3D打印技术

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3D打印技术(Three Dimensions Printing Technology)

目录

什么是3D打印技术[1]

  3D打印技术快速成形技术的一种,它是将计算机设计出的三维数字模型分解成若干层平面切片,然后由3D打印机把粉末状、液状或丝状塑料、金属、陶瓷或砂等可粘合材料按切片图形逐层叠加,最终堆积成完整物体的技术。该技术综合了数字建模技术、信息技术、机电控制技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识,是一种具有很高科技含量的综合性应用技术。

  3D打印技术可以实现大规模的个性化生产,可以制造出传统生产技术无法制造出的外形。并且可以实现首件的净型成形,大大减小了后期的辅助加工量,避免了委外加工的数据泄密和时间跨度。另外,由于其制造准备和数据转换的时间大幅减少,使得单件试制、小批量生产的周期和成本降低,特别适合新产品的开发和单件小批量零件的生产。这些优势使3D打印成为一种潮流,目前已在建筑工业设计、珠宝、鞋类、模型制造、汽车、航空航天、医疗、教育地理信息系统等诸多领域都得到了广泛的应用。

3D打印技术的特点[2]

  3D打印与传统模型加工制造相比,有以下优势:

  (1)打印的零件精度高。目前市面上的主流3D打印机的精度基本都可以控制在0.3ram以下。这种精度对于一般产品需求来说是足够的。

  (2)产品制造周期短,制造流程简单。3D打印技术省去了传统工艺模具设计与制作等工序,直接从CAD软件的三维模型数据得到实体零件,生产周期大大缩短,也简化了制造流程,节约制模成本。

  (3)可实现个性化制造。3D打印一般通过计算机建模实现设计,很容易在尺寸、形状和比例上做修改,并且这些修改都是实时的,为制作个性化产品提供了极大便利。另一方面,利用计算机建模能得到一些传统工艺不能得到的曲线,这将使3D打印产品拥有更加个性的外观。

  (4)制造材料的多样性。通常一个3D打印系统可以使用不同材料打印,如金属、石料、塑料等,从而满足不同领域的需要。

  (5)可完成一些相对复杂的零件。弥补了传统加工工艺的不足。

3D打印技术的原理[1]

  3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本,用软件将其离散分解成若干层平面切片,然后由数控成型系统利用激光束、热熔喷嘴等方式将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。3D打印机是3D打印的核心装备,它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统,主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。与传统制造业的“减材制造技术”相反,3D打印遵从的是加法原则,即“逐层叠加”原则,不再需要传统的刀具、夹具和机床,能实现设计制造一体化,从而大幅降低了生产成本和缩短了加工周期,提高了原材料能源的利用率,减少了对环境的影响,并且能实现复杂结构产品的设计制造,成型产品的密度也更加均匀。

3D打印技术的步骤[1]

  助设计人员使用计算机建模软件制作出产品的三维数字模型,再根据模型自动分析出打印的工序,之后按下“打印”键,3D打印机就可以把它们打印出来。3D打印与传统打印原理是一样的,只是所用的打印原材料不一样,传统打印用的是“墨水”,而用于3D打印的原材料则必须是能够液化、粉末化、丝化的塑料、金属、陶瓷或砂等,在打印完成后又能重新结合起来,并具有合格的物理、化学性质。

  (1)三维设计

  三维打印的设计过程是:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维立体模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。3D设计软件是3D打印的数据源头,3D打印所需的模型是由3D设计软件创建的,国内的3D设计软件包括cAD、中望3D、cAxA等。虽然目前3D打印的专用软件不少,但更为直观、简单、实用的3D打印专用软件还有待开发。

  (2)切片处理

  3D打印与激光成型技术一样,采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层的打印过程分为两步,首先打印机通过读取文件中的横截面信息,在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散。然后喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将被“打印”成型,打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型,而剩余粉末还可循环利用。

  (3)完成打印

  3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够,但在弯曲的表面可能会比较粗糙,像图像上的锯齿一样,要获得更高分辨率的物品可以先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体,再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

3D打印技术的种类[1]

  (1)SLA立体光固化成型技术

  该技术的原理是用特定波长与强度的“光”聚焦到“光固化材料”表面,从而完成单层材料的图形化。使用的材料是液态光敏树脂。特点是成形速度较快,精度相对较高,外形表面非常好。主要用于制造多种模具、模型。

  (2)FDM容积成型技术

  其原理是将丝状材料通过加热器的挤压头熔化成液体,微喷头作x—v平面运动,将熔融的材料涂覆在成型的“作品”上,冷却后便完成一层图形的制作。使用的材料是丝状材料(石蜡、金属、工程塑料、低熔点合金丝)。特点是使用、维护简单,成本较低,速度快,复杂程度原型仅需要几个小时即可成型。主要用于塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

  (3)LOM分层实体制造技术

  其原理是激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据,将背面涂有热熔胶的薄材用激光切割出工件的内外轮廓,切割完一层后,送料机构将新的一层纸叠加上去,利用粘压装置将已切割层粘合在一起。使用的材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜及涂敷有热敏胶的纤维纸等。特点是工作可靠,模型支撑性好,成本低,效率高。主要用于快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。

  (4)3DP三维粉末粘接技术

  其原理是先铺一层粉末,然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域,让材料粉末粘接,形成零件截面,然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程,层层叠加,获得最终工件。使用的材料是粉末材料,如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等。特点是成型速度快、无需支撑结构,而且能够输出彩色打印产品,目前其他技术比较难以实现。主要应用在专业领域。

  (5)SLS选择性激光烧结技术

  其原理是先铺一层粉末材料,控制激光束有选择性地进行烧结,使粉末材料温度升至熔化点,被烧结部分便固化形成图形,接着不断重复铺粉、烧结的过程,直至完成整个模型成型。使用的材料是金属粉末材料(Ni基合金混铜粉、Ti、Fe、Cu粉末等)。特点是成品精度好、强度相对较高,最主要的优势在于金属成品的制作。主要应用在高端制造领域。

3D打印技术的挑战[2]

  但3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间,仍面临着多方面的瓶颈和挑战:

  (1)成本较高。现有3D打印机造价普遍较为昂贵,今年虽然多家公司推出了廉价3D家用打印机(1000美元以下),但是苦于打印材料价格高居不下,导致总体成本偏高。

  (2)打印材料限制。目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物,选择的局限性较大,成型品的物理特性较差,而且安全性也存在一定隐患。

  (3)精度、速度和效率方面。目前3D打印成品的精度还不尽如人意,打印效率还远不适应大规模生产的需求,而且受打印机工作原理的限制,打印精度与速度之间存在严重冲突。

  (4)打印零件尺寸限制。目前的3D打印机并不能实现大尺寸零件的制造。

  (5)产业环境方面。3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散,制造业面对的盗版风险大增,现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。

3D打印技术的发展[1]

  3D打印技术最早可追溯至1984年,世界上第一台3D打印机诞生于1986年,引起关注和商业化应用开发则是近几年的事。美国政府已将人工智能、3D打印、机器人作为重振美国制造业的三大支柱,其中3D打印是第一个得到政府扶持的产业。我国工信部也正在组织研究制定3D打印技术路线图、中长期发展战略、3D打印技术规范和标准,以及3D打印产业发展的专项财税政策。目前,华中科技大学史玉升科研团队经过十多年的努力,已研发出全球最大的“3D打印机”,这一“3D打印机”可加工零件长宽最大尺寸均达到1.2米。与此同时,民用3D打印机市场也在快速崛起,3D打印机制造厂商也在不断增多。

  目前,3D打印技术主要应用于工业企业新产品设计、试制及快速打印成形;个性化产品设计及快速打印制造;模型制造;医疗行业;建筑业;汽车制造业;航空航天;食品产业;教育科研;军事等行业中。从长远看,这项技术应用范围之广将超乎想象,最终将给人们的生产和生活方式带来颠覆式的改变。但由于受制于材料、成本、打印速度、制造精度等多方面因素,这项技术并不能完全取代传统的减材制造法并实现大规模工业化生产,未来相当长的一段时间内两种生产方式将并存、互补。

参考文献

  1. 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 牛一帆.3D打印技术探究(J).印刷质量与标准化.2014,2
  2. 2.0 2.1 吴平.3D打印技术及其未来发展趋势(J).印刷质量与标准化.2014,1
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