3D列印技術

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3D列印技術(Three Dimensions Printing Technology)

目錄

什麼是3D列印技術[1]

  3D列印技術快速成形技術的一種,它是將電腦設計出的三維數字模型分解成若幹層平面切片,然後由3D印表機把粉末狀、液狀或絲狀塑料、金屬、陶瓷或砂等可粘合材料按切片圖形逐層疊加,最終堆積成完整物體的技術。該技術綜合了數字建模技術、信息技術、機電控制技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術知識,是一種具有很高科技含量的綜合性應用技術。

  3D列印技術可以實現大規模的個性化生產,可以製造出傳統生產技術無法製造出的外形。並且可以實現首件的凈型成形,大大減小了後期的輔助加工量,避免了委外加工的數據泄密和時間跨度。另外,由於其製造準備和數據轉換的時間大幅減少,使得單件試製、小批量生產的周期和成本降低,特別適合新產品的開發和單件小批量零件的生產。這些優勢使3D列印成為一種潮流,目前已在建築工業設計、珠寶、鞋類、模型製造、汽車、航空航天、醫療、教育地理信息系統等諸多領域都得到了廣泛的應用。

3D列印技術的特點[2]

  3D列印與傳統模型加工製造相比,有以下優勢:

  (1)列印的零件精度高。目前市面上的主流3D印表機的精度基本都可以控制在0.3ram以下。這種精度對於一般產品需求來說是足夠的。

  (2)產品製造周期短,製造流程簡單。3D列印技術省去了傳統工藝模具設計與製作等工序,直接從CAD軟體的三維模型數據得到實體零件,生產周期大大縮短,也簡化了製造流程,節約制模成本。

  (3)可實現個性化製造。3D列印一般通過電腦建模實現設計,很容易在尺寸、形狀和比例上做修改,並且這些修改都是實時的,為製作個性化產品提供了極大便利。另一方面,利用電腦建模能得到一些傳統工藝不能得到的曲線,這將使3D列印產品擁有更加個性的外觀。

  (4)製造材料的多樣性。通常一個3D列印系統可以使用不同材料列印,如金屬、石料、塑料等,從而滿足不同領域的需要。

  (5)可完成一些相對複雜的零件。彌補了傳統加工工藝的不足。

3D列印技術的原理[1]

  3D列印技術是以電腦三維設計模型為藍本,用軟體將其離散分解成若幹層平面切片,然後由數控成型系統利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末狀、液狀或絲狀金屬、陶瓷、塑料、細胞組織等材料進行逐層堆積黏結,最終疊加成型,製造出實體產品。3D印表機是3D列印的核心裝備,它是集機械、控制及電腦技術等為一體的複雜機電一體化系統,主要由高精度機械繫統、數控系統、噴射系統和成型環境等子系統組成。與傳統製造業的“減材製造技術”相反,3D列印遵從的是加法原則,即“逐層疊加”原則,不再需要傳統的刀具、夾具和機床,能實現設計製造一體化,從而大幅降低了生產成本和縮短了加工周期,提高了原材料能源的利用率,減少了對環境的影響,並且能實現複雜結構產品的設計製造,成型產品的密度也更加均勻。

3D列印技術的步驟[1]

  助設計人員使用電腦建模軟體製作出產品的三維數字模型,再根據模型自動分析出列印的工序,之後按下“列印”鍵,3D印表機就可以把它們列印出來。3D列印與傳統列印原理是一樣的,只是所用的列印原材料不一樣,傳統列印用的是“墨水”,而用於3D列印的原材料則必須是能夠液化、粉末化、絲化的塑料、金屬、陶瓷或砂等,在列印完成後又能重新結合起來,並具有合格的物理、化學性質。

  (1)三維設計

  三維列印的設計過程是:先通過電腦建模軟體建模,再將建成的三維立體模型“分區”成逐層的截面,即切片,從而指導印表機逐層列印。3D設計軟體是3D列印的數據源頭,3D列印所需的模型是由3D設計軟體創建的,國內的3D設計軟體包括cAD、中望3D、cAxA等。雖然目前3D列印的專用軟體不少,但更為直觀、簡單、實用的3D列印專用軟體還有待開發。

  (2)切片處理

  3D列印與激光成型技術一樣,採用了分層加工、疊加成型來完成3D實體列印。每一層的列印過程分為兩步,首先印表機通過讀取文件中的橫截面信息,在需要成型的區域噴灑一層特殊膠水,膠水液滴本身很小,且不易擴散。然後噴灑一層均勻的粉末,粉末遇到膠水會迅速固化黏結,而沒有膠水的區域仍保持鬆散狀態。這樣在一層膠水一層粉末的交替下,實體模型將被“列印”成型,列印完畢後只要掃除鬆散的粉末即可“刨”出模型,而剩餘粉末還可迴圈利用。

  (3)完成列印

  3D印表機的解析度對大多數應用來說已經足夠,但在彎曲的錶面可能會比較粗糙,像圖像上的鋸齒一樣,要獲得更高解析度的物品可以先用當前的三維印表機打出稍大一點的物體,再稍微經過錶面打磨即可得到錶面光滑的“高解析度”物品。

3D列印技術的種類[1]

  (1)SLA立體光固化成型技術

  該技術的原理是用特定波長與強度的“光”聚焦到“光固化材料”錶面,從而完成單層材料的圖形化。使用的材料是液態光敏樹脂。特點是成形速度較快,精度相對較高,外形錶面非常好。主要用於製造多種模具、模型。

  (2)FDM容積成型技術

  其原理是將絲狀材料通過加熱器的擠壓頭熔化成液體,微噴頭作x—v平面運動,將熔融的材料塗覆在成型的“作品”上,冷卻後便完成一層圖形的製作。使用的材料是絲狀材料(石蠟、金屬、工程塑料、低熔點合金絲)。特點是使用、維護簡單,成本較低,速度快,複雜程度原型僅需要幾個小時即可成型。主要用於塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。

  (3)LOM分層實體製造技術

  其原理是激光切割系統按照電腦提取的橫截面輪廓線數據,將背面塗有熱熔膠的薄材用激光切割出工件的內外輪廓,切割完一層後,送料機構將新的一層紙疊加上去,利用粘壓裝置將已切割層粘合在一起。使用的材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜及塗敷有熱敏膠的纖維紙等。特點是工作可靠,模型支撐性好,成本低,效率高。主要用於快速製造新產品樣件、模型或鑄造用木模。

  (4)3DP三維粉末粘接技術

  其原理是先鋪一層粉末,然後使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區域,讓材料粉末粘接,形成零件截面,然後不斷重覆鋪粉、噴塗、粘接的過程,層層疊加,獲得最終工件。使用的材料是粉末材料,如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等。特點是成型速度快、無需支撐結構,而且能夠輸出彩色列印產品,目前其他技術比較難以實現。主要應用在專業領域。

  (5)SLS選擇性激光燒結技術

  其原理是先鋪一層粉末材料,控制激光束有選擇性地進行燒結,使粉末材料溫度升至熔化點,被燒結部分便固化形成圖形,接著不斷重覆鋪粉、燒結的過程,直至完成整個模型成型。使用的材料是金屬粉末材料(Ni基合金混銅粉、Ti、Fe、Cu粉末等)。特點是成品精度好、強度相對較高,最主要的優勢在於金屬成品的製作。主要應用在高端製造領域。

3D列印技術的挑戰[2]

  但3D列印技術要進一步擴展其產業應用空間,仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰:

  (1)成本較高。現有3D印表機造價普遍較為昂貴,今年雖然多家公司推出了廉價3D家用印表機(1000美元以下),但是苦於列印材料價格高居不下,導致總體成本偏高。

  (2)列印材料限制。目前3D列印的成型材料多採用化學聚合物,選擇的局限性較大,成型品的物理特性較差,而且安全性也存在一定隱患。

  (3)精度、速度和效率方面。目前3D列印成品的精度還不盡如人意,列印效率還遠不適應大規模生產的需求,而且受印表機工作原理的限制,列印精度與速度之間存在嚴重衝突。

  (4)列印零件尺寸限制。目前的3D印表機並不能實現大尺寸零件的製造。

  (5)產業環境方面。3D列印技術的普及將使產品更容易被覆制和擴散,製造業面對的盜版風險大增,現有知識產權保護機制難以適應產業未來發展的需求。

3D列印技術的發展[1]

  3D列印技術最早可追溯至1984年,世界上第一臺3D印表機誕生於1986年,引起關註和商業化應用開發則是近幾年的事。美國政府已將人工智慧、3D列印、機器人作為重振美國製造業的三大支柱,其中3D列印是第一個得到政府扶持的產業。我國工信部也正在組織研究制定3D列印技術路線圖、中長期發展戰略、3D列印技術規範和標準,以及3D列印產業發展的專項財稅政策。目前,華中科技大學史玉升科研團隊經過十多年的努力,已研發出全球最大的“3D印表機”,這一“3D印表機”可加工零件長寬最大尺寸均達到1.2米。與此同時,民用3D印表機市場也在快速崛起,3D印表機製造廠商也在不斷增多。

  目前,3D列印技術主要應用於工業企業新產品設計、試製及快速列印成形;個性化產品設計及快速列印製造;模型製造;醫療行業;建築業;汽車製造業;航空航天;食品產業;教育科研;軍事等行業中。從長遠看,這項技術應用範圍之廣將超乎想象,最終將給人們的生產和生活方式帶來顛覆式的改變。但由於受制於材料、成本、列印速度、製造精度等多方面因素,這項技術並不能完全取代傳統的減材製造法並實現大規模工業化生產,未來相當長的一段時間內兩種生產方式將並存、互補。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 牛一帆.3D列印技術探究(J).印刷質量與標準化.2014,2
  2. 2.0 2.1 吳平.3D列印技術及其未來發展趨勢(J).印刷質量與標準化.2014,1
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