3D打印技術進展

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1、3D打 印 技 術 目錄1.概述2.典型技術分析3.打印材料的制備4.總結 1.概述 3D打 印 技 術 的 核 心 思 想 最 早 起 源 于 19世 紀 末 的 美 國 ， 當 時 進 行的 是 照 相 雕 塑 和 地 貌 成 型 技 術 研 究 。 到 20世 紀 80年 代 中 期 已 有雛 形 ， 1986年 美 國 人 Charles Hull發(fā) 明 了 第 一 臺 3D 打 印 機 。3D打 印 這 個 名 詞 也 是 由 麻 省 理 工 學 院 在 1995年 創(chuàng) 造 的 。 我 國 從 1991年 開 始 研 究 3D打 印 技 術 。 90年 代 末 期 ， 大 家 開 始

2、 研究 金 屬 材 料 快 速 成 形 技 術 ， 但 難 度 很 大 。 2000年 前 后 ， 這 些 工藝 從 實 驗 室 研 究 逐 步 向 工 程 化 、 產(chǎn) 品 化 轉 化 。 當 時 叫 快 速 原 型 技 術 （ RP） ， 即 開 發(fā) 樣 品 之 前 的 實 物 模 型 。 現(xiàn)在 也 有 叫 快 速 成 型 技 術 ， 增 材 制 造 。 但 為 便 于 公 眾 接 受 ， 把 這種 新 技 術 統(tǒng) 稱 為 3D 打 印 。 2012年 4月 ， 英 國 經(jīng) 濟 學 人 刊 文 認 為 ， 3D打 印 技 術 將 與 其 他數(shù) 字 化 生 產(chǎn) 模 式 一 起 ， 推 動 第

3、三 次 工 業(yè) 革 命 的 實 現(xiàn) 。背景 1.1 涵義及原理 3D打 印 技 術 是 指 由 數(shù) 字 模 型 （ CAD） 直 接 驅 動 的 ， 運 用 金 屬 、 塑料 、 陶 瓷 、 樹 脂 、 蠟 、 紙 、 砂 等 可 粘 合 材 料 ， 在 快 速 成 形 設 備里 通 過 逐 層 疊 加 的 方 式 來 構 造 物 理 實 體 的 技 術 。什 么 是 3D打 印 技 術 ？ 3D打印技術機械工程控制工程光學 熱學軟件材料科學涉 及 領 域 不 同 種 類 的 快 速 成 型 系 統(tǒng) 因 所 用 成 形 材 料 不 同 ， 成 形 原 理 和 系統(tǒng) 特 點 也 各 有 不 同

4、。 但 都 是 基 于 離 散 堆 積 原 理 分 層 制 造 ，逐 層 疊 加 ?；?本 原 理基 本 流 程設 計 三 維模 型 把 三 維 數(shù)字 模 型 離散 為 面 、線 和 點 再 通 過 3D 打 印 設 備分 層 堆 積 三 維的 實物 1.2 組成主要指3D打印機3D打印設備輔助設計人員制作產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，并根據(jù)模型自動分析出打印的程序， 自動控制打印機和材料的操作。設計與控制軟件 原材料必須能夠液化、粉末化、絲化，在打印完成后又能重新結合起來， 并具有合格的物理、 化學性能。打印材料 3D打 印 機 是 3D打 印 的 核 心 裝 備 。 它 是 一 種 利 用 光 固

5、化 和 紙 層 疊等 技 術 的 快 速 成 型 裝 置 。 它 與 普 通 打 印 機 工 作 原 理 基 本 相 同 ，打 印 機 內 裝 有 液 體 或 粉 末 等 “ 打 印 材 料 ” ， 與 電 腦 連 接 后 ， 通過 電 腦 控 制 把 “ 打 印 材 料 ” 一 層 層 疊 加 起 來 ， 最 終 把 計 算 機 上的 藍 圖 變 成 實 物 。3D打 印 機 3D打印機噴射系統(tǒng)成型環(huán)境子系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)高精度機械系統(tǒng) 3D打 印 材 料 基 本 上 可 以 分 為 高 分 子 材 料 和 金 屬 材 料 兩 大 類 。 高分 子 材 料 如 光 敏 樹 脂 、 ABS、 PC、

6、 尼 龍 粉 、 石 膏 粉 、 蠟 等 是 打印 主 力 材 料 ； 金 屬 材 料 受 工 藝 及 自 身 特 性 局 限 ， 應 用 并 不 廣 泛 。打 印 材 料 1.3 類型 3D打 印 有 很 多 種 工 藝 ， 如 直 接 金 屬 激 光 燒 結 （ DMLS） 、 數(shù) 字光 處 理 （ DLP） 、 熔 絲 制 造 (FFF） 、 融 化 壓 膜 （ MEM） 、 分 層實 體 制 造 （ LOM） 、 電 子 束 熔 化 成 型 （ EBM） 、 選 擇 性 熱 燒 結（ SHS） 、 粉 末 層 3D打 印 （ PP） 等 等 。3D打 印工 藝 分 層 實 體 制 造

7、LOM立 體 光 固 造 型 SLA選 擇 性 激 光 燃 結SLS 熔 融 沉 積 成 型 FDM 打印紫外光照射固化的液體，精度可以達到每層厚度 (0.050.15) mm。在高強度激光照射下將粉末材料燒結在一起形成物體截面。將高溫熔化成液態(tài)的材料通過噴嘴擠壓出一個個很小的球狀顆粒， 這些顆粒噴出后立刻固化并逐層形成物體。用激光切割一個薄層，然后一層層疊加。 1.4 特點及適用場合 3D打 印 技 術 處 理 的 是 計 算 機 模 型 ， 人 們 能 設 計 出 全 新 的 形 狀 而 不用 考 慮 制 造 上 可 能 存 在 的 局 限 性 ； 它 無 需 機 械 加 工 或 制 造

8、出 任 何 磨 具 ， 就 能 直 接 從 計 算 機 圖 形 數(shù) 據(jù)中 生 成 零 件 ； 可 縮 短 產(chǎn) 品 研 制 周 期 與 加 工 流 程 ， 提 高 生 產(chǎn) 率 ； 可 提 高 材 料 利 用 率 ， 降 低 成 本 ； 還 可 以 通 過 不 同 的 定 制 ， 滿 足 人 們 個 性 化 需 求 。3D打 印 是 以 數(shù) 字 化 、 網(wǎng) 絡 化 為 基 礎 ， 以 個 性 化 、 短 流 程 為 特 征 ， 實現(xiàn) 直 接 制 造 、 桌 邊 制 造 和 批 量 定 制 。優(yōu)點適用場合3D打印技術特別適用于單件小批量生產(chǎn)，形狀復雜，多層嵌套和具有空腔結構的零件或物體的制造。 1.

9、5 應用領域 近 年 來 ， 3D打 印 技 術 發(fā) 展 迅 速 ， 在 各 領 域 都 取 得 了 長 足 發(fā) 展 ， 已成 為 現(xiàn) 代 模 型 模 具 和 零 部 件 制 造 的 有 效 手 段 。 目 前 主 要 應 用 于 汽車 、 航 天 軍 工 、 家 電 、 船 舶 、 醫(yī) 療 、 影 視 、 食 品 、 創(chuàng) 意 等 領 域 。2 0 .3 0 % 1 0 .8 0 %1 2 .1 0 %1 9 .5 0 %5 .3 0 %3 .0 0 %6 .0 0 %8 .0 0 % 1 5 .1 0 % 消 費 電 子 產(chǎn) 品 工 業(yè) /商 業(yè) 機 器 飛 行 器機 動 車 其 他 建 筑

10、政 府 /軍 事 學 術 研 究 醫(yī) 療 /口 腔 醫(yī) 學 2011年 ， 英 國 科 學 家 利 用 3D打 印 技 術 打 印 了 一 輛 可 以 騎 行 的 自行 車 ， 這 輛 尼 龍 自 行 車 重 量 只 有 普 通 鋼 鋁 自 行 車 的 1/3， 但 堅 固度 毫 不 遜 色 。 2011年 底 ， 英 國 南 安 普 頓 大 學 打 印 了 一 架 翼 展 2米 、 最 高 時 速 可達 160公 里 的 無 人 駕 駛 小 飛 機 。 蘇 格 蘭 科 學 家 使 用 人 類 細 胞 打 印 出 了 世 界 上 第 一 個 人 造 肝 臟 組織 。 西 北 工 業(yè) 大 學 凝

11、 固 技 術 國 家 重 點 試 驗 室 可 一 次 打 印 超 過 5m的 鈦合 金 飛 機 部 件 ,2014年 投 產(chǎn) 的 國 產(chǎn) 客 機 C919制 造 翼 梁 。 殲 -15主 承 力 整 體 框 等 很 多 部 件 就 是 鈦 合 金 和 M100鋼 3D打 印 的 ，目 前 中 國 先 進 戰(zhàn) 斗 機 上 3D打 印 部 件 所 占 比 例 已 超 20%。 國產(chǎn)客機C919制造翼梁殲15戰(zhàn)斗機 巧克力茶杯 2.典型技術分析 把 材 料 用 高 溫 熔 化 成 熔 融 狀 態(tài) ， 然 后 通 過 細 小 的 噴 嘴 擠 壓 并 排列 填 充 出 一 個 截 面 ， 一 層 一 層

12、 截 面 在 堆 疊 起 來 形 成 三 維 實 物 。2.1 熔 融 沉 積 成 型 FDM基 本 原 理特 點 優(yōu) 點 ： 成 型 機 結 構 簡 單 ， 成 本 低 ， 材 料 廣 泛 ， 強 度 較 高 ， 可 以彩 色 成 型 ， 無 環(huán) 境 污 染 ； 缺 點 ： 成 型 的 精 度 稍 差 ， 成 型 表 面 較 粗 糙 ， 操 作 溫 度 較 高 。打 印 材 料 通 常 為 熱 縮 性 高 分 子 ， 如 ABS、 聚 酰 胺 、 聚 酯 、 聚 碳 酸 酯 、 聚乙 烯 等 。 FDM工 藝 的 主 要 技 術 指 標 是 原 型 精 度 和 成 型 時 間 。 影 響 精

13、 度 誤 差的 原 因 主 要 有 以 下 幾 方 面 ：技 術 指 標精度誤差CAD模型前處理噴頭導致的誤差材料收縮成形過程中的層差FDM工藝參數(shù)設置 為 了 獲 得 高 精 度 的 FDM原 型 , 一 方 面 要 通 過 試 驗 研 究 FDM工 藝 的 參 數(shù) 優(yōu)化 ； 另 一 方 面 就 是 在 加 工 前 數(shù) 據(jù) 處 理 時 要 給 予 精 確 的 補 償 。通過大量研究及實驗驗證，可知影響原型精度和成型時間的最主要的因素有以下幾種： 原 材 料 的 變 化噴 頭 結 構成 形 過 程 中 的 層 差材料相變時的收縮應力應變影響精度為提高精度，應減小材料的收縮率，最基本的方法是設計

14、時考慮收縮量進行尺寸補償。傳統(tǒng)開關轉閥響應速度慢慣性的作用使多余的殘料繼續(xù)擠出可改為螺桿結構，或電磁閥式結構。相鄰兩層輪廓不同時成形軌跡不同上下層之間約束不一致復雜的應力和應變試驗表明，基于分形掃描的路徑可以減少層層之間應力，從而減少層差。擠 出 速 度 填 充 速 度 擠出速度和填充速度越快，成型時間越短。為了保證連續(xù)平穩(wěn)地出絲，需要將擠出速度和填充速度進行合理匹配。 影響因素影響說明分層厚度噴嘴直徑分層厚度較小、噴絲較細時，原型精會較高，但成型時間較長。為保證上下層牢固粘結，分層厚度需小于噴嘴直徑。噴頭溫度環(huán)境溫度影響成形件的熱應力大小。如噴頭溫度太低 , 則材料粘度加大，造成噴嘴堵塞，材

15、料層間粘結強度降低。為了順利成形，應該把成形室的溫度設定為比擠出絲的熔點溫度低 12。理想輪廓 線的補償量理想輪廓補償量設置不合理直接影響成形件的尺寸和幾何精度。應依據(jù)擠出絲截面的寬度來進行補償。 2.2 選擇性激光燒結SLS 工 藝 參 數(shù) 與 成 形 質 量 之 間 的 關 系 是 SLS技 術 的 研 究 熱 點 ， 國 內對 此 進 行 了 大 量 的 研 究 。 而 由 于 燒 結 過 程 的 復 雜 性 ， 進 行 實 時觀 察 比 較 困 難 ， 因 此 ， 人 們 為 了 更 好 的 理 解 燒 結 過 程 ， 對 燒 結過 程 也 進 行 了 一 定 量 的 研 究 ?；?本

16、 原 理先把粉末材料鋪好，再用高強度的紅外激光掃描，將零件截面內的粉末燒結在一起，通過一層一層燒結，最終成型。特 點優(yōu)點：成型材料十分廣泛，加工速度快，且無需使用支撐材料，打印物體結實；缺點：成型產(chǎn)品表面較粗糙，需后處理。 主要是金屬粉末、陶瓷、石蠟、塑料以及它們的復合粉末等打 印 材 料 由鋪粉輥將粉末均勻鋪在成型缸活塞上計算機根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層面粉末完成一層后，工作活塞下降一個層厚，鋪粉系統(tǒng)鋪上新粉控制激光束再掃描燒結新層如此循環(huán)往復，層層疊加，直到三維零件成型基 本 流 程 3.打印材料的制備 目 前 3D打 印 材 料

17、主 要 類 型 是 塑 料 ， 液 態(tài) 樹 脂 和 金 屬 粉 末 。 在 家 用 領 域 ， 有 石 膏 、 光 敏 樹 脂 、 塑 料 等 ； 在 工 業(yè) 應 用 中 ， 適 用 的 金 屬 材 料 只 有 10余 種 。 在 航 空 航 天 等 隱 性 材 料 上 ， 打 印 材 料 逐 漸 向 碳 化 硅 復 合 材 料 、高 介 電 陶 瓷 等 超 穎 材 料 發(fā) 展 。 此 外 納 米 材 料 在 3D打 印 技 術 中 也有 很 大 的 優(yōu) 勢 。 3D打 印 金 屬 材 料 主 要 用 的 韌 性 好 的 不 銹 鋼 和 鈦 合 金 。 3.1 高分子粉末材料的制備 高 分 子

18、 材 料 具 有 粘 彈 性 ， 在 常 溫 下 粉 碎 時 ， 產(chǎn) 生 的 粉 碎 熱 會 增 加 其 粘 彈性 ， 使 粉 碎 困 難 ， 同 時 被 粉 碎 的 粒 子 還 會 重 新 粘 合 而 使 粉 碎 效 率 降 低 ，甚 至 會 出 現(xiàn) 熔 融 拉 絲 現(xiàn) 象 ， 因 此 不 能 用 常 規(guī) 粉 碎 法 。低 溫 粉 碎 法基本原理：在低溫下高分子材料有一脆化溫度Tb，當溫度低于Tb時，物料變脆，有利于采用沖擊式粉碎方式進行粉碎。低溫粉碎法正是利用高分子材料的這種低溫脆性來制備粉末材料的。 適用材料：常見的高分子材料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚酯等都可采用低

19、溫粉碎法制備粉末材料。制 備 微 米 級 高分 子 粉 末 方 法溶劑沉淀法低溫粉碎法 制 備 高 分 子 粉 末 材 料 時 ， 首 先 將 原 料 冷 凍 至 液 氮 溫 度 （ -196 ） ，將 粉 碎 機 內 部 溫 度 保 持 在 合 適 的 低 溫 狀 態(tài) ， 加 入 冷 凍 好 的 原 料 進行 粉 碎 。 粉 碎 溫 度 越 低 ， 粉 碎 效 率 越 高 ， 制 得 的 粉 末 粒 徑 越 小 ，但 制 冷 劑 消 耗 量 大 。可根據(jù)原料性質而定，對于脆性較大的原料如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯類，粉碎溫度可以高一些，而對韌性較好的原料如聚碳酸酯、尼龍、ABS 等則應保持較低

20、的溫度。粉碎溫度的確定低溫粉碎法工藝較簡單，能連續(xù)化生產(chǎn)；但需專用深冷設備，投資大，能量消耗大。而且制備的粉末顆粒形狀不規(guī)則，粒度分布 較寬。特點 基 本 原 理 ： 溶 劑 沉 淀 法 是 將 聚 合 物 溶 解 在 適 當 的 溶 劑 中 ， 然 后采 用 改 變 溫 度 或 加 入 第 二 種 非 溶 劑 等 方 法 使 聚 合 物 以 粉 末 狀 沉淀 出 來 。 適 用 材 料 ： 特 別 適 合 于 具 有 低 溫 柔 韌 性 的 高 分 子 材 料 ， 這 類 材料 較 難 低 溫 粉 碎 ， 細 粉 收 率 很 低 ， 如 尼 龍 。溶 劑 沉 淀 法尼龍 12 粉末制備工藝

21、制 備 的 粉 末 微 粒 形 狀 接 近 于 球 形 ， 可 以 通 過 控 制 工 藝 條 件 生 產(chǎn)出 所 需 細 度 的 粉 末 。 一 般 來 說 ， 溶 劑 的 用 量 越 大 ， 粉 末 粒 徑 越小 。 3.2 金屬粉末的制備機械研磨法利用金屬顆粒在不同應變速率下因產(chǎn)生變形而破碎細化的機理。 其優(yōu)點是對物料的選擇性不強可以進行多種金屬及合金的粉末制備。氣流粉碎是利用氣流的能量使物料顆粒發(fā)生相互碰撞或與固定板碰撞而粉碎。適用于脆性金屬及其氧化物粉末的制備，工藝成熟，但在金屬粉末的生產(chǎn)過程中 消耗大量的惰性氣體或氮氣 。金屬粉末制備方法物理法溶膠凝法機械合金化法霧化法機械法機械研磨

22、法冷氣流粉碎法化學法電解法氣相沉積法氧化還原法 霧 化 法 將 作 為 芯 核 顆 粒 的 金 屬 (或 合 金 ) 非 金 屬 、 陶 瓷 粉 末 與 另 一 種 熔融 的 金 屬 或 合 金 熔 體 混 合 熔 體 用 高 速 流 體 (通 常 用 水 空 氣 氬 氣 等 )對 其 進 行 霧 化 制 得 金 屬 粉 末 和 復 合 粉 末 。 機 械 合 金 化 是 通 過 兩 種 或 兩 種 以 上 的 金 屬 或 非 金 屬 粉 體 的 球 磨 在 固 態(tài) 下 完成 固 相 反 應 和 相 變 獲 得 細 晶 合 金 粉 體 目 前 機 械 合 金 化 廣 泛 用 于制 備 納 米

23、晶 準 晶 金 屬 間 化 合 物 和 非 晶 合 金 等 亞 穩(wěn) 材 料 。 化 學 氣 相 沉 積 是 在 熱 、 光 和 等 離 子 體 等 的 激 活 和 驅 動 下 使 氣 態(tài) 物 質 在 氣 相 或氣 固 界 面 上 發(fā) 生 化 學 反 應 從 而 制 得 穩(wěn) 定 固 態(tài) 沉 積 物 。 溶 膠 凝 膠 法 用 于 超 細 粉 體 表 面 包 覆 粒 子 的 制 備 ， 包 覆 用 溶 膠 的 制 備 和 包 覆層 的 制 備 。 將 所 需 包 覆 的 顆 粒 分 散 于 所 制 備 的 溶 膠 中 ， 再 在 一定 的 反 應 條 件 下 完 成 凝 膠 化 即 可 在 顆 粒

24、 表 面 形 成 所 需 的 包 覆 層 。 4.總結 3D打 印 技 術 雖 然 在 近 20年 發(fā) 展 非 常 迅 速 ， 但 是 目 前 還 有 許 多 困難 。成本偏高打印零件的尺寸有局限可打印材料種類偏少，某些特殊材料較難打??；精度和速度的限制，比如照相機鏡頭等需要超高精度的 零件無法加工缺乏行業(yè)與技術標準和知識產(chǎn)權保護機制發(fā) 展 瓶 頸 3D打 印 設 備 將 會 朝 著 智 能 化 、 快 速 化 、 精 密 化 、 通 用 化 方 向 發(fā)展 ， 這 將 對 打 印 速 度 與 精 度 提 出 更 高 的 要 求 ， 同 時 對 于 多 學 科 、多 機 構 的 協(xié) 調 與 創(chuàng)

25、新 提 出 一 定 的 要 求 。 打 印 材 料 將 會 從 樹 脂 到 金 屬 材 料 ， 再 到 陶 瓷 材 料 ， 直 到 生 物 活性 材 料 發(fā) 展 。 技 術 應 用 將 從 快 速 原 型 ， 過 渡 到 產(chǎn) 品 開 發(fā) ， 再 到 形 狀 復 雜 ， 小批 量 制 造 階 段 發(fā) 展 。 制 造 對 象 也 將 向 日 常 消 費 品 制 造 ， 生 物 制 造 ， 功 能 件 制 造 如 飛機 的 起 落 架 等 復 雜 零 件 ， 個 性 化 制 造 方 向 發(fā) 展 。 即 3D打 印 技 術 將 朝 著 成 本 低 廉 ， 零 件 適 應 性 廣 ， 材 料 適 應 性

26、 廣的 方 向 發(fā) 展 ， 并 且 在 打 印 速 度 和 打 印 質 量 方 面 有 很 大 的 提 高 。發(fā) 展 方 向 參考文獻1 Jack G. Zhou, Daniel, Calvin C. Chen. Parametric Process Optimization to Improve the Accuracy of Rapid Prototyped Stereolithography Parts. International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2000, 40.2 Sood AK, Ohdar RK, Mahapalr

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