3D打印技术PDF.pdf

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1、书 山 有 路 1 3D3D 打印技术主要有哪些打印技术主要有哪些 其实并不神秘 也不是一项崭新的技术 其实 3D 打印早已在工业应用的领域默默奉献了近三十 年 总的来说 物体成型的方式主要有以下四类 减材成型 受压成型 增材成型 生长成型 减材成型 减材成型 主要是运用分离技术把多余部分的材料有序地从基体上剔除出去 如传统的车 铣 磨 钻 刨 电火花和激光切割都属于减材成型 受压成型 受压成型 主要利用材料的可塑性在特定的外力下成型 传统的锻压 铸造 粉末冶金等技术都 属于受压成型 受压成型多用于毛坯阶段的模型制作 但也有直接用于工件成型的例子 如精密 铸造 精密锻造等净成型均属于受压成型

2、增材成型 增材成型 又称堆积成型 主要利用机械 物理 化学等方法通过有序地添加材料而堆积成型的 方法 生长成型 生长成型 指利用材料的活性进行成型的方法 自然界中的生物个体发育属于生长成型 随着活 性材料 仿生学 生物化学和生命科学的发展 生长成型技术将得到长足的发展 从狭义上来说主要是指增材成型技术 从成型工艺上看 3D 打印技术突破了传统成型方法通过快 速自动成型系统与计算机数据模型结合 无需任何附加的传统模具制造和机械加工就能够制造出 各种形状复杂的原型 这使得产品的设计生产周几大大缩短 生产成本大幅下降 为了能让大家对 3D 打印技术有一个更加深刻的理解 下面小编将会为大家介绍几项主流

3、的 3D 打印技术原理 LOMLOM 分层实体成型工艺 分层实体成型工艺 分层实体成型工艺 Laminated Object Manufacturing LOM 这是历史最为悠久的 3D 打印成 型技术 也是最为成熟的 3D 打印技术之一 LOM 技术自 1991 年问世以来得到迅速的发展 由于 分层实体成型多使用纸材 PVC 薄膜等材料 价格低廉且成型精度高 因此受到了较为广泛的关 注 在产品概念设计可视化 造型设计评估 装配检验 熔模铸造等方面应用广泛 下面我们一 起了解一下 LOM 技术的原理 如图所示为 LOM 技术的基本原理 书 山 有 路 2 LOM 分层实体成型工艺 插图由筑梦创

4、造绘制 分层实体成型系统主要包括计算机 数控系统 原材料存储与运送部件 热粘压部件 激光切系 统 可升降工作台等部分组成 其中计算机负责接收和存储成型工件的三维模型数据 这些数据主要是沿模型高度方向提取的一 系列截面轮廓 原材料存储与运送部件将把存储在其中的原材料 底面涂有粘合剂的薄膜材料 逐步送至工作台上方 激光切割器将沿着工件截面轮廓线对薄膜进行切割 可升降的工作台能支撑成型的工件 并在每 层成型之后降低一个材料厚度以便送进将要进行粘合和切割的新一层材料 最后热粘压部件将会 一层一层地把成型区域的薄膜粘合在一起 就这样重复上述的步骤直到工件完全成型 LOM 工艺采用的原料价格便宜 因此制作

5、成本极为低廉 其适用于大尺寸工件的成型 成型过程 无需设置支撑结构 多余的材料也容易剔除 精度也比较理想 尽管如此 由于 LOM 技术成型材 料的利用率不高 材料浪费严重颇被诟病 又随着新技术的发展 LOM 工艺将有可能被逐步淘汰 SD300 桌面 3D 打印机揭秘 LOM 减材制造 也有春天 SLASLA 立体光固化成型工艺 立体光固化成型工艺 立体光固化成型工艺 Stereolithography Apparatus SLA 又称立体光刻成型 该工艺最早 由 Charles W Hull 于 1984 年提出并获得美国国家专利 是最早发展起来的 3D 打印技术之一 Charles W Hu

6、ll 在获得该专利后两年便成立了 3D Systems 公司并于 1988 年发布了世界上第一 台商用 3D 打印机 SLA 250 SLA 工艺也成为了目前世界上研究最为深入 技术最为成熟 应用最 为广泛的一种 3D 打印技术 SLA 工艺以光敏树脂作为材料 在计算机的控制下紫外激光将对液态的光敏树脂进行扫描从而让 其逐层凝固成型 SLA 工艺能以简洁且全自动的方式制造出精度极高的几何立体模型 下面我们 一起了解一下 SLA 技术的原理 如图所示为 SLA 技术的基本原理 书 山 有 路 3 SLA 立体光固化成型工艺 插图由筑梦创造绘制 液槽中会先盛满液态的光敏树脂 氦 镉激光器或氩离子激

7、光器发射出的紫外激光束在计算机的 操纵下按工件的分层截面数据在液态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描 这使扫描区域的树脂薄 层产生聚合反应而固化从形成工件的一个薄层 当一层树脂固化完毕后 工作台将下移一个层厚的距离以使在原先固化好的树脂表面上再覆盖一 层新的液态树脂 刮板将粘度较大的树脂液面刮平然后再进行下一层的激光扫描固化 因为液态 树脂具有高粘性而导致流动性较差 在每层固化之后液面很难在短时间内迅速抚平 这样将会影 响到实体的成型精度 采用刮板刮平后所需要的液态树脂将会均匀地涂在上一叠层上 这样经过 激光固化后将可以得到较好的精度 也能使成型工件的表面更加光滑平整 新固化的一层将牢固地粘合在前

8、一层上 如此重复直至整个工件层叠完毕 这样最后就能得到一 个完整的立体模型 当工件完全成型后 首先需要把工件取出并把多余的树脂清理干净 接着还需要把支撑结构清除 掉 最后还需要把工件放到紫外灯下进行二次固化 SLA 工艺成型效率高 系统运行相对稳定 成型工件表面光滑精度也有保证 适合制作结构异常 复杂的模型 能够直接制作面向熔模精密铸造的中间模 尽管 SLA 的成型精度高 但成型尺寸也 有较大的限制而不适合制作体积庞大的工件 成型过程中伴随的物理变化和化学变化可能会导致 工件变形 因此成型工件需要有支撑结构 目前 SLA 工艺所支持的材料还相当有限且价格昂贵 液态的光敏树脂具有一定的毒性和气味

9、 材料需要避光保存以防止提前发生聚合反应 SLA 成型的成品硬度很低而相对脆弱 小编在一次 3D 打印体验活动 iCader 带您走进中科院探秘 3D 打印 活动简报 华南地区的 3D 打印技术产 业联盟呼之欲出 中看到了 SLA 成品触地碎裂的情况 此外 使用 SLA 成型的模型还需要进行二 次固化 后期处理相对复杂 书 山 有 路 4 SLSSLS 选择性激光烧结工 选择性激光烧结工艺艺 选择性激光烧结工艺 Selective Laser Sintering SLS 该工艺最早是由美国德克萨斯大学 奥斯汀分校的 C R Dechard 于 1989 年在其硕士论文中提出的 随后 C R D

10、echard 创立了 DTM 公 司并于 1992 年发布了基于 SLS 技术的工业级商用 3D 打印机 Sinterstation 二十年多年来奥斯汀分校和DTM公司在SLS工艺领域投入了大量的研究工作 在设备研制和工艺 材料开发上都取得了丰硕的成果 德国的 EOS 公司针对 SLS 工艺也进行了大量的研究工作并且已 开发出一系列的工业级 SLS 快速成型设备 在 2012 年的欧洲模具展上 EOS 公司研发的 3D 打印设 备大放异彩 在国内也有许多科研单位开展了对 SLS 工艺的研究 如南京航空航天大学 中北大学 华中科技 大学 武汉滨湖机电产业有限公司 北京隆源自动成型有限公司 湖南华

11、曙高科等 SLS 工艺使用的是粉末状材料 激光器在计算机的操控下对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结 粘合 就这样材料层层堆积实现成型 如图所示为 SLS 的成型原理 SLS 选择性激光烧结工艺 插图由筑梦创造绘制 选择性激光烧结加工的过程先采用压辊将一层粉末平铺到已成型工件的上表面 数控系统操控激 光束按照该层截面轮廓在粉层上进行扫描照射而使粉末的温度升至熔化点 从而进行烧结并于下 面已成型的部分实现粘合 当一层截面烧结完后工作台将下降一个层厚 这时压辊又会均匀地在上面铺上一层粉末并开始新 一层截面的烧结 如此反复操作直接工件完全成型 在成型的过程中 未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂起着支撑的

12、作用 因此 SLS 成型的工件不 需要像 SLA 成型的工件那样需要支撑结构 SLS 工艺使用的材料与 SLA 相比相对丰富些 主要有 石蜡 聚碳酸酯 尼龙 纤细尼龙 合成尼龙 甚至还可以是金属 书 山 有 路 5 当工件完全成型并完全冷却后 工作台将上升至原来的高度 此时需要把工件取出使用刷子或压 缩空气把模型表层的粉末去掉 SLS 工艺支持多种材料 成型工件无需支撑结构 而且材料利用率较高 尽管这样 SLS 设备的价 格和材料价格仍然十分昂贵 烧结前材料需要预热 烧结过程中材料会挥发出异味 设备工作环 境要求相对苛刻 FDMFDM 熔融沉积成型工艺 熔融沉积成型工艺 熔融沉积成型工艺 Fu

13、sed Deposition Modeling FDM 是继 LOM 工艺和 SLA 工艺之后发展起来 的一种 3D 打印技术 该技术由 Scott Crump 于 1988 年发明 随后 Scott Crump 创立了 Stratasys 公司 1992 年 Stratasys 公司推出了世界上第一台基于 FDM 技术的 3D 打印机 3D 造型者 3D Modeler 这也标志着 FDM 技术步入商用阶段 国内的清华大学 北京大学 北京殷华公司 中科院广州电子技术有限公司都是较早引进 FDM 技术并进行研究的科研单位 FDM 工艺无需激光系统的支持 所用的成型材料也相对低廉 总体 性价比高

14、 这也是众多开源桌面 3D 打印机主要采用的技术方案 熔融沉积有时候又被称为熔丝沉积 它将丝状的热熔性材料进行加热融化 通过带有微细喷嘴的 挤出机把材料挤出来 喷头可以沿 X 轴的方向进行移动 工作台则沿 Y 轴和 Z 轴方向移动 当然 不同的设备其机械结构的设计也许不一样 熔融的丝材被挤出后随即会和前一层材料粘合在一 起 一层材料沉积后工作台将按预定的增量下降一个厚度 然后重复以上的步骤直到工件完全成 型 下面我们一起来看看 FDM 的详细技术原理 FDM 熔融沉积成型工艺 插图由筑梦创造绘制 热熔性丝材 通常为 ABS 或 PLA 材料 先被缠绕在供料辊上 由步进电机驱动辊子旋转 丝材在

15、主动辊与从动辊的摩擦力作用下向挤出机喷头送出 在供料辊和喷头之间有一导向套 导向套采 用低摩擦力材料制成以便丝材能够顺利准确地由供料辊送到喷头的内腔 书 山 有 路 6 喷头的上方有电阻丝式加热器 在加热器的作用下丝材被加热到熔融状态 然后通过挤出机把材 料挤压到工作台上 材料冷却后便形形成了工件的截面轮廓 采用 FDM 工艺制作具有悬空结构的工件原型时需要有支撑结构的支持 为了节省材料成本和提高 成型的效率 新型的 FDM 设备会采用了双喷头的设计 一个喷头负责挤出成型材料 另外一个喷 头负责挤出支撑材料 一般来说 用于成型的材料丝相对更精细一些 而且价格较高 沉积效率也较低 用于制作支撑

16、材料的丝材会相对较粗一些 而且成本较低 但沉积效率会更高些 支撑材料一般会选用水溶性 材料或比成型材料熔点低的材料 这样在后期处理时通过物理或化学的方式就能很方便地把支撑 结构去除干净 3DP3DP 三维印刷工艺 三维印刷工艺 三维印刷工艺 Three Dimension Printing 3DP 该技术由美国麻省理工大学的 Emanual Sachs 教授发明于 1993 年 3DP 的工作原理类似于喷墨打印机 是形式上最为贴合 3D 打印 概念的 成型技术之一 3DP 工艺与 SLS 工艺也有着类似的地方 采用的都是粉末状的材料 如陶瓷 金 属 塑料 但与其不同的是 3DP 使用的粉末并不是通过激光烧结粘合在一起的 而是通过喷头喷 射粘合剂将工件的截面 打印 出来并一层层堆积成型的 如图所示为 3DP 的技术原理 3DP 三维印刷工艺 插图由筑梦创造绘制 首先设备会把工作槽中的粉末铺平 接着喷头会按照指定的路径将液态粘合剂 如硅胶 喷射在 预先粉层上的指定区域中 此后不断重复上述步骤直到工件完全成型后除去模型上多余的粉末材 料即可 3DP 技术成型速度非常快 适用于制造结构复杂的工