蘇州3D打印全面解析3D打印系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)原理

-.z.**3D打印全面解析3D打印系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)原理3D打印技術(shù)極大地革新了制造業(yè)的生產(chǎn)方式，有人甚至稱之為"第三次工業(yè)革命〞，則，3D打印的秘訣是什么？它是如何運(yùn)作的呢？前不久，世界首架3D打印的無(wú)人機(jī)試飛成功，時(shí)速到達(dá)241千米。對(duì)于一款民用無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，這個(gè)速度非常驚人。美國(guó)無(wú)人機(jī)制造商極光飛行科學(xué)公司的航空研究工程師丹·坎貝爾(DanCampbell)表示，3D打印技術(shù)能讓設(shè)計(jì)師對(duì)特定的元件進(jìn)展定制，以改良無(wú)人機(jī)性能，大大加快無(wú)人機(jī)的生產(chǎn)速度，并有效降低生產(chǎn)本錢(qián)。對(duì)于3D打印，首先要搞清楚的就是：它的叫法其實(shí)是不準(zhǔn)確的。確實(shí)，3D打印的程序本質(zhì)上是2D(二維)打印，只不過(guò)需要在2D打印的根底上一遍又一遍地打印、一層又一層地疊加，直至一件3D產(chǎn)品最終成型。通常，2D打印有多種方式，但都需要將墨水粘在紙上或卡片上。墨水是復(fù)雜的液體，由染料、溶劑和其他物質(zhì)組成。墨水在不使用時(shí)保持濕潤(rùn)狀態(tài)，一旦由打印機(jī)打印到紙上，與空氣接觸后，就會(huì)顯現(xiàn)出顏色并立即變干。墨水一點(diǎn)點(diǎn)地疊加，在紙上形成字母、文字以及圖片，變干后就會(huì)自動(dòng)留在紙上，且保持永久不脫落。3D打印就好比把油墨層一層一層地堆疊起來(lái)，到達(dá)一定厚度，每層厚度只有幾微米(一微米等于百萬(wàn)分之一米)。另外，2D打印的墨水相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)于3D打印來(lái)說(shuō)，幾乎任何物質(zhì)都可以充當(dāng)墨水，比方尼龍、塑料、金屬、食材、生物組織，乃至紙*本身等。在3D打印機(jī)執(zhí)行打印任務(wù)之前，首先要用電腦設(shè)計(jì)好要打印的東西，比方一只杯子。通常是使用三維建模軟件來(lái)構(gòu)建需要打印的物體的3D模型。這些建模軟件有簡(jiǎn)單實(shí)用的，也有復(fù)雜專業(yè)的，但無(wú)論哪一種，都需要進(jìn)展一定的培訓(xùn)學(xué)習(xí)才能掌握。當(dāng)然，如果僅僅是想打印一個(gè)和現(xiàn)有物體一模一樣的復(fù)制品，也可借助3D掃描儀來(lái)快速建?！苯訏呙柽@個(gè)物體，比方一塊化石或者一個(gè)機(jī)器零件。有了電腦中的這些模型，用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件將這些3D模型切分成水平薄層，打印機(jī)就能按要求把這些一層層的"薄片〞疊加打印出來(lái)，最終"壘〞成要打印的物體。最近，古埃及法老圖坦卡蒙國(guó)王(KingTutankhamun)的木乃伊復(fù)制品已按實(shí)際尺寸打印出來(lái)了，羅丹的著名雕塑"思想者"(TheThinker)也是以同樣的程序?qū)θ睋p處進(jìn)展了修補(bǔ)。這兩件作品都是先由3D掃描儀掃描建模，然后由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)這些3D模型進(jìn)展切分，最后用3D打印機(jī)一層層疊加打印出來(lái)的。則，這些薄層終究是如何被打印出來(lái)的？這說(shuō)起來(lái)稍稍有些復(fù)雜，因?yàn)?D打印不止一種方式，現(xiàn)在屬于商業(yè)用途的至少有8種，這些方式有些有類似的步驟，有些又截然相反。下面我們來(lái)看一看最重要的幾項(xiàng)3D打印技術(shù)。●立體光固化成型法(SLA)3D打印的首次嘗試始于20世紀(jì)80年代。1983年，美國(guó)創(chuàng)造家查克·赫爾(ChuckHull)創(chuàng)造了立體光固化成型法(SLA)。1987年，SLA技術(shù)開(kāi)場(chǎng)應(yīng)用于商業(yè)，并沿用至今。3D打印技術(shù)最初被用于打印樣機(jī)。在21世紀(jì)初期，由于納米技術(shù)使接近原子水平的精度成為可能，SLA技術(shù)得到了飛速的開(kāi)展。SLA技術(shù)的主要原理是光聚合作用。利用光敏樹(shù)脂在遇到紫外線照射時(shí)由液態(tài)單體瞬間聚合成固態(tài)聚合物這一特性，在盛放液態(tài)樹(shù)脂的槽里，用紫外線對(duì)光敏樹(shù)脂進(jìn)展掃描，使光敏樹(shù)脂發(fā)生光聚合反響，形成固化的薄層。如此反復(fù)，層層固化，最終形成一件3D產(chǎn)品打印開(kāi)場(chǎng)時(shí)，工作臺(tái)微微浸沒(méi)在液態(tài)樹(shù)脂中，使樹(shù)脂在工作臺(tái)上均勻地鋪上薄薄的一層，紫外線直接照射在需要固化的樹(shù)脂薄層外表，讓樹(shù)脂薄層發(fā)生光聚合反響而固化。一層固化完畢，工作臺(tái)下降數(shù)微米，讓液態(tài)樹(shù)脂在固化后的薄層上再鋪上薄薄的一層，再用紫外線照射，新固化的一層結(jié)實(shí)地黏結(jié)在前一層上，如此循環(huán)往復(fù)，層層固化，直至整個(gè)零件制造完畢。在這里，紫外線按照設(shè)計(jì)的掃描路徑，以由點(diǎn)到線、由線到面的順序照射到液態(tài)光敏樹(shù)脂外表，使光敏樹(shù)脂凝固聚合，產(chǎn)生圖案。●熔融沉積成型法(FDM)熔融沉積成型法(FDM)是20世紀(jì)80年代創(chuàng)造的一項(xiàng)3D打印技術(shù)。FDM技術(shù)的打印原理是：將各種熱塑性材料加熱熔化后由噴頭擠出，這些熔融狀態(tài)的材料冷卻(幾乎是瞬間冷卻)后便會(huì)凝固，并與底下的材料黏合在一起—也是一層一層地堆疊。FDM技術(shù)的本錢(qián)較SLA低，尤其適合打印塑料制品及*些有機(jī)材料產(chǎn)品。熔融沉積成型法(FDM)打印工作原理●選擇性激光燒結(jié)(SLS)SLS技術(shù)，即選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，同樣于20世紀(jì)80年代研制成功。SLS技術(shù)使用粉末材料進(jìn)展打印。使用SLS技術(shù)打印時(shí)，左邊的活塞上升，滾筒將粉末鋪滿工作臺(tái)，右邊的工作臺(tái)浸沒(méi)在粉末中，激光直接聚焦于目標(biāo)位置，當(dāng)激光打在粉末上，粉末就會(huì)與先前的固化層熔合(或稱"燒結(jié)〞)。當(dāng)一層截面燒結(jié)后，工作臺(tái)下降，這時(shí)滾動(dòng)裝置又會(huì)在上面均勻地鋪上一層粉末，開(kāi)場(chǎng)新一層的燒結(jié)。如此反復(fù)操作，直到整個(gè)產(chǎn)品在粉堆里完成。在選材方面，玻璃，聚苯乙烯，以及金屬如鐵、鈦、銀、鋁等，都是SLS技術(shù)的理想材料。不管3D打印技術(shù)如何顛覆制造業(yè)，它還是存在一定的問(wèn)題。一是傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)會(huì)使產(chǎn)品留有層疊的痕跡。通過(guò)顯微鏡觀察打印成品，其層疊的痕跡清晰可見(jiàn)，這說(shuō)明3D打印的產(chǎn)品除了在順著打印方向受力時(shí)顯得鞏固而結(jié)實(shí)，其他構(gòu)造還存在諸多薄弱點(diǎn)。假設(shè)要打印抗拉力強(qiáng)的機(jī)械零件，情況就不妙了，因?yàn)榇蛴〕鰜?lái)的零件只在一個(gè)方向具備強(qiáng)抗拉能力，當(dāng)方向轉(zhuǎn)變90°之后，其抗拉能力就會(huì)下降50%。二是打印時(shí)間長(zhǎng)。極光飛行科學(xué)公司發(fā)現(xiàn)，雖然3D打印無(wú)人機(jī)部件比在其他地方定制無(wú)人機(jī)部件快得多，但并不表示在幾分鐘之內(nèi)就能完成打印—事實(shí)也遠(yuǎn)非如此!即使一個(gè)簡(jiǎn)單的物件，3D打印也要花費(fèi)數(shù)小時(shí)。事實(shí)上，想要在商業(yè)上大規(guī)模地使用3D打印技術(shù)，仍然有很長(zhǎng)的路要走。正如美國(guó)3D打印公司"碳3D〞(Carbon3D)的總裁約瑟夫·德西蒙(JosephDeSimone)所說(shuō)："3D打印的速度太慢了!〞2021年，3D打印產(chǎn)業(yè)的收入超過(guò)30億美元，而離設(shè)定的2021年要到達(dá)210億美元的目標(biāo)還相距甚遠(yuǎn)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，控制打印時(shí)長(zhǎng)很關(guān)鍵!德西蒙認(rèn)為他已經(jīng)解決了上述兩個(gè)問(wèn)題。他是一個(gè)高分子化學(xué)家、創(chuàng)造家和串行企業(yè)家，同時(shí)也是美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校(UniversityofNorthCarolinaatChapelHill)的教授，于2021年在美國(guó)硅谷創(chuàng)立了"碳3D〞公司，2021年推出新型打印系統(tǒng)—連續(xù)液體界面制造技術(shù)(CLIP)。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，CLIP其實(shí)就是另一種形式的立體光固化成型法，其主要原理仍然是光聚合作用，同樣是利用紫外線照射光敏樹(shù)脂，使液體樹(shù)脂固化。與立體光固化成型法(SLA)不同的是，這里的打印件不是放置在工作臺(tái)上方由下往上層層打印，而是置于工作臺(tái)下方。當(dāng)工作臺(tái)上升并和液體槽慢慢拉開(kāi)距離時(shí)，打印件就從上往下層層生長(zhǎng)。直觀看來(lái)，像是工作臺(tái)從液體里面"拉〞起了一個(gè)物件。CLIP技術(shù)主要依賴于一種既透明又透氣的窗口，該窗口能同時(shí)允許紫外線和氧氣通過(guò)，并能控制氧氣進(jìn)入的量和時(shí)間。在這里，作為一種抑制劑，氧氣進(jìn)入后能夠在樹(shù)脂內(nèi)營(yíng)造一個(gè)盲區(qū)，這種盲區(qū)最薄可達(dá)幾十微米(約為2~3個(gè)紅細(xì)胞的直徑)厚。在這些區(qū)域里，氧氣能抑制樹(shù)脂發(fā)生光聚合反響。紫外線發(fā)射器把要打印的模型的一個(gè)橫截面從下方投射出去，只有在沒(méi)被氧氣抑制的區(qū)域，樹(shù)脂才會(huì)發(fā)生固化。就這樣，固化一層，工作臺(tái)就會(huì)微微升起一層的高度，反復(fù)完成這一步驟，直到整個(gè)模型被打印出來(lái)。由于這種打印方法采用的是整層范圍的照射固化，因此，其各個(gè)方向的抗拉強(qiáng)度十分均衡，而且打印速度較傳統(tǒng)的3D打印快了25~100倍。比方，一件產(chǎn)品用SLS技術(shù)打印需要3.5個(gè)小時(shí)，而用CLIP技術(shù)只需要6.5分鐘！事實(shí)很好地證明了CLIP