全面解读3D印刷过程与材料

发布时间:2020-04-23  栏目:澳门新葡萄京娱乐官方网站  评论:0 Comments

摘要:
近几年3D打印成了超前科技的代言词,火遍全球。其实3D打印并不能算是一项新技术,它早在20世纪80年代便已产生,只是因为成本巨大,在最近几年才进军艺术界和工业界,用以制造假肢、汽车零部件、家具和珠宝等。  一、3D打印的工作原理及其应用方向  工作原理  3D打印是添加剂制造技术的一种形式,在添加剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D打印机相对于其他的添加剂制造技术而言,具有速度快,价格便宜,高易用性等优点。3D打印机就是可以打印出真实3D物体的一种设备,功能上与激光成型技术一样,采用分层加工、迭加成形,即通过逐层增加材料来生成3D实体,与传统的去除材料加工技术完全不同。称之为打印机是参照了其技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。  每一层的打印过程分为两步,首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将会被打印成型,打印完毕后只要扫除松散的粉末即可刨出模型,而剩余粉末还可循环利用。  打印耗材由传统的墨水、纸张转变为胶水、粉末,当然胶水和粉末都是经过处理的特殊材料,不仅对固化反应速度有要求,对于模型强度以及打印分辨率都有直接影响。目前的3D打印技术能够实现600dpi分辨率,每层厚度只有0.01毫米,即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。当然受到喷打印原理的限制,打印速度势必不会很快,目前较先进的产品可以实现每小时25毫米高度的垂直速率,相比早期产品有10倍提升,而且可以利用有色胶水实现彩色打印,色彩深度高达24位。  由于打印精度高,打印出的模型品质自然不错。除了可以表现出外形曲线上的设计,结构以及运动部件也不在话下。如果用来打印机械装配图,齿轮、轴承、拉杆等都可以正常活动,而腔体、沟槽等形态特征位置准确,甚至可以满足装配要求,打印出的实体还可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。同时粉末材料不限于砂型材料,还有弹性伸缩、高性能复合、熔模铸造等其它材料可供选择。  发展现状  3D打印,过去在科研、教学或者制造领域被称为快速成型技术。3D打印这个更为形象的叫法快速被大众接受和普及。随着材料科学的快速发展,快速成型技术正在各个领域均有极大延伸,比如打印建筑物、打印汽车、打印人体器官、打印骨骼,而且我们还可以用3D打印机打印自己设计的衣服。我们首先用扫描仪对自己的身体进行一下扫描,这样就能得到我们身材的尺寸,然后通过CAD对扫描数据进行加工和修改,这样我们就可以自己打印出衣服和裤子。  目前美国的3D打印技术较为领先,应用范围更广。而在国内,今年1月份,华中科技大学材料科学与工程学院副院长史玉升带领的团队成功研制出世界上最大的3D立体打印机,并且凭借这一研究成果入选两院院士评选的2011年中国十大科技进展,中国的3D打印正在快速发展,从工业和制造业应用开始朝个人和小型化方向发展。  3D打印的应用领域  食品行业英国埃克塞特大学研究人员,去年推出世界首台3D巧克力打印机。是了,你没有看错。研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来,很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机打印出来的。当然,到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。  建筑设计  在建筑业里,工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型,这种方法快速、成本低、环保,同时制作精美。完全合乎设计者的要求,同时又能节省大量材料。  医疗行业  最近,一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染,因此换上了由3D打印机打印出来的下颚骨,这是世界上首例使用3D打印产品做人体骨骼的案例。  汽车制造业  不是说你的车是3D打印机打印出来的(当然或许有一天这也有可能),而是说汽车行业在进行安全性测试等工作时,会将一些非关键部件用3D打印的产品替代,在追求效率的同时降低成本。  传统制造业  传统制造业也需要很多3D打印产品,因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产,所以制造业利用3D技术能带来很多好处,甚至连质量控制都不再是个问题。  科学研究  美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描,利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型,不但保留了原化石所有的外在特征,同时还做了比例缩减,更适合研究。  产品原型  比如微软的3D模型打印车间,在产品设计出来之后,通过3D打印机打印出来模型,能够让设计制造部门更好的改良产品,打造出更出色的产品。  文物保护  博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害,同时复制品也能将艺术或文物的影响传播给更多的人。最近史密森尼博物馆就因为原始的托马斯。杰弗逊要放在弗吉尼亚州展览,所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。  配件、饰品  这是最广阔的一个市场。在未来不管是你的个性笔筒,还是有你半身浮雕的手机外壳,抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指,都有可能是通过3D打印机打印出来的。甚至不用等到未来,现在就可以实现。  3D打印其实就是一种快速成形制造技术,那么理论上3D打印就可以应用于国民经济体系中任何与制造有关行业,但是由于受到原材料和打印机价格等方面因素的制约,目前3D打印主要在以下几个方面有着广泛的应用:1、工业企业新产品设计、试制及快速打印成形。2、个性化产品设计及快速打印制造;3、各种创意产品、玩具、礼物、文物、动漫游戏角色及人物模型等克隆复制;4、3D照相馆;5、医疗行业人体器官、医疗器械打印;6、建筑模型制作;7、教育、科研、军事等行业的应用。我们仔细观察这些领域,会发现一个共同点,那就是需要快速制造。在新产品的研发过程中,样品的设计不可能先制造出生产机器,再去制造出样品,这样不仅会耗时耗力,而且一旦产品的研制出现问题,那么就会造成钱财的浪费,同时这样的生产周期很长。而3D打印则很好的解决了这个问题,首先样品的制造速度很快,不用等上很长时间。其次,即使产品研发失败也不会造成很大的损失。  二、3D打印的发展前景  对于3D打印的发展前景这个话题的论述,我们需要了解3D打印的具体有哪些特点和优势,其次我们还需要分析3D打印目前在市场上的反应如何。  3D打印的技术的长处  1、制造速度快。3D打印机技能是并行工程中进行杂乱原型或许零件制造的有用手法,能使商品描绘和模具出产同步进行,然后进步公司研制功率,缩短商品描绘周期,极大的降低了新品开发的本钱及危险,关于外形尺寸较小,异形的商品特别适用。  CAD/CAM技能的集成描绘制造一体化一向来说是如今的一个难点,计算机辅佐技能(CAPP)在现阶段因为还无法与CAD、CAM?彻底的无缝对接,这也是制约制造业信息化一向以来的难点之一,而快速成型技术能集成CAD、CAM、激光技能、数控技能、化工、资料工程等多项技能,使得描绘制造一体化的概念完满完结。彻底再现三维作用通过疾速成型制造完结的零部件,彻底实在的再现三维外型,无论外表面的异形曲面仍是内腔的异形孔,都能够实在准确的完结外型,基本上不再需求再凭借外部设备进行修正  2、资料品种繁复。到当前为止,各类3D打印机设备上所运用的资料品种有许多,树脂、尼龙、塑料、白腊、纸以及金属或陶瓷的粉末,基本上满意了绝大多数商品对资料的机械功用需求。发明明显的经济效益与传统机械加工办法比拟,开发本钱上节省10倍以上,相同,疾速成型技能缩短了公司的商品开发周期,使的在新品开发进程中呈现重复修正描绘方案的疑问大大削减,也基本上消除了修正模具的疑问,发明的经济效益是清楚明了的。  3、运用职业范畴广泛。3D?打印通过这些年的开展,已基本上构成了一套体系,相同,可运用的职业也逐步扩展,从商品描绘到模具描绘与制造,资料工程、医学研讨、文化艺术、修建工程等等都逐步的运用3D打印,使得3D?打印有着宽广的远景。  3D打印技术的未来  根据目前3D打印的现状和其优势以及技术特点,我们可以做出以下的判断:未来3D打印会朝着两端发展:激光技术适合更复杂的生产,而熔融技术则更适合家用和小规模的制造。总的来看,中国3D打印产业化的条件已经成熟,未来几年将是市场扩展的成长期。可以对3D打印的发展趋势做出预见:3D打印既是制造业,更是服务业。近中期,将会与传统的制造技术形成互补。相较于传统生产方式,3D打印技术的确是重大的变革,但目前和近中期还不具备推动第三次工业革命的本领,也不会是传统制造业的终结者。3D打印技术虽然也许会重振部分发达国家制造业竞争力,但是短期内还难以颠覆整个传统制造业模式。从长期来看,3D打印技术其实就是颠覆性、破坏性的技术。当前,3D打印技术的应用迄今被局限于利基市场(Niche
Market,即高度专门化的需求市场)或细分市场(Market
Segmentation),如医疗或模具。但根据克里斯滕森的理论,颠覆性技术会不断发展,以低成本满足较高端市场的需要,然后采取农村包围城市的方式逐步夺取天下。尽管3D打印主要适用于小批量生产,但是其打印的产品可以远远优于传统制造业生产的产品更轻便、更坚固、定制化、直接组装成型。3D打印的另一个颠覆性特征是:单台机器能创建各种完全不同的产品。而传统制造方式需要改变流水线才能完成定制生产,其过程需要昂贵的设备投资和长时间的工厂停机。不难想象,未来的工厂可以用同一个车间的3D打印机既制造茶杯,又制造汽车零部件和量身定制的医疗产品。  3D打印可以在提升工业领域的产品开发水平的同时有助于攻克技术难关,可以提高工业设计能力,可以生产出复杂、特殊、个性化产品,可以形成新的经济增长点,促进就业3D打印技术显示出巨大的潜在优势。未来的3D打印将在民用和工业应用两方面获得不可思议的进展。未来3D打印机生产的产品将无孔不入。从长远看,这项技术应用范围之广将超乎想象,最终将给人们的生产和生活方式带颠覆式的改变。

3D 打印机及其工作原理浅谈

3D
打印是添加剂制造技术的一种形式,在添加剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D
打印机相对于其他的添加剂制造技术而言,具有速度快,价格便宜,高易用性等优点。3D
打印机就是可以打印出真实3D
物体的一种设备,功能上与激光成型技术一样,采用分层加工、迭加成形,即通过逐层增加材料来生成
3D
实体,与传统的去除材料加工技术完全不同。称之为打印机是参照了其技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。3D
打印技术在珠宝首饰、
鞋类、工业设计、建筑、汽车、航天、牙科及医疗方面都能得到广泛的应用。

打印步骤

每一层的打印过程分为两步,首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将会被打印成型,打印完毕后只要扫除松散的粉末即可刨出模型,而剩余粉末还可循环利用。打印耗材由传统的墨水、纸张转变为胶水、粉末,当然胶水和粉末都是经过处理的特殊材料,不仅对固化反应速度有要求,对于模型强度以及打印分辨率都有直接影响。

技术水平

目前的 3D 打印技术能够实现 600dpi 分辨率,每层厚度只有 0.01
毫米,即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。当然受到喷打印原理的限制,打印速度势必不会很快,目前较先进的产品可以实现每小时
25 毫米高度的垂直速率,相比早期产品有 10
倍提升,而且可以利用有色胶水实现彩色打印,色彩深度高达 24
位。由于打印精度高,打印出的模型品质自然不错。除了可以表现出外形曲线上的设计,结构以及运动部件也不在话下。

如果用来打印机械装配图,齿轮、轴承、拉杆等都可以正常活动,而腔体、沟槽等形态特征位置准确,甚至可以满足装配要求,打印出的实体还可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。同时粉末材料不限于砂型材料,还有弹性伸缩、高性能复合、熔模铸造等其它材料可供选择。不过,虽然
3D
打印机价格在不断降低,很多厂商、设计院、大学等都开始或准备配备,但产品价格依然较高。3D
Systems 推出的新款 InVision LD 入门级桌面型产品价格为 1.59 万美元,而 Z
Corporation 出品的中端型号 Z510 要价 10 万美元。好在 3D
打印机的耗材成本并不夸张,例如打印手机模型,大概花费 20
美元材料费,比起其它成型技术成本要低得多。

印刷材料

3D打印所用到的印刷油墨类型极广,甚至可利用3D打印机打印出一个和自己笑脸一模一样的巧克力:首先,通过3D建模软件,如123D或者Photofly,将iPhone或普通卡片机中的照片转换成3D图像数据,上传到电脑后,就拥有了自己的三维设计图。油墨则是液态巧克力,把巧克力融化后,装进打印机中的储存器,按下打印键,打印机就会根据图像数据把液态巧克力一层层堆叠成你的笑脸形状。每层巧克力打印出来后,必须经过凝固才开始下一层打印,加装保温和冷却系统即可保证巧克力的粘稠度和温度。

在原材料领域,Xerox
PARC公司还正在研发传感器、晶体管等电子产品的打印材料,一旦成功,将意味着消费者可以自行设计打印手机或者MP3等。应用软件领域,工程师和程序员不时共享代码和设计,越来越多免费开源软件的出现,降低了3D打印的设计成本,如123D、OpenSCAD、Tinkercard等。

3D印刷优势

相比传统制造工艺,3D打印技术有两个优点,一是节省原材料和人工。由于采用添加制造技术,它的用料只有原来的1/3到1/2,打印速度却快4倍。同时因省却生产线和一部分组装过程,可降低人工成本。第二个优点是可以制作形态各异的物品。理论上,只要电脑可以设计出的造型,3D打印机都可以打印出来,2011年在加拿大展出的3D打印汽车Urbee,即以其时尚前卫的流线型外观吸引了众多关注。

3D打印技术的局限主要体现在材料上,目前打印材料主要是塑料、树脂和金属,骨骼等有机原料的研究也正在进行并有了初步成果。受材料限制,3D打印最初的应用局限在建模和工业设计领域。但如今,3D打印技术逐渐开始被用于生产环节。它适用于小批量加工,由于不需要模具,对产品的修改不会增加额外成本,只需修改设计图即可。这也意味着,小批量个性化定制的成本被降低。未来,定制个性化的家具、食品、工艺品等商品将变得更加划算。

三年前尚处于技术前沿的3D打印如今已成制造业中的新兴战略领域。2012年8月,美国总统奥巴马拨款3000万美元,在俄亥俄州建立了国家级3D打印添加剂工业研究中心,并计划第一步投入5亿美元用于3D打印,以确保美国制造业不继续转移到中国和印度。长期跟踪3D打印行业的咨询公司Wohlers
Associates表示,2011年,3D打印机的市场规模为17亿美元左右,到2015年该市场将达37亿美元。

关键词:3D印刷技术

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