3D打印部件可以超聲波焊接嗎？(2)
時間：2019-07-05 15:19 來源：南極熊 作者：中國3D打印網(wǎng) 閱讀：次
3D打印技術如何影響超聲波焊接零件的制造
雖然3D打印組件可以提供精確的零件幾何形狀，但這些零件的物理特性與注塑、擠壓和機加工成型零件的物理特性是大不相同。
擠壓
擠出是當今最常見，最受認可的3D打印技術。它通過熔化熱塑性長條狀塑料并使其通過管口擠出。擠出的材料沉積在薄層中，形成最終組件的二維切片。這些層連續(xù)地印刷堆積，熔融塑料硬化并粘合到下面的層，形成3D物體。
圖2.熔絲制造過程的描述。
用于擠出的細絲材料包括經(jīng)常用于超聲波焊接的那些材料，例如ABS，HIPS，尼龍，PC，PC-ABS，PET和PLA，其中ABS和PLA是最常用的3D打印的細絲材料。材料等級由不同制造商定制，以達到特殊屬性。3D打印部件的物理強度在層疊的方向上也明顯變弱。結果這些層可能在超聲波焊接過程中分離破壞。由于層之間的間隙或著同一層印刷路徑之間的間隙，因此無法形成一致的氣密接頭。擠出式3D打印機可達到的最高分辨率（最小層厚度）約為0.127mm。然而，實際層厚度隨著3D打印機和材料而變化。可達到的尺寸公差也取決于打印部件的尺寸、形狀和方向。例如，Stratasys Fortus 900mc生產(chǎn)的零件精度為±0.089mm，或每英寸±0.038mm，以較大者為準。使用擠出打印技術可能無法滿足剪切焊縫設計所需的高公差要求。
圖3（上方兩張）顯示了兩個導能筋焊縫設計樣件：一個由注塑模具生產(chǎn)，另一個采用擠出技術3D打印技術。采用一臺Stratasys Dimension Elite 3D打印機，材料是深灰色ABS plus-P430，單層厚度0.17mm。由于打印機擠出寬度的限制，3D打印部件的導能筋通過兩次路徑創(chuàng)建，最終形成矩形形狀（0.35mm高，0.56mm寬）。
剪切焊縫設計不需要尖銳的特征。但是，保持精確的剪切量對于獲得可重復的焊接結果非常重要。圖3（下方兩張）還顯示了兩個剪切焊縫設計的樣品：一個由注塑模具生產(chǎn)，另一個使用與導能筋樣件相同的3D打印機和材料的樣件。
圖3.注塑樣品（左）和擠出打印樣品（右）。
雖然超聲波焊接這類擠出式3D打印部件是可能的。但是，相比較相同材料的注塑部件，焊接強度、焊接能量、溢料和密封性能會大大不同。總之，受限于堆疊層與層之間的強度變化，導能筋形狀的變化，剪切量的尺寸變化，導致擠出型3D打印部件的超聲波焊接無法可重復性實現(xiàn)。如果在零件設計和3D打印制造中克服這些限制，那么零件是可以采用超聲波焊接的。選擇性激光燒結
選擇性激光燒結（SLS）使用由鏡子導向的聚焦激光來熔化粉末形式的材料，例如金屬，塑料或玻璃。常用的聚合物包括尼龍和PS。粉末通過輥子從粉末供應裝置中推出，并在構建表面上以薄層形式鋪展開來。鏡子引導激光經(jīng)過打印部件的2D軌跡，在焦點處升高溫度將粉末熔化。然后降低構建表面并在頂部沉積另一薄層粉末。重復該過程直到對象打印完成。
圖4.選擇性激光燒結（SLS）過程的描述。
SLS工藝可以生產(chǎn)比擠出工藝更精確的零件。SLS工藝材料粉末有不同的顆粒大小。SLS工藝可實現(xiàn)的最小層厚度略小于擠出工藝的厚度，約為0.075mm，因此理論上可以獲得更高分辨率的焊縫細節(jié)。然而，對于SLS工藝，通常不建議打印尺寸小于1mm的壁厚，并且由于SLS分層工藝，精細的細節(jié)（例如導能筋的尖點）可能會被“平滑”或丟失。SLS工藝制造的部件有時帶有較高孔隙率，會引起可焊性問題。SLS部件中的孔會吸收超聲波能量，壓縮部件細節(jié)特征（如導能筋）。在孔周圍也容易產(chǎn)生應力集中，可能導致在超聲波焊接過程中，在高頻振動下破裂。裂縫不僅僅產(chǎn)生在與焊頭接觸的表面，也可以從部件的其它表面或者內部產(chǎn)生并傳播。同時，部件中的顯著孔隙率也導致泄露，難以實現(xiàn)穩(wěn)定的氣密性。
因此，盡管SLS工藝能夠生產(chǎn)可超聲波焊接的零件，但為了實現(xiàn)一致焊接性能，要求零件設計人員和制造商要克服因特征分辨率、零件孔隙率和零件應力相關問題的限制。
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