打印墙。
最近,拉夫堡大学的自由建设项目制造出了一台使用挤