3D打印機的技術(shù)原理

1、工程訓(xùn)練 I 大作業(yè)-3D 打印機的技術(shù)原理學(xué)院名稱專業(yè)班級學(xué)號學(xué)生姓名成績2018年 03 月 18 日編輯版 word3D 打印機的技術(shù)原理3D 打?。?3D printing），是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項新興技術(shù)，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”。運用該技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)的主要流程是：應(yīng)用計算機軟件，設(shè)計出立體的加工樣式，然后通過特定的成型設(shè)備（俗稱“3D 打印機”），用液態(tài)、粉末、絲狀的固體材料逐層“打印”出產(chǎn)品。3D 打印是“增材制造”（ Additive Manufacturing）的主要實現(xiàn)形式?！霸霾闹圃臁钡睦砟顓^(qū)別于傳統(tǒng)的“去除型”制造。傳統(tǒng)數(shù)控制造一般是在原材料基礎(chǔ)上，使

2、用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品。而“增材制造”與之截然不同，無需原胚和模具，就能直接根據(jù)計算機圖形數(shù)據(jù)，通過疊加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率并降低成本。國際上喜歡用“ Additive Manufacturing”（簡稱 AM ）來表示 3D打印技術(shù)，國內(nèi)專業(yè)術(shù)語是增量制造、增材制造或添加制造。2009年美國ASTM成立了F42委員會，將AM定義為：“ Process of joining materials to make objects from 3d model data,us

3、ually l ayer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies”.即：一種與傳統(tǒng)的材料去處加工方法截然相反的，通過增加材料、基于三維 CAD 模型數(shù)據(jù)，通常采用逐層制造方式，直接制造與相應(yīng)數(shù)編輯版 word學(xué)模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。目前主流的 3D 打印技術(shù)有：1、SLS激光粉末燒結(jié)成型（ Se1ected Laser Sintering）；2、3DP 三維打?。?3Dimension Printer）；3、SLA 激光光固化（ Stereo lithography）；4、FDM 熔

4、融沉積造型（ Fused Deposition Modeling）3D 打印機的用途，能夠?qū)崿F(xiàn)哪些功能3D 打印能夠發(fā)揮的作用，按照產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)的流程來說：3D 打印不僅僅可以快速制作設(shè)計原型，從最初的概念設(shè)計到最終產(chǎn)品制造， 3D 打印在產(chǎn)品設(shè)計制造的各個環(huán)節(jié)都具備變革性優(yōu)勢。許多企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計早期，就會使用3D 打印設(shè)備快速制作足夠多的模型用于評估，不僅節(jié)省了時間，而且減少了設(shè)計缺陷。隨著產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)的進(jìn)展，他們會采用3D 打印反復(fù)制作手板模型用于設(shè)計溝通、設(shè)計驗證、裝配測試和宣傳展示，以實現(xiàn)產(chǎn)品功能改善、生產(chǎn)成本降低、品質(zhì)更好、市場接受度提升的目標(biāo)。在產(chǎn)品小批量試制階段，3D 打印為快速

5、打樣提供了最佳方案，3D 打印出來的樣品可以用于宣傳展示、市場調(diào)查、試銷售等。而在產(chǎn)品量產(chǎn)環(huán)節(jié)，也已經(jīng)有越來越多的企業(yè)在采用3D 打印方式來加快交付周期、降低個性化定制價格、改善產(chǎn)品交付質(zhì)量，以及提高生產(chǎn)效率。3D 打印能夠發(fā)揮的作用，按照不同應(yīng)用行業(yè)來說：編輯版 word近年來， 3D 打印技術(shù)發(fā)展迅速，通過與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段結(jié)合，該技術(shù)已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的有效手段，在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫(yī)學(xué)、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用， 在工程和教學(xué)研究等應(yīng)用領(lǐng)域也占有獨特地位。具體應(yīng)用領(lǐng)域包括：1、工業(yè)制造：產(chǎn)品概念設(shè)計、原型制作、產(chǎn)品評審、功能驗證

6、；制作模具原型或直接打印模具，直接打印產(chǎn)品。3D 打印的小型無人飛機、小型汽車等概念產(chǎn)品已問世。3D 打印的家用器具模型，也被用于企業(yè)的宣傳、營銷活動中；2、文化創(chuàng)意和數(shù)碼娛樂：形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊的藝術(shù)表達(dá)載體?？苹妙愲娪鞍⒎策_(dá)運用 3D 打印塑造了部分角色和道具，3D 打印的小提琴接近了手工藝的水平；3、航空航天、國防軍工：復(fù)雜形狀、尺寸微細(xì)、特殊性能的零部件、機構(gòu)的直接制造；4、生物醫(yī)療：人造骨骼、牙齒、助聽器、假肢等；5、消費品：珠寶、服飾、鞋類、玩具、創(chuàng)意DIY 作品的設(shè)計和制造；6、建筑工程：建筑模型風(fēng)動實驗和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模擬；7、教育：模型驗證科學(xué)假設(shè)，

7、用于不同學(xué)科實驗、教學(xué)。在北美的一些中學(xué)、普通高校和軍事院校，3D 打印機已經(jīng)被用于教學(xué)和科研；編輯版 word8、個性化定制：基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)下載、電子商務(wù)的個性化打印定制服務(wù)。什么樣的三維數(shù)據(jù)才能夠用于3D 打印3D 打印的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式STLSTL（Stereo Lithography Interface Specification）格式是目前 3D 打印/ 增材制造設(shè)備使用的通用接口格式，是由美國3Dsystems 公司于1988 年制定的一個接口協(xié)議，是一種為3D 打印 / 增材制造技術(shù)服務(wù)的三維圖形文件格式，目前已成為3D 打印 / 增材制造的事實上的標(biāo)準(zhǔn)格式。STL 格式是存儲三維模

8、型信息的一種簡單方法，它將復(fù)雜的數(shù)字模型以一系列的三維三角形面片來近似表達(dá)。STL 模型是一種空間封閉的、有界的、正則的唯一表達(dá)物體的模型，具有點、線、面的幾何信息，能夠輸入給增材制造設(shè)備，用于快速制作實物樣品。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用， STL 文件格式也得到了各CAD/CAM軟件公司的廣泛支持。在醫(yī)學(xué)、自然科學(xué)和工程領(lǐng)域里，STL 技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。利用三維掃描儀等三維數(shù)字化工具對物理原型進(jìn)行多方位三維掃描，經(jīng)過點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理與優(yōu)化， 得到物體完整的三維數(shù)據(jù)模型，對該數(shù)據(jù)模型進(jìn)行表面三角形小平面化處理， 類似于有限元的網(wǎng)格劃分，即用許多空間三角形面片來逼近 CAD 模型，當(dāng)三角

9、形面片小到一定程度，其近似性可達(dá)到工程允許的精度范圍內(nèi)， 其數(shù)據(jù)文件稱為編輯版 wordSTL 文件，可以直接輸入3D 打印 / 增材制造設(shè)備，用于3D 打印 / 增材制造。STL 文件格式化對 3D 打印 / 增材制造精度影響3D 打印時，由于要將復(fù)雜的三維加工轉(zhuǎn)化為一系列簡單的二維加工的疊加，因此，成型精度主要取決于二維（ X，Y）平面上的加工精度，以及高度（ Z ）方向上的疊加精度。從 3D 打印機本身而言，可以將 X、Y、Z 三方向的運動位置精度控制在微米級水平，因而能得到精度相當(dāng)高的工件。 因此，特別在加工復(fù)雜的自由曲面及內(nèi)型腔時，3D 打印/ 增材制造比傳統(tǒng)的加工方法表現(xiàn)出更明顯的

10、優(yōu)勢。 然而影響工件最終精度的因素不僅有 3D 打印機本身的精度，還有一些其它因素，其中比較重要的是 CAD 模型的前期處理造成的誤差。對于絕大多數(shù)增材制造設(shè)備而言，開始成型前，必須對工件的三維 CAD 模型進(jìn)行 STL 格式化和切片等前期處理，以便得到一系列的截面輪廓。 STL 格式己成為 3D 打印行業(yè)事實上的通用標(biāo)準(zhǔn)。在計算機數(shù)據(jù)處理能力足夠的前提下，進(jìn)行 STL 格式化時，應(yīng)選擇更小、更多的三角面片，使之更逼近原始三維模型的表面，這樣可以降低由STL格式化所帶來的誤差影響。中國 3D 打印前景展望3D 打印機對傳統(tǒng)制造業(yè)會帶來哪些沖擊3D 打印產(chǎn)業(yè)上游包括材料技術(shù)、控制技術(shù)、光機電技術(shù)

11、、軟件技術(shù)，中游是立足于信息技術(shù)的數(shù)字化平臺，下游涉及國防科工、航空航天、汽車摩配、家電電子、醫(yī)療衛(wèi)生、文化創(chuàng)意等行業(yè)，其發(fā)展編輯版 word將會深刻影響先進(jìn)制造業(yè)、 工業(yè)設(shè)計業(yè)、生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、文化創(chuàng)意業(yè)、電子商務(wù)業(yè)及制造業(yè)信息化工程。3D 打印機給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來的沖擊，大致有以下幾點：1、3D 打印技術(shù)的發(fā)展?jié)M足了消費者的需求，將導(dǎo)致工業(yè)制造模式的變化相比生產(chǎn)大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的模具制造， 3D 打印可以在一定約束下隨意生產(chǎn)制作個性化產(chǎn)品，可稱之為“大規(guī)模定制制造模式”，是以互聯(lián)網(wǎng)為支撐的智能化大規(guī)模定制的方式，或者是“分散生產(chǎn)，就地銷售”方式，標(biāo)志著個性化消費時代的到來。從前，消費者都是在店

12、里挑選、購買已經(jīng)生產(chǎn)好的商品，現(xiàn)在則可以根據(jù)各自的需求，在“ 3D 打印店”定制，邊生產(chǎn)邊體驗，及時獲得自己喜歡的產(chǎn)品。2. 3D 打印技術(shù)具備傳統(tǒng)模具制造沒有的獨特優(yōu)勢3D 打印技術(shù)是不受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和形狀的限制的，任何復(fù)雜的造型和結(jié)構(gòu)，只要有CAD 數(shù)據(jù)，都可以輕松完成，這樣就給個性化、定制化提供了可能性；而且使用3D 打印技術(shù)，是不需要開模具的，實現(xiàn)了無?；圃?，可使新產(chǎn)品研制的成本下降為傳統(tǒng)方式的1/3-1/5 ，周期縮短為 1/5-1/10 。再加上 3D 打印設(shè)備大部分可以實現(xiàn)無人值守、24 小時不間斷加工，也就為廠商節(jié)約了人工成本， 提高了生產(chǎn)效率。3D 打印的后期輔助加工量大大減小

13、，避免了委外加工的數(shù)據(jù)泄密和時間跨度， 尤其適合一些高保密性的行業(yè)，如軍工、核電領(lǐng)域。3D 打印技術(shù)“打印”的產(chǎn)品是自然無縫連接的，一體成型，結(jié)編輯版 word構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。3. 3D 打印技術(shù)符合低碳環(huán)保的發(fā)展理念“第三次工業(yè)革命” 概念的真正興起和全球化傳播， 與全球可持續(xù)發(fā)展面臨的壓力息息相關(guān)。具體來說：一是至 20 世紀(jì) 80 年代，石油和其他化石能源的日漸枯竭，及隨之而來的全球氣候變化給人類的持續(xù)生存帶來了危機。 二是化石燃料驅(qū)動的原有工業(yè)經(jīng)濟模式， 不再能支撐全球的可持續(xù)發(fā)展， 需要尋求一種使人類進(jìn)入“后碳”時代的新模式。 3D 打印技術(shù)適逢其會，以綠

14、色、節(jié)能、低碳、環(huán)保的全新姿態(tài)迅速得到了全球政府和機構(gòu)的認(rèn)可和信賴。3D 打印采用的是加法式制造技術(shù)，區(qū)別與傳統(tǒng)的減法式、銑削式制造方式，基本上是生產(chǎn)多少重量的東西， 所耗費的也就是同等重量的材料，因此所耗費的材料明顯減少； 個性化定制以后也不產(chǎn)生產(chǎn)品庫存，可以在減少碳排放和原材料消耗的前提下， 保持更高的生產(chǎn)效率。 3D 打印的原材料使用僅為傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的 1/10 ，這在如今資源珍貴的時代無疑具備巨大優(yōu)勢。4. 3D 打印能有效促進(jìn)工業(yè)設(shè)計產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 而全球制造業(yè)未來的競爭在于高附加值的設(shè)計環(huán)節(jié)原先的制造業(yè)是生產(chǎn)、 加工環(huán)節(jié)制約著研發(fā)設(shè)計環(huán)節(jié)， 新產(chǎn)品的研制從一開始就需要考慮到最終能否被

15、生產(chǎn)出來；而3D 打印技術(shù)對于產(chǎn)品設(shè)計沒有限制，只要能設(shè)計得出來，完成CAD 建模，任何結(jié)構(gòu)和形狀都可以被生產(chǎn)出來，如此一來，工業(yè)設(shè)計方面的創(chuàng)意和能量編輯版 word將被無限釋放， 誰具備突出的工業(yè)設(shè)計能力，誰就將成為未來全球制造業(yè)的領(lǐng)頭羊，創(chuàng)造高額利潤。中國制造業(yè)，如果還是停留在國外設(shè)計、國內(nèi)制造或者來料加工的階段，那么未來只能在低附加值的加工制造環(huán)節(jié)上苦苦掙扎， 因此，中國政府和制造業(yè)的有識之士都已經(jīng)開始積極呼吁和大力傳播3D 打印技術(shù)，國內(nèi)的工業(yè)設(shè)計教育和產(chǎn)業(yè)也得到了越來越多的關(guān)注和重視。國內(nèi) 3D 打印技術(shù)市場現(xiàn)狀3D 打印技術(shù)在國外已經(jīng)開始被廣泛應(yīng)用在各領(lǐng)域，幫助人們提高開發(fā)效率，降

16、低生產(chǎn)成本，3D 打印機已經(jīng)開始普及開來。而在國內(nèi)，由于起步較晚，目前還被能夠得到廣泛普及，主要原因體現(xiàn)在：1、市場培育還有一長段路要走。目前，我國多數(shù)制造企業(yè)尚未接受“數(shù)字化設(shè)計”、“批量個性化生產(chǎn)”等先進(jìn)制造理念，對3D打印這一新興技術(shù)的戰(zhàn)略意義認(rèn)識不足，不了解到這種新興技術(shù)能夠做什么，可以創(chuàng)造多大的價值。2、企業(yè)級、專業(yè)級的3D 打印設(shè)備及其材料還比較昂貴，客戶接受程度低。雖然目前市面上已經(jīng)有一些價格低至幾千元的3D 打印機，但是這種入門級的 3D 打印機更多適合個人、發(fā)燒友購買使用，很難用于工業(yè)制造、 建設(shè)工程等領(lǐng)域， 更別說航空航天和醫(yī)療等專業(yè)應(yīng)用了。而專業(yè)級的 3D 打印設(shè)備動輒幾

17、十萬乃至上百萬，讓許多關(guān)注 3D 打印技術(shù)的企業(yè)望而卻步。3、材料種類還不是足夠豐富，也限制了3D 打印技術(shù)的推廣。編輯版 word盡管就塑料材料來說，就已經(jīng)有上百種之多，從彈性的到剛性的，從遇熱融化的到耐高溫的， 從透明的到不透明的， 從生物相容性的到可鑄造的，種類繁多，但是目前依然比不上傳統(tǒng)制造所擁有的材料種類。4 三維數(shù)字化技術(shù)尚未普及， 也限制了 3D 打印機的市場空間。因為 3D 打印的前提是計算機里面有一個三維數(shù)據(jù)可供打印，而三維數(shù)據(jù)的獲取和創(chuàng)建對于普通大眾來說還是一個技術(shù)活。 國內(nèi)專業(yè)數(shù)字化領(lǐng)域?qū)嵙ψ顝姷氖呛贾菹扰R三維科技股份有限公司， 他們自主研發(fā)了多種面向不同應(yīng)用領(lǐng)域的三維掃

18、描儀， 可以幫助快速獲取物體的三維數(shù)據(jù)，輸出的 STL 數(shù)字模型就可以用于 3D 打印，比起 CAD 建模來門檻更低、速度更快。目前，現(xiàn)在市面上已經(jīng)有十幾種不同的3D 打印機成型技術(shù)，包括 SLS、DMLS、FDM 、SLA、DLP 、FFF、MEM 、LOM 、EBM、SHS、3DP 等，不同技術(shù)類型的3D 打印機打印出成品所需要的材料是不同的，其中比較成熟的有SLS、FDM 、 SLA、LOM 和 3DP 等。3.1 SLA（Stereo lithography Appearance）編輯版 wordSLA 即立體光固化成型法， 用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料 (液態(tài)光敏樹脂原料

19、)表面，使之由點到線， 由線到面順序凝固，完成一個層面的繪圖作業(yè)， 然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面。這樣層層疊加構(gòu)成一個三維實體。圖 2 SLA 技術(shù)成型原理圖3.2 FDM（Fused Deposition Modeling）FDM 即熔積成型法，該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲） 為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度（約比熔點高1），在計算機的控制下，噴頭作平面運動，將熔融的材料涂覆在工作臺上， 冷卻后形成工件的一層截面， 一層成形后，噴頭上移一層高度，進(jìn)行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。編輯版 word圖 3 FDM 技術(shù)成型

20、原理圖3.3 SLS（Selective Laser Sintering）SLS即選擇性激光燒結(jié)，其整個工藝裝置由粉末缸和成型缸組成，工作時粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均勻鋪上一層， 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?zé)Y(jié)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?？刂萍す馐賿呙锜Y(jié)新層。如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加，直到三維零件成型。最后，將未燒結(jié)的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。對于金屬粉末激光燒結(jié)，在燒結(jié)之前，整個工作臺被加熱至一定溫度，可減少成型中的熱變形，并利于層與層之間的結(jié)合。編輯版 word