02第一章-任務(wù)二-3D打印技術(shù)的原理

第一章3D打印技術(shù)概論任務(wù)二3D打印技術(shù)的原理學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.熟悉3D打印技術(shù)的原理，注意其與傳統(tǒng)制造的區(qū)別；2.了解3D打印技術(shù)的工藝流程；3.了解3D打印技術(shù)典型的分類方式及各技術(shù)的基本特點(diǎn)；4.熟悉3D打印技術(shù)常見的成型材料。任務(wù)描述：通過老師講解、查閱資料等熟悉3D打印技術(shù)的原理，熟悉其與傳統(tǒng)加工制造技術(shù)的區(qū)別，了解3D打印技術(shù)的分類及技術(shù)特點(diǎn)，熟悉3D打印技術(shù)常見的成型材料，通過分組討論，總結(jié)本任務(wù)學(xué)習(xí)內(nèi)容。一、3D打印技術(shù)的原理（一）3D打印技術(shù)的基本原理3D打印技術(shù)就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過3D打印機(jī)，將一層層的材料堆積成實(shí)體原型。首先通過三維建模軟件獲得零件的CAD文件，并將該文件導(dǎo)出3D打印設(shè)備所能識(shí)別的STL格式。打印設(shè)備根據(jù)零件模型對(duì)其進(jìn)行分層處理并離散，從而得到各層截面的二維輪廓信息，系統(tǒng)根據(jù)輪廓信息自動(dòng)生成加工路徑，由成型頭在系統(tǒng)的控制下，逐點(diǎn)、逐線、逐面的對(duì)成型材料進(jìn)行立體堆積，從而完成對(duì)三維坯件的制作，最后再對(duì)坯件進(jìn)行必要的后處理，使零件在功能、尺寸、外觀等方面滿足設(shè)計(jì)需求。3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)的制造工藝，把傳統(tǒng)的“減材”加工變?yōu)椤霸霾摹绷Ⅲw加工（如圖），忽略了制件的外形復(fù)雜程度，完全真實(shí)的復(fù)制出三維造型。由于3D打印技術(shù)是把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維輪廓的疊加，因此它無需借助任何模具和工具，可直接生成具有任意復(fù)雜曲面的零部件或產(chǎn)品，從而極大地提高了生產(chǎn)效率和制造的柔性。3D打印技術(shù)變“減材”加工為“增材”（二）3D打印技術(shù)的工藝過程3D打印技術(shù)的工藝過程一般都包括三維模型的建立、3D打印前處理、實(shí)體疊加打印成型及后處理四個(gè)步驟。其工藝流程如圖所示。1.產(chǎn)品三維模型的構(gòu)建由于3D打印系統(tǒng)是由三維CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，因此首先要構(gòu)建如圖所示的三維CAD模型。該三維CAD模型可以利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（如Pro/E，UG，Solidworks，I-DEAS等）通過構(gòu)造性立體幾何表達(dá)法、邊界表達(dá)法、參量表達(dá)法等方法直接構(gòu)建，也可以將已有產(chǎn)品的二維圖樣進(jìn)行轉(zhuǎn)換而形成三維模型，或?qū)Ξa(chǎn)品實(shí)體進(jìn)行激光掃描、CT斷層掃描，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用逆向工程的方法來構(gòu)造三維模型。2.3D打印的前處理（1）三維模型的近似處理由于產(chǎn)品往往有一些不規(guī)則的自由曲面，加工前要對(duì)模型進(jìn)行近似處理，以方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。由于STL格式文件格式簡(jiǎn)單、實(shí)用，目前已經(jīng)成為3D打印領(lǐng)域的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)接口文件。它是用一系列的小三角形平面來逼近原來的模型，每個(gè)小三角形由3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和一個(gè)法向量來描述，三角形的大小可以根據(jù)精度要求進(jìn)行選擇。STL文件有二進(jìn)制碼和ASCII碼兩種輸出形式，二進(jìn)制碼輸出形式的文件所占的空間比ASCII碼輸出形式的小得多，而ASCII碼輸出形式可以進(jìn)行閱讀和檢查。典型的CAD軟件都帶有轉(zhuǎn)換和輸出STL格式文件的功能。（2）三維模型的分層處理根據(jù)被加工模型的特征選擇合適的加工方向，如圖1-2-5所示，在成型高度方向上用一系列一定間隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的輪廓信息。間隔一般取0.05mm～0.5mm，常用0.2mm，目前最小分層厚度可達(dá)0.016mm。層厚越小，成型精度越高，但成型時(shí)間也越長(zhǎng)，效率就越低，反之則成型精度降低，但效率提高。3.實(shí)體疊加成型根據(jù)切片處理的截面輪廓，在計(jì)算機(jī)控制下，相應(yīng)的成型頭（激光頭或噴頭）按各截面輪廓信息做掃描運(yùn)動(dòng)，在工作臺(tái)上一層一層地將材料堆積在一起，各層材料通過交聯(lián)或粘結(jié)固化后，最終得到成型件。4.成型制件的后處理從打印設(shè)備里取出成型件，進(jìn)行打磨、拋光、涂覆，或放于高溫爐中進(jìn)行后處理燒結(jié)，以進(jìn)一步提高原型產(chǎn)品強(qiáng)度。二、3D打印技術(shù)的特點(diǎn)（一）快速性通過STL格式文件，3D打印系統(tǒng)幾乎可以與所有的CAD造型系統(tǒng)無縫連接，從CAD模型到完成原型制作通常只需幾小時(shí)到幾十小時(shí)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的快速反饋。以快速原型為母模的快速模具技術(shù)，能夠在幾天內(nèi)制作出所需材料的實(shí)際產(chǎn)品，而通過傳統(tǒng)的鋼制模具制作，至少需要幾個(gè)月的時(shí)間。（二）高度集成化3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與制造的一體化。在成型工藝中，計(jì)算機(jī)中的CAD模型數(shù)據(jù)通過接口軟件轉(zhuǎn)化為可以直接驅(qū)動(dòng)3D打印設(shè)備的數(shù)控指令，3D打印設(shè)備根據(jù)數(shù)控指令完成原型件或零件的加工。（三）與工件復(fù)雜程度無關(guān)3D打印技術(shù)由于以離散堆積原理為基礎(chǔ)，采用分層制造工藝，將復(fù)雜的三維實(shí)體離散成一系列層片加工和加工層片的疊加，大大簡(jiǎn)化了加工過程。它可以加工復(fù)雜的中空結(jié)構(gòu)且不存在三維加工中刀具干涉的問題，理論上可以制造如圖所示的具有任意復(fù)雜形狀的原型件和零件。采用3D打印技術(shù)制造的工件（四）高度柔性3D打印系統(tǒng)是真正的數(shù)字化制造系統(tǒng)，僅需改變?nèi)SCAD模型，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整和設(shè)置加工參數(shù)，即可完成不同類型的零件的加工制作，特別適合新產(chǎn)品開發(fā)或單件小批量生產(chǎn)。并且，3D打印技術(shù)在成型過程中無需專用的夾具或工具，成型過程具有極高的柔性，這是3D打印技術(shù)非常重要的一個(gè)技術(shù)特征。（五）自動(dòng)化程度高3D打印是一種完全自動(dòng)的成型過程，只需要在成型