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时间:2019-01-12
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1、3D打印技术概述 摘要:3D打印技术是一种利用三维数字模型逐层叠加成型的增材制造技术,其以颠覆性的制造原理被广泛运用于各行业与领域。文章对3D打印的定义、3D打印常见成型工艺及 一、3D打印的简介 (一)3D打印的定义 3D打印技术,学术上又称“添加制造”(additvemanufacturing)技术,也称为增材制造或增量制造。3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将塑料、金属粉末、陶瓷粉末、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制
2、造出实体产品的制造方法[1]。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺,不需要庞大的机床,也不需要众多的人力,直接由数字化文件生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。 (二)3D打印的过程 对于大多数人来说,提到“打印”,首先想到的是能打印文稿或照片等平面内容的普通打印机,事实上传统的喷墨打印机和某些工艺类型的3D打印在技术上确实比较接近。3D打印使用特制的设备将材料一层层地喷涂或熔结到三维空间中,最后形成所需的实体,所用设备即3D打印机。一般来说,通过3D打印获得实体需要经历建模、分层、打印和后
3、期处理四个主要阶段。5 1.三维建模 三维模型通常有两种途径获取,一是通过3D扫描仪获取对象的三维数据,并且以数字化方式生成三维模型;二是使用三维建模软件从零开始建立三维数字化模型。 2.分层切割 由于描述方式的差异,3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入电脑中后,需要通过打印机配备的专业软件进一步处理,即将模型切分为一层层薄片,每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的精度决定。 3.打印喷涂 由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到三维空间中,根据工作原理的不同,有多种实现方法。常见的有光固化方法
4、(SLA)、熔融沉积制造(FDM)、选择性激光烧结法(SLS)等。 4.后期处理 模型打印完成后一般都会有毛刺或粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工,如固化处理、剥离、修整、上色等,才能最终完成所需要的模型的制造。 (三)3D打印的特点 数字制造:借助CAD等软件将产品结构数字化,驱动机器设备加工制造成器件;数字化文件还可借助网络进行传递,实现异地分散化制造的生产模式。5 降维制造:把三维结构的物体先分解成二维层状结构,逐层累加形成三维物品。因此,原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构,而且制造过程
5、更柔性化。 堆积制造:采用分层制造的堆积方式对实现非匀致材料、功能梯度的器件更具优势。 直接制造:任何高性能难成型的部件均可通过打印方式一次性直接制造出来,不需要通过组装拼接等过程实现。 快速制造:3D打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造,因此,制造更快速、更高效。 绿色制造:3D打印技术是增材制造技术,与传统减材制造相比具有较高的材料利用率,同时可以采用复杂的结构减少材料使用量,降低能源消耗,从而实现制造的绿色可持续发展。 二、3D打印常见成型工艺 现在常见的3D打印工艺有SLS、SLA、FDM
6、。 (一)SLS(SelectiveLaserSintering,选择性激光烧结) 选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成型的固化层一层层叠加生成所需形状的零件。工艺原理(见图1)。该工艺通常采用金属、石蜡、陶瓷粉末等作为成型材料。成型件强度高、无须设计支撑结构,但是成型后的工件表面比较粗糙,后期处理工艺比较复杂。 (二)SLA(StereolithographyAppearance立体光固化成型法)5 立体光固化成型法是最早商用的3D打印技术,它采用的成型材料是液态光敏树脂,当特定波
7、长与强度的激光照射到液态材料表面时,光敏树脂则会凝固为固体。激光由点到线再由线到面的依次扫描就形成一层面的成型作业,然后工作台升降一个层片的高度,在成型下一个层面,通过这种方式制造三维实体(见图2) 光固化成型法技术成熟度高、成型速度较快、表面精度较高,但是系统造价昂贵,成型件强度较低,所以还无法大范围使用。 (三)FDM(FusedDepositionModeling,熔融沉积制造) 熔融沉积制造是采用低熔点的丝状材料作为成型材料,通过热喷嘴把熔融的材料涂覆在工作台上,喷头作X-Y平面运动,工作台做Z向运动
8、,然后逐层叠加成型(见图3)。这种成型工艺虽然需要设计辅助支撑结构,但是因为不需要复杂的能量束,使用维护简单,成本低,同时耗材种类相对丰富,所以该工艺使用较广泛,目前FDM系统在全球已安装快速成型系统中的份额大约为30%。 当然还有其他3D打印成型工艺,例如,分层实体制造(LaminatedObjectManufactuing,LOM)、电子束选区熔化(E
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