2024高温腔室解锁FDM 3D打印无限潜能白皮书

突破材料、尺寸限制，提升性能表现 白皮书 引言 在大尺寸零件的增材制造领域，FDM 技术以其成本效益高、操作简便等优势，逐渐成为各行业的首选制造解决方案。 在 FDM 打印过程中，打印温度是确保打印件质量和性能的核心要素。喷头温度、平台温度和腔室温度三者共同作用，但其中腔室温度对 3D 打印的影响尤为显著。腔室温度维持在一个较高的温度水平，有助于提供一个稳定的热环境，这可以显著减少材料在冷却过程中的收缩和翘曲现象。特别是在打印大尺寸件时，这种较高的恒温环境的作用尤为关键，因为它有助于保持材料的一致性和减少热应力。 喷头温度决定了熔融材料的流动性和层间扩散能力，而平台温度则影响第一层的粘附力和整个打印过程的稳定性。然而，当涉及到稳定成型和提升 Z 向性能时，腔室温度的作用无可替代。特别是在打印工程材料和高性能材料时，这些材料在冷却成型中会产生较大的内应力，导致翘曲和变形。在这种情况下，仅依靠平台温度是不够的，必须通过稳定的腔室温度来缓解内应力，确保打印件的质量和稳定性。 市面上的大多数消费级 3D 打印机由于技术和成本的限制，通常没有配备高温腔室。为了开发高性能的 3D 打印机，需要克服一系列技术难题，例如在高温环境下维持设备的稳定性、确保材料的兼容性以及选择合适的打印材料。这些因素共同决定了打印件的质量和性能。因此，在需要打印大尺寸件、对打印件性能有严格要求，或者需要使用特定材料的应用场景中，选择一台配备了高温腔室的 3D 打印机变得尤为重要。 高温腔室技术的重要性 •打印材料的全面适用性：工程材料和高性能材料通常具有较高的熔点，只有具备高腔温的 3D 打印机才能有效支持这些材料的打印过程。无腔温或腔温较低的 3D 打印机可能无法满足这些材料的打印成型。高腔温打印机的使用，确保了材料在打印过程中的均匀性，从而允许这些材料在打印后展现出其应有的力学性能。 •大尺寸稳定成型：即使是常见的工程材料，如 ABS 和 PC，在打印件超过 100mm 时，也容易发生翘曲变形。高温腔室通过提供稳定均匀的高温环境，有效调控材料的冷却速度，减少收缩应力，从而确保大尺寸部件的稳定成型。 •提升打印件性能：高温腔室能够显著提升打印件的机械性能（特别是 Z 向性能）。通过保持打印过程中高腔温的恒定均一，材料层间的附着力增强，提升整体结构的强度，使打印件能够在更严苛的应用环境中保持卓越表现。 高温腔室技术不仅提高了 3D 打印材料的适用性，还确保了大尺寸打印件的稳定性，同时提升了打印件的整体性能，是推动终端产品直接制造的重要因素。 本白皮书旨在概述高温腔室技术的优势，以及对大尺寸 FDM 3D 打印稳定成型和性能提升的影响。我们将详细展示高温腔室技术下的 3D 打印件性能测试结果，包括力学性能关键指标。 高温腔室技术优势 解决翘曲 稳定成型 在 3D 打印领域，大尺寸零件的翘曲问题一直是行业面临的技术挑战。特别是在缺乏高温腔室支持的打印过程中，尺寸超过 100mm 的样件更容易遭遇翘曲现象。 ▪ 温度均一性和减少翘曲 在 3D 打印过程中，翘曲现象一方面是由于打印件在冷却时各部分的降温速率不一致，不同位置的冷却速度不同，会导致材料在不同区域的膨胀和收缩不一致，最终引起翘曲；另一方面，先沉积的材料逐渐冷却，形成温度梯度，也就是所谓的热梯度。2在无腔温的 3D 打印过程中，每一层的材料从高温冷却到室温，不同层次的温度差异就形成了热梯度。通过提高环境温度，使热梯度减小，可以减轻这种变形，如下图所示。 另一个导致翘曲的因素是流动应力，它是由于材料在打印过程中迅速固化产生的。流动应力是由于材料在打印过程中迅速固化而产生的，如果降温速率过快，材料内部分子链的解取向过程可能不完全，导致内部残余应力的形成。高温腔室技术通过控制打印环境的温度，为材料提供足够的时间在冷却过程中释放这些应力，进一步减少翘曲的发生。 ▪ 实验：高温腔室对工程材料大尺寸打印件翘曲的影响 为了测试常用的工程材料在无高温腔室和有主动加热并保持设定温度下的打印表现，我们选择了 ABS 和 PC 两种不同的材料进行实验。 ABS 在 3D 打印中的主要优势，在于其相对较高的玻璃化转变温度（约 105℃），使得打印件在足够高的温度下保持尺寸稳定，而不会像其他常用材料那样变形。相比之下，PC 材料对温 度的敏感性更高，这种敏感性更显著地体现在变形和翘曲等打印质量问题上。随着打印件的幅面增大，PC 材料更容易出现翘曲和变形。且 PC 打印件的幅面越大，翘曲和变形的风险更大。随着宽度的增加，打印件出现翘曲，在极端情况下，形成了明显构造缺陷。 如前文所述，翘曲是由于打印件在冷却过程中温度分布不均造成的，同样也发生在打印过程中。翘曲会因为几何形状、特定材料和打印参数设置不同而异。因此，我们在这个实例中打印了不同的立方体，从而展示高温腔室对打印件的影响。 通过对比 ABS 立方体打印件发现，在有腔室加热的情况下，大尺寸样件的翘曲问题得到了显著改善。这一结果验证了高温腔室技术在提升大尺寸零件稳定成型方面的有效性。 扩展高性能打印材料的应用范围 高温 3D 打印机配备的高温腔室技术，显著扩展了可打印材料的种类，使其不仅限于常见工程材料，还能处理如聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酰亚胺（PEI）等高性能耐高温和耐化学腐蚀材料。这些材料在打印过程中需要层间温度处在一个分子链可以活动的温度范围，以保证层与层之间的良好粘结，避免热应力引起的打印件变形和开裂，这一要求通过高温腔室打印技术能够实现。 以 PEEK 和 PEI 为例，它们的熔点范围分别在 350-400℃和 217-343℃之间，远高于常规3D 打印机的能力。在没有高温腔室的情况下，打印这些材料时打印件的各个部分冷却速率不均，导致收缩情况不同，无法打印成型。高温腔室的引入，提供了一个稳定的温度环境，可以成功打印更多种类的工程材料和高性能材料。 改善层间粘结 提升打印件性能 ▪ 层间粘结原理 腔温越高，层间粘结越紧密。层间粘结情况与层间温度密切相关。在 3D 打印过程中，如果没有腔室温度，从喷嘴挤出的熔融材料会与相对较冷的腔室环境形成较大的温差。这导致上一层材料在沉积后迅速冷却，当进行到下一层材料的沉积时，层间温度可能不足以支持有效的分子链扩散和粘合。两层材料的分子链不能充分跨越层间界面进行扩散，造成层间粘结不足，从而降低了层间强度，增加了开裂的风险。 ▪ 实验：高腔温和 Z 向强度提升 为了深入探讨高温腔室对 3D 打印件 Z 向性能的影响，我们对 ABS、PC 和 PC-ABS 三种非晶材料进行了拉伸强度测试。实验在 30℃和 100℃两种腔室温度条件下进行，均不使用风扇以模拟实际的打印环境。测试遵循 ISO527 标准，确保了结果的一致性和可比性。 实验结果揭示了腔室温度对材料性能的显著影响。 ABS 材料显示出对腔室温度较高的敏感性，其拉伸强度在腔室温度提升时增加了三倍。这可能是因为在较高的腔室温度下，ABS 分子链在层间的活动性更好，层间粘合更牢固，从而提高了打印件的整体性能。 对于PC 材料和 PC-ABS 材料，尽管性能提升不如 ABS 明显，但腔室温度的提高仍然对提升其性能有正面影响，这表明高温腔室对于改善复合材料的层间粘合和整体机械性能都是有益的。 腔室温度的均匀性对于保持打印件整体性能的一致性至关重要。为了评估腔室温度的一致性对打印质量的影响，我们在 30℃和 100℃两种腔室温度条件下，使用 FUNMAT PRO 310 对ABS、PC 和 PC-ABS 这三种材料各进行了 10 根样条的打印测试，10 根样条分别定位于腔室内 10 个不同的点位（如图）。 数据显示，无论是 PC、ABS 还是 PC-ABS 材料，在 100℃腔室温度下的平均拉伸强度均高于30℃腔室温度下的平均拉伸强度。标准差数据显示，在 100℃腔室温度下，所有材料的拉伸强度标准差都小于在 30℃腔室温度下的对应值，这表明在较高的腔室温度下，打印件的抗拉伸强度性能表现出更高的一致性。 这意味着 FUNMAT PRO 310 的腔温能够提供均匀且稳定的打印环境，确保了打印过程中各点位的温度均一，从而使得打印件在不同位置的性能都能保持稳定。这种均一稳定的高温环境对于打印大尺寸的打印件尤为关键，对于提高打印件的整体质量具有重要的实际意义。腔温一致性的保持也可以促进打印的重复性和一致性，确保每次打印都能得到可靠的结果，这对于批量生产和终端产品的直接制造至关重要。 结论 本系列测试揭示了高温腔室技术在 3D 打印中的显著优势。在缺乏腔室温度的环境中，打印件常常会遇到翘曲和开裂等质量问题。而当引入中等腔室温度（例如 100℃）时，这些缺陷得到了有效控制，并且显著提升了工程材料的 Z 向强度，从而增强了打印件的整体性能和耐用性。 进一步而言，对于 3D 打印超过 100mm 的大尺寸高性能材料（PEI 9085，PEI 1010 和 PPSU等）零部件，高温腔室是确保稳定成型的基础条件。 综合结果表明，高温腔室技术是提升 FDM 3D 打印质量、简化生产流程、并实现成本效益的关键。随着技术的不断进步和应用的深入拓展，高温腔室技术有望在未来的制造业中扮演更加重要的角色。 远铸智能的高温腔室3D打印技术 在工业级 3D 打印中，提供均一的腔室温度是确保打印件质量和一致性的关键。远铸智能的FUNMAT PRO 系列 3D 打印机，凭借其先进的高温腔室技术，能够满足不同打印需求，无论是大型零部件打印还是高性能材料的打印。 FUNMAT PRO 610HT 以其高达 300°C 的打印腔室温度和 610x508x508 mm 的宽敞打印空间，完美契合了高端制造业对精度和尺寸的双重需求。该设备搭载了精密的温度控制系统，能够实时监控和调节腔室温度，确保整个打印过程中温度的稳定性。腔室的设计，包括其形状、尺寸以及加热元件的布局，均经过精心设计，旨在实现整个打印空间的温度均匀性，为打印件提供理想的成型环境。特别值得一提的是，FUNMAT PRO 610HT 在打印 PEEK、PEI、PPSU 等高性能材料以及大尺寸的 PC、ABS 等工程塑料时表现出色，能够确保卓越的打印质量和打印件机械性能。 权威第三方机构的测试和校准显示，在 200℃和 300℃的腔室温度设定下，FUNMAT PRO610HT 的腔温波动度被严格控制在 ±0.2℃和 ±0.3℃之内，确保打印件质量和性能不会受到腔温波动的影响。 下表展示了 FUNMAT PRO 610HT 在不同设定温度下的温度均一性数据： FUNMAT PRO 610LT 拥有与 610HT 一样的大尺寸打印能力，120℃的恒温腔室设计可以充分满足 PC、ABS 等工程材料在打印质量和精度上的严苛要求、并显著提升打印件的力学性能，应对各种工业场景的批量生产制造需求。经过 200,000 小时生产级打印验证，大尺寸打印成功率高达 90%+，且高打印速度实现 3D 打印效率和产能的进一步提升，为汽车、通用制造等行业带来最具投资回报率的工业 FDM 生产级解决方案。 FUNMAT PRO 310 凭借其稳定的打印环境和灵活性，成为了小批量生产的理想选择。该打印机标配了 100℃的恒温腔室，并拥有 305x 260 x 260 mm 的大尺寸打印空间，确保了PC、ABS 等工程塑料在全幅面打印时的稳定性。即便是在打印超过 100mm 的部件时，也能有效防止翘曲和变形等问题，从而显著提升打印零件的机械性能。其腔室加热系统的高效性和稳定性使得打印机能够迅速在不同设定温度下达到稳态，为用户提供了可靠且高质量的打印体验。 行业应用与市场需求 随着制造业对大尺寸、高性能零件的需求日益增长，高温腔室 3D 打印技术正成为推动行业创新的关键力量。这一技术不仅满足了当前市场对复杂几何形状和高性能材料的需求，也为未来的制造业发展提供了坚实的基础。 ▪ 大尺寸打印的趋势和效益 在汽