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aau资讯--百科知识--什么是3D打印技术?
什么是3D打印技术?

来源:原创

发布时间:2020-07-22 17:30:20

点击量:448

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如今,3D打印技术逐渐步入大众的视野。你是否有看到过用“画笔”勾勒出立体形状的小视频?有没有在新闻上听到类似“3D打印人体器官”的字眼?又或者读到过关于3D打印建筑物、3D打印肉制品、3D打印器械部件等等的各类报道?


那么问题来了,什么是3D打印技术呢?





3D打印技术 3D printing(3DP)起源可追述至19世纪末的美国,学名“快速成型技术” RAPID PROTOTYPING,到20世纪80年代才出现成熟的技术方案,如今随着各类开源项目的出现、技术更是逐渐走向成熟,迎来了3D打印的爆发增长期。


3D打印机主要根据计算机传递的操作指令,通过层层堆积原材料制造产品,区别于传统通过切割原料或通过模具成型来制造新的实体物品,所以也叫做“增材制造”。


基本原理都是叠层制造,通过计算机将3D模型分解成一定精度的层,由快速原型机在X/Y轴坐标方向生成目标物体的截面形状,然后在Z轴坐标间断地作层面厚度的位移,最终形成三维制件。





3D打印技术优劣势


优势:


1、高复杂度、多样化物品的生产将不会增加成本。

2、工艺成本降低,制作技能门槛降低、设计空间无限。

3、减少组装流程、缩短交付时间。

4、不占空间、便携制造。

5、节约原材料,并可以多种材料无限组合。

6、配合3D扫描技术,实现精确的实体复制。


劣势:


1、材料性能差,受力强度低。

2、可供打印的材料有限,且成本高昂。

3、精度问题。





3D打印应用前景


3D打印技术在航空航天业、汽车工业、现代制造业、医学和生物工业技术等高精尖领域,已经展现出广阔的市场消费前景。在消费品市场,电子照明、影像设计、家具家居、家用饰品、珠宝首饰、建筑模型、教育市场、玩具市场等领域的终端产品市场正迎来爆发增长。


对比全球及中国市场应用,在独立制造领域潜力巨大。





3D打印分类及原理


3D打印方式


•3D打印机通过挤压打印喷头半液体材料来形成铸件

•3D打印机通过使 “感光性树脂” 液体变成固体形成物体层

•3D打印机通过逐层黏合精细粉末来制作模型

•基于层叠制造的3D打印机,先使用刀片或激光层叠切割纸张、金属或塑料,再黏合成形


1、熔融挤压式FDM


熔融沉积(Fused Deposition Modeling, FDM)又叫熔丝沉积,主要采用丝状热熔性材料作为原材料,通过加热融化,将液化后的原材料通过一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。原材料被喷出后沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上,温度低于熔点后开始固化,通过材料逐层堆积形成最终的成品。






2、喷墨粘粉式3DP


喷墨粘粉式3D打印技术(3DP),由美国麻省理工大学的Emanuel M、 Sachs和John S、Haggerty所开发,逐步完善,形成了今天的三维印刷快速成型工艺。


喷墨粘粉式打印技术使用的原材料主要是粉末材料,如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等。


工作原理是,先铺一层粉末,然后使用喷嘴将黏合剂喷在需要成型的区域,让材料粉末黏结形成部件截面。接着通过不断重复铺粉、喷涂、黏结的过程,层层叠加,以获得最终需要的三维模型。





3、激光烧结式SLS


激光烧结(Selective LaserSintering, SLS),又称为选区激光烧结或选择性激光烧结技术,最早由美国德克萨斯大学的C、Deckard提出,并于1992年完成商业原型设备正式推向市场。激光烧结式3D打印技术主要是利用粉末材料在激光照射下高温烧结的基本原理,通过计算机控制光源定位装置实现精确定位,然后逐层烧结堆积成型。所以,SLS技术同样是使用层叠堆积成型的方式,不同之处主要在于,在照射之前需要先铺一层粉末材料,然后将材料预热到略低于熔点温度,之后再使用激光照射装置在该层截面上进行扫描,使被照射的部分粉末温度升至熔化点,从而被烧结形成黏接。接着不断重复进行铺粉、烧结的过程,直至整个模型被打印成型。





4、直接金属打印技术DMLS、SLM、DMP


原理类似于SLS,专门针对于金属的3D打印技术,逐层铺粉,通过高能激光融化金属粉末,凝结成型,需要更高的激光能量、更苛刻的打印环境(真空、温度等)及对材料的要求。


与SLS区别:SLS是选择性激光烧结,所用的金属材料是经过处理的与低熔点金属或者高分子材料的混合粉末,在加工的过程中低熔点的材料熔化但高熔点的金属粉末是不熔化的。





5、光固化成型SLA


光固化成型(StereoLithography Appearance, SLA)也被称为立体光刻成型,属于快速成型技术中的一种,简称为SLA,有时也称为SL。该技术是最早发展起来的快速成型技术,也是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。

光固化成型技术主要是使用光敏树脂作为原材料,通过特定波长与强度的激光(紫外光)聚焦到光固化材料表面,使之由点到线、由线到面的顺序凝固,从而完成一个层截面的绘制工作。





6、数字光处理(DLP)


DLP是“Digital Light Procession”的缩写,即数字光处理。也就是把影像信号经过数字处理后光投影出来,是基于美国德州仪器公司开发的数字微镜元件——DMD来完成可视数字信息显示的技术。DLP3D打印技术的基本原理是数字光源以面光的形式在液态光敏树脂表面进行层层投影,层层固化成型。





7、层叠法成型LOM


层叠法成型技术又叫分层实体制造法(LaminatedObject Manufacturing, LOM),最初由美国Helisys公司的工程师Michael Feygin于1986年研制成功。后来由于技术合作被引进中国,目前,南京紫金立德电子有限公司成为全球唯一拥有该技术核心专利的公司。


其成型原理是采用激光器按照CAD分层模型所获得的数据,用激光束将单面涂有热熔胶的薄膜材料的箔带切割成原型件某一层的内外轮廓,再通过加热辊加热,使刚切好的一层与下面切好的层面粘接在一起,通过逐层切割、粘合,最后将不需要的材料剥离,得到欲求原型,主要材料为纸材。





3D打印流程


1、模型准备 STL格式


3D打印模型要求:


(1)物体模型必须为封闭的;

(2)物体模型必须为流形;

(3)正确的法线方向;

(4)物体模型的最小精度、最小间隙;

(5)多余的几何形状需要删掉;

(6)删掉重复的面片;

(7)尺寸,小于打印机可以打印的。





2、设置基本参数


层厚:影响表面质量、加工精度,影响打印时间,通常越厚越快。通常会设定在0、1mm。

壁厚:水平方向边缘厚度,即模型外壳厚度,影像边缘走线次数、空心模型整体强度。

支撑:悬空的结构可能无法顺利打印,所以需要添加支撑,一般软件在生成切片时会自动生成。

填充率、填充结构:影响材料使用量、结构强度。

FDM:挤出速度、回抽量、风扇速度、喷头温度等。

SLA:紫外光强度、扫描速度、曝光时间、扫描策略等。

SLS:激光强度、预热温度、扫描速度,光斑直径,避免热应力的优化扫描策略、铺粉速度等。






3、后续处理


去除支撑结构——为了打印可行,过程中往往需要增加支撑结构,打印完成后需要去除这些多余部分。

打磨——由于3D打印逐层成型的基本原理,很多打印形式会出现“阶梯纹”;打印精度较低或者去除支撑结构时也可能造成成件表面不平整;金属件打印表面会有颗粒感。这些都需要后期打磨处理。

去除多余打印材料——如液体材料打印需要清除残留液体,粉末材料需要除粉等。

冷却、加固成型——大多数3D打印过程,材料都被加热到一定温度,打印完成后需要降温使其结构稳定,部分材料如陶瓷粉末,在打印完成后需要进一步烧制成型。

其它——喷漆上色、丝印、水贴、表面氧化、组装等。







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