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最后润色应用

粘合、密封和美化 3D 打印零件

对于几乎与注塑成型产品没有任何区别的原型、高级加工应用、以及外观和质感都非常出色的耐用型自定义设备,可以对 3D 打印零件应用某些简单的后期处理。

粘合和胶合

综述

创建超过您 3D 打印机构建尺寸的模型,或组合 3D 打印的零件和其他零部件。

粘合 FDM 零件

对于太大而无法一次构建的零件,为了使用更少的支撑材料来更快地构建,或者为了构建带有较精细特征的零件,分割和粘合 Fused Deposition Modeling (FDM) 零件是一个很好的解决方案。有多种方法和更多材料可以用于粘合 FDM 零件。

选择粘合方法时的主要考虑因素是粘合接头的强度以及与每种 FDM 材料的相容性。对于强度数据,Stratasys 在德克萨斯大学厄尔巴索分校进行了实验室测试来测量拉伸强度。其他条件 — 包括时间、成本、操作难度、零件配置以及一般性能也都会纳入考虑。但粘合零件的精确度取决于诸多因素。例如粘合剂的性质(比如粘度)将影响到精确度。技术人员技巧、接头样式以及夹具类型的影响甚至更大。

为了帮助选择最适合您的需求的粘合方法,以下是结合多种 FDM 材料所制成的零件的常见方法的简要评估。

粘合剂(环氧树脂)

分为两部分的环氧树脂常用于粘合 FDM 零件。混合环氧树脂成分,然后利用布撒器、刷子或渗透方式进行涂覆。粘度范围可以从稀薄的填缝剂状到浓稠的油灰状,因此涂覆技术也各不相同。涂覆后,在环氧树脂固化的过程中将粘合截面固定住或夹紧。

各种环氧树脂的固化时间、材料特性和粘合强度都不同。但总体而言,它们都易于使用。它们有非常良好的机械强度,并通常表现出良好的耐热和耐化学腐蚀性能。这些粘合剂的优势在于生效时间有 20 到 70 分钟,因此在截面粘紧后还可以进行较小幅的调整。但是,代价却是固化时间较长。在室温下固化时,在许多小时内都不能操作,固化周期将持续一到五天。如果加热固化,则可以大大加快固化进程。

粘合剂(氰基丙烯酸盐粘合剂)

氰基丙烯酸盐粘合剂常被称为强力胶。它是一种快速固化的粘合剂,可用于快速简易的维修和轻负荷的粘合应用。只需将强力胶涂覆在粘合表面上,就可以将截面粘合在一起。粘合剂在几分钟内就会固化。强力胶粘合的 FDM 零件拉伸强度要高于环氧树脂粘合剂。但是,其耐热、耐化学腐蚀和耐溶剂的性能不佳。因此,采用强力胶粘合可能会降低 FDM 零件的性能。所以,建议将其用于概念性的模型以及用于验证成形和配合的原型,而不要用于功能性的原型或实际生产的零件。

溶剂

溶剂粘合通过化学溶解待粘合表面的塑料来发挥作用。可以将溶剂刷涂在截面上,然后将它们按合在一起并夹紧,或者可以将其注射到已匹配好的接头或已存在的裂缝中。水状的稀溶剂会因毛细作用而进入零件表面缝隙,这可以提高修复或粘合的强度。可以使用几种溶剂,但建议使用出自 Micro–Mark 的 SAME STUFF。该方法形成的粘合物的强度要高于许多种粘合剂。与强力胶类似,该过程非常简单,并且粘合部位将在数秒钟内固定。另一个相似之处是它可以涂覆到难以触碰到的区域,因为溶剂将因为毛细作用而到达缝隙或断裂处。

它相对于强力胶和环氧树脂的优点在于当溶剂蒸发完毕后,粘合零件中将只含有 FDM 材料。虽然粘合部位将在数秒内固定,但零件仍应放置至少八小时进行固化。另外还请注意,如果零件受热超过 176 F (80 °C),则表面可能会起泡。溶剂焊接不适用于粘合 PPSF 或 ULTEM 9085。这些 FDM 材料耐化学腐蚀,因此对溶剂几乎没有反应。

热风塑料焊接

塑料的热风焊接与金属的氧炔焰焊接类似。区别在于前者使用热风喷枪代替喷射焰,并使用 FDM 材料条代替焊条。在粘合零件时,将热风焊接工具沿着接头缓慢拖动。热量会融化材料丝,融化的物质会填充缝隙。该方法形成的粘合物的强度要高于其他所有方式。并且该方法快速而廉价。

零件在冷却到可以直接触碰后即可投入使用。因为粘合材料是一小段 FDM 塑料,因此成本几乎可以忽略不计。使用 FDM 材料作为粘合介质的另一个优点在于可保证材料的连续性。粘合剂与零件的特性和性能完全相同。为了获得最好的效果,热风焊接不要应用在薄壁截面上。另外,该处理需要一定的技术,因此效果将取决于技术人员的经验和技巧。

超声波点焊

该技术广泛应用于在塑料零件之间进行永久性粘合的生产过程。超声波点焊工具使用超声波来融化接头区域。利用手持式超声波焊接工具,该方法还可以用在小批量的原型设计或直接数字制造应用中。与其他粘合方法相比,除了需要购买焊接工具外,超声波焊接几乎没有缺点。焊接区域的强度比周围的材料都高,但拉伸强度不如热风焊接或未经粘合的零件。超声波焊接工具的喷管和喷头通常可互换。市面上有各种喷管和焊接头,它们将决定可以焊接的材料厚度、焊接的直径以及所得焊缝的类型。

因为没有向接头中引入材料,因此对零件的精确度或其特性的改变很小。这使得超声波焊接成为必须考虑零件质量以及与人体组织接触的相容性的医疗应用的理想选择。

当需要更高的强度时,超声波焊接可以结合其他方法一起使用。点焊单独的部件以固定它们的位置,然后涂覆粘合剂、溶剂或其他焊接助剂。该方法尤其适合于笨重庞大的组装件。超声波焊接快速而廉价。完成焊接操作后,零件即刻可投入使用。并且因为无需消耗品,所以唯一的开支就是直接的人力成本。

紧固件(机械)

虽然这是一种连接方法,而非粘合方法,但它仍是一种有效的替代方法。有大量的机械紧固方法和硬件选件可用于连接 FDM 零件。一种独特的截面连接方法是在FDM零件的构建过程中插入紧固件。当产品从 Fortus 机器中生成时,零件中就已经集成了紧固件。

客户案例

“我们都想拥有和驾驶洁净而节能的汽车,”坐落于温尼伯的 KOR EcoLogic 工程集团的总裁兼高级设计师 Jim Kor说。他对于环保的热情使他在设计代号为 Urbee 的新汽车时引入了可持续发展的原则,这款汽车将用Stratasys的打印机生产。两座的 Urbee(以城市电力为主能源,酒精燃料为后备能源)采用最小化消耗能源的设计。它在高速公路上可以达到 200 mpg 以上,在城市中也有 100 mpg。现在,它是第一款使用增材流程打印出其整个车身的原型汽车。

在评估备选方案时,Kor 发现使用纤维增强复合材料 (FRP) 或玻璃纤维构建原型车身板件将涉及为每个车身板件构建 1:1 的模型 - 首先创建一个坚固的木质框架或 MDF,然后用高密度泡沫覆盖它,最后再手工雕刻成形。另外,还可以使用 CNC 铣床来雕刻接插件,从而制作出更精准的表面。

“玻璃纤维车身将耗费大量时间,”Kor 说。“而我们必须处理零件的草图或功能,然后制作出模型。”

而当一位 KOR 的工业设计师向 Jim Kor 推荐了 Stratasys 后,团队似乎找到了解决问题的契机。与 Stratasys 代表的交谈使 Kor 相信所有外部组件都可以通过 RedEye on Demand(Stratasys 内部提供的快速原型设计与直接数字制造服务)的 Dimension 3D 打印机和 Fortus 3D 生产系统来制作,并将它们粘合到一起。

Kor 和他的同事将扫描的汽车计算机模型转换成九个逻辑车身板件,首先制作出 1/6 大小的模型,并确保所有独立零件都可以精确匹配。这给予整个团队很大的信心,他们相信大的板件也将毫无问题。

团队与 Stratasys 一起选择 ABS 作为材料,并开始构建汽车。在收到开工的讯息后几周内,几个主要的车身板件都在 Kor 制作完成。完整大小的门和侧面板件最先完成。“这些都是很大型的板件,”Kor 说。“这些零件都可以完美安装在一起。”其余的车身板件由 Stratasys 构建并粘合。

“Stratasys 可以构建挡板并将塑料准确地放置到需要的位置,”他说。“这太强大了,简直令人难以置信。它对环境无害,降低了成本,同时也不会影响安全性。我们并不需要将材料放到不需要的地方。FDM 技术使得更改 Urbee 的设计变得非常简单高效,”Kor 说。“它还帮助我们实现了环保方面的目标,消除了工具、机械和手工方面的要求。如果不需要任何工具就可以完成试运行,这将是一个巨大的优势。”

Kor 对 FDM 生产技术的速度感到惊讶。“现在只需几天或几周就能得到完成的车身部件,蛮快的,”他说。“其他方法都需要几个月。”

Jim Kor 对粘合 FDM Urbee 零件的看法

“实际大小的汽车表层采用 ABS 塑料制造,目的在于测试 Urbee 模型的功能。某些零件太大了,无法作为单个部件构建,因此它们被分割成多个部件,采用 Fortus 900mc 来构建。零件构建完成后,需要将分割开的部件粘合到一起。我们使用了热风焊接的方法。分割的零件被楔形榫头连接件、夹具和大力钳固定就位。然后将这些截面点焊到位。接着,所有外部的接头和内部的筋板都使用同一种热风焊接方法粘合在一起。内部非结构性的筋板则采用溶剂粘合剂 ProWeld 粘合在一起。要针对美学和功能性测试精加工外表面,焊接部位都采用打磨抛光 。

胶合 PolyJet 零件

Objet 的包覆成型功能极大地减少了通过将成形的零件粘合来仿制产品的需要。但在某些情况下,也需要通过粘合来创建出超过构建托盘大小的零件,或者将 3D 打印的零件与其他组件组装起来。幸运的是,只需使用简单廉价的日用胶水,就可以将通过 PolyJet 光聚合物 3D 打印而成的零件简单快捷地粘合在一起。

对于大型模型,使用软件切割工具可以将设计分为数个零件进行 3D 打印,同时还能确保零件可以精确地连接在一起。可以使用快干胶水连接零件,也可以使用需要催化剂的胶水,从而可以控制粘合时间,也可以调整位置。

用于粘合的预先打印零件

在打印大型零件时,您可以将设计分为几个零件,然后将它们粘合在一起,从而获得完整的组装件。您可以在设计完成之前使用 CAD 软件进行这个步骤,或者在 CAD 设计已经完成后,使用 STL 文件处理软件来进行。在将几个零件粘合在一起时,请务必考虑以下内容:

  • 寻找一种简单的方式将各个零件准确地连接起来。
  • 维持粘合零件在 CAD 设计中具备的尺寸特性。

Magic 软件切割工具提供了简单直观的方式将多个零件胶合在一起,并达成这些目标。Magics 软件切割工具提供了多个选择。在使用这款软件工具时,建议采用以下程序:

  1. 将零件在视图中的方向调整到与零件的自然坐标系(也就是前视图、后视图、左视图等)一致的方向。通过这种方式,您可以获得自己关于零件绘制切割线的位置的清晰视角。
  2. 绘制切割线。建议您从零件主体外部的一个点开始,并在零件主体另一侧的一个点结束,这样可以创建穿过零件的直线。
  3. 也可以选择三角形(最适合用于胶合的零件)、矩形(最适合用于模具)、锯齿形或用户自定义的切割方式。您还可以控制切割类型的尺寸和偏移。
  4. 确保您在切割的零件之间添加了空隙。这将为胶水留出足够空间,也可以确保最终的零件可以保持原来设计的尺寸特性。请注意,空隙值根据使用的胶水类型而不同,推荐值为 0.1 mm。当切割完成时,会生成两个 STL 文件,可以在托盘上打印出来

针对胶合对零件进行后处理

在胶合零件之前,建议进行以下处理:

  1. 在打印完零件后,使用喷清洗机清洗零件。
  2. 清洗零件后,将其浸入 2% 的 NaOH 水溶液 20 到 40 分钟。这可以去除所有残留的支撑材料。
  3. 再次用水清洗
  4. 将零件风干,或使用压缩空气加快干燥过程。

建议的胶水类型

PolyJet 的专家们最常用的胶水类型是强力胶(也被称为氰基丙烯酸盐粘合剂)。通常,氰基丙烯酸盐粘合剂是一种有水(尤其是氢氧根离子)时会快速聚合的丙烯酸树脂。ALTECO- ACE –D 通常与催化剂一起使用,以控制粘合时间。还可以使用催化剂喷雾将溢出模型表面的残留物硬化。可以用砂纸将它们磨去,这样就防止了过量的胶水在零件上流散。

为了立即粘合,应将胶水涂覆在所需的表面上,然后喷涂催化剂有关胶水和催化剂的详细信息,请访问以下链接:

其他胶水类型

刚性零件

  • LOCTITE 401 – 中等粘度
  • Permabond Ultra Fast 792 – 固化时间极短,通用
  • Al-fix – 附带催化剂
  • Kleiberit 851.0 – 附带易用的涂覆器盖

挠性零件

  • Sico Met 8300 与高速催化剂喷雾 — 非常适用于弹性体
  • Permabond Black Magic 737,用于挠性零件