3D打印部件可以超聲波焊接嗎？(3)
時間：2019-07-05 15:19 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：571次
立體光刻（SLA）/數字光蝕（DLP）/材料噴射
有多種技術可以利用光敏聚合物樹脂，例如立體光刻（SLA）和數字光蝕（DLP）。這些方法使用聚焦光將光敏聚合物樹脂逐層固化成固體零件。第三種方法是材料噴射，用噴墨式印刷頭打印薄層的光敏聚合物，并立即用UV光源固化聚合物。使用這些方法生產的零件具有高精度和光滑的表面，這是保證焊接性一致所需的兩個基本要素。
圖5.立體光刻（SLA）過程的描述。
不幸的是，基于光敏聚合物樹脂工藝缺少可焊性的第三個基本要素。光敏聚合物樹脂能使用紫外線（UV）能量固化，但它們不能使用超聲波焊接的摩擦生熱進行熔化、成形或者粘接。雖然基于光敏聚合物的3D打印工藝不能直接生產超聲波可焊接的零件，但它們為零件設計師提供了另一種選擇——這些3D打印工藝已被用于制造注塑模具。而這些模具受益于SLA打印或材料噴射工藝的高分辨率和光滑表面，能夠準確復制零件特征，并且可以使用與后續大批量生產相同的材料。因此，可以高精度地評估部件的焊接性能、強度和密封性。在減少交付周期和產品開發成本方面是一個優勢。
由于這些模具由塑料而不是金屬制成，因此它們通常僅用于生產有限數量的部件。具有良好流動特性和低熔融溫度（<300°C）的材料，例如ABS，PS，PE和PP，可使用由材料噴射工藝生產的模具多達100次；對于高性能塑料如含玻纖的尼龍或者PC，該類模具只能使用約5至15次。SLA/DLP 3D打印部件的分辨率非常小，例如FormLabs Form 2 能夠實現25μm層厚度。材料噴射技術，例如Stratasys的PolyJet技術，可以實現低至16μm的層厚度。
超聲波焊接的零件設計考慮因素
如上所述，不同的3D打印技術能夠達到不同的分辨率。但是更高的分辨率并不意味著更好或更尖銳的焊縫設計。圖6展示了使用注塑成型和三種不同3D打印技術成型的導能筋詳細視圖。擠出加工（FFF）的部件使用的是Stratasys Dimension Elite 3D打印機，材料是Stratasys深灰色ABS plus-P430，層厚度0.18mm。SLS工藝加工的部件使用3D Systems sPro 60 3D打印機，材料Duraform PA（由3D Systems開發的尼龍粉末）。SLA工藝加工的部件使用Stratasys Objet 260 Connex 2打印機噴射加工，材料是一種不透明光敏聚合物Vero White。請注意，盡管材料噴射加工的組件具有更光滑的表面并且沿其長度方向尺寸更加一致，但它使用的是光敏聚合物材料，因此不能進行超聲波焊接。
圖6.使用注塑模具和三種3D打印技術成型的導能筋放大圖。
材料選擇材料是影響可焊性的一個主要因素。許多專門用于3D打印的工程樹脂，不應與可焊接塑料混淆。例如，ABS是最容易進行超聲波焊接的聚合物之一。而由Stratasys開發的ABS，模仿ABS樹脂的特性，但由于它是一種光敏聚合物，所以無法采用超聲波焊接。
3DP打印方向
目前使用的3D打印技術，當從零件不同方向打印時，焊縫的幾何形狀可能會有很大差異。焊筋并不總沿著直線路徑布置，單個導能筋的朝向可以位于多個方向。在三種不同方向上打印焊接筋將產生不同的形狀誤差結果，并且影響部件的拉伸性能。
焊頭設計與治具支撐
通常在評估零件設計時，3D打印零件可大大減少評估時間和成本。為了評估焊縫設計，焊接筋上方的表面應該抬高，從而保證所有與焊頭接觸的表面都是平面，如圖7所示。這樣可以使用通用的平面焊頭接觸3D打印部件進行超聲波焊接，并將振動傳遞到焊縫位置。此外，焊頭接觸面應盡可能靠近焊接筋，以減少超聲波振動在到達焊筋位置之前能量的衰減。
超聲波焊接還需要治具剛性支撐。為了避免因定制治具而產生時間和成本，組件應在焊接筋下方具有平坦表面，以便它可以站立在堅硬的平面上。
零件實心設計
十分重要的一點，在焊接筋與焊頭之間的所有零件側壁必須是以最大填充設置（100%實心）打印。一些3D打印部件設計有內部空隙和薄壁幾何形狀，以減少打印所需的材料。然而，部件內部的這種空隙，因阻礙超聲波能量的傳遞，會使超聲波焊接更加困難或不可能。
即使在實體打印中，在沿著層邊緣和層與層之間，也可能出現小孔和空隙。這些問題影響超聲波焊接結果，導致焊接部件泄漏等問題。3D打印設置應盡可能選擇高密度模式。
圖7.焊接筋上方（紅色）和下方（藍色）的平面接觸區域。
3D打印技術為新產品評估提供了一種全新且令人興奮的快捷方式。然而，使用3D打印部件評估其超聲波可焊性目前是有局限性的，主要是受限于當前的3D打印技術。超聲波焊接要求部件具有高分辨率，較高強度和堅固性，并且是使用可焊接聚合物材料。這里提到的3D打印技術：擠出，激光燒結（SLS）和立體光刻（SLA）/數字光蝕（DLP）/材料噴射，目前尚未證明通過這些技術直接打印的零件具有與注塑件相同的物理特性和可焊性。盡管通過改善，制造商可能生產出接近注塑件性能的3D打印零件，但是仍需注意使用3D打印零件對焊縫設計的評估結果可能是錯誤的，可能無法反映最終的生產結果。
鑒于3D打印技術和材料的最新進展，3D打印注塑模具可以為生產原型零件提供經濟高效的解決方案，其超聲焊接性能和質量可以使用注塑零件更準確地預測最終生產結果。
(責任編輯：admin)
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