3D打印机的技术原理

再屏2家之挈QILU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY工程训练I大作业-3D打印机的技术原理学院名称 专业班级 学号学生姓名 成绩 2018年03月18日3D打印机的技术原理3D 打印( 3D printing )，是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。运用该技术进行生产的主要流程是：应用计算机软件，设计出立体的加工样式，然后通过特定的成型设备(俗称“ 3D 打印机”)，用液态、粉末、丝状的固体材料逐层“打印”出产品。3D 打印是“增材制造”( Additive Manufacturing )的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上， 使用切割、 磨削、 腐蚀、 熔融等办法，去除多余部分， 得到零部件， 再以拼装、 焊接等方法组合成最终产品。而“增材制造”与之截然不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据， 通过叠加材料的方法生成任何形状的物体， 简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。国际上喜欢用“ Additive Manufacturing (简称AM来表示3D打印技术，国内专业术语是增量制造、增材制造或添加制造。2009年 美 国 ASTM 成 立 了 F42 委 员 会 ， 将 AM 定 义 为 ：“ Process of joining materials to make objects from3d model data,usually layerupon layer,as opposedtosubtractive manufacturingmethodologies. ”即： 一种与传统的材料去处加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD莫型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。目前主流的3D打印技术有：1、SLS激光粉末烧结成型(Selected Laser Sintering );2、3DP三维打E|3 ( 3Dimension Printer )；3、SLA激光光固化(Stereo lithography );4、FDM容融沉积造型(Fused Deposition Modeling )3D打印机的用途，能够实现哪些功能3D打印能够发挥的作用，按照产品设计研发的流程来说：3D 打印不仅仅可以快速制作设计原型，从最初的概念设计到最终产品制造， 3D 打印在产品设计制造的各个环节都具备变革性优势。许多企业在产品设计早期，就会使用 3D 打印设备快速制作足够多的模型用于评估，不仅节省了时间，而且减少了设计缺陷。随着产品设计研发的进展，他们会采用 3D 打印反复制作手板模型用于设计沟通、设计验证、装配测试和宣传展示，以实现产品功能改善、生产成本降低、品质更好、市场接受度提升的目标。在产品小批量试制阶段， 3D 打印为快速打样提供了最佳方案， 3D 打印出来的样品可以用于宣传展示、市场调查、试销售等。而在产品量产环节，也已经有越来越多的企业在采用3D打印方式来加快交付周期、降低个性化定制价格、改善产品交付质量，以及提高生产效率。3D打印能够发挥的作用，按照不同应用行业来说：近年来， 3D 打印技术发展迅速，通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，该技术已成为现代模型、模具和零件制造的有效手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学、文化创意等领域得到了一定应用， 在工程和教学研究等应用领域也占有独特地位。具体应用领域包括：1、工业制造：产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证；制作模具原型或直接打印模具，直接打印产品。 3D 打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。 3D 打印的家用器具模型，也被用于企业的宣传、营销活动中；2、文化创意和数码娱乐：形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影阿凡达运用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艺的水平；3、航空航天、国防军工：复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、机构的直接制造；4、生物医疗：人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等；5、消费品：珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY 作品的设计和制造；6、建筑工程：建筑模型风动实验和效果展示，建筑工程和施工(AEC模拟；7、教育：模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校， 3D 打印机已经被用于教学和科研；8、个性化定制：基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。什么样的三维数据才能够用于 3D打印3D打印的标准数据格式STLSTL( Stereo Lithography Interface Specification ) 格式是目前 3D 打印 / 增材制造设备使用的通用接口格式，是由美国3Dsystems公司于1988年制定的一个接口协议，是一种为 3D打印/ 增材制造技术服务的三维图形文件格式，目前已成为3D打印/增材制 造的事实上的标准格式。STL格式是存储三维模型信息的一种简单方法，它将复杂的数字模型以一系列的三维三角形面片来近似表达。STL模型是一种空 间封闭的、有界的、正则的唯一表达物体的模型，具有点、线、面的几何信息，能够输入给增材制造设备，用于快速制作实物样品。随着增材制造技术的发展和应用，STL文件格式也得到了各CAD/CA瞅件 公司的广泛支持。在医学、自然科学和工程领域里， STL技术也得到 了广泛的应用。利用三维扫描仪等三维数字化工具对物理原型进行多方位三维扫描， 经过点云数据的预处理与优化， 得到物体完整的三维数据模型，对该数据模型进行表面三角形小平面化处理， 类似于有限元的网格划分，即用许多空间三角形面片来逼近CAD莫型，当三角形面片小到一定程度，其近似性可达到工程允许的精度范围内，其数据文件称为STL文件，可以直接输入3D打印/增材制造设备，用于3D打印/增材 制造。STL文件格式化对3D打印/增材制造精度影响3D 打印时，由于要将复杂的三维加工转化为一系列简单的二维加工的叠加，因此，成型精度主要取决于二维（X, Y）平面上的加工 精度，以及高度（Z）方向上的叠加精度。从3D打印机本身而言，可 以将 X、 Y、 Z 三方向的运动位置精度控制在微米级水平，因而能得到 精度相当高的工件。因此，特别在加工复杂的自由曲面及内型腔时，3D打印/增材制造比传统的加工方法表现出更明显的优势。然而影响 工件最终精度的因素不仅有 3D打印机本身的精度，还有一些其它因 素，其中比较重要的是CADJI型的前期处理造成的误差。对于绝大多 数增材制造设备而言，开始成型前，必须对工件的三维CADJI型进行 STL格式化和切片等前期处理，以便得到一系列的截面轮廓。STL格式己成为3D打印行业事实上的通用标准。在计算机数据处理能力足 够的前提下，进行STL格式化时，应选择更小、更多的三角面片，使 之更逼近原始三维模型的表面，这样可以降低由STL格式化所带来的 误差影响。中国3D打印前景展望3D打印机对传统制造业会带来哪些冲击3D 打印产业上游包括材料技术、控制技术、光机电技术、软件技术，中游是立足于信息技术的数字化平台，下游涉及国防科工、航空航天、汽车摩配、家电电子、医疗卫生、文化创意等行业，其发展将会深刻影响先进制造业、 工业设计业、 生产性服务业、 文化创意业、 电子商务业及制造业信息化工程。3D打印机给传统制造业带来的冲击，大致有以下几点：1、 3D 打印技术的发展满足了消费者的需求，将导致工业制造模式的变化相比生产大规模标准化产品的模具制造，3D打印可以在一定约束下随意生产制作个性化产品，可称之为“大规模定制制造模式”，是以互联网为支撑的智能化大规模定制的方式，或者是“分散生产，就地销售”方式，标志着个性化消费时代的到来。从前，消费者都是在店里挑选、购买已经生产好的商品，现在则可以根据各自的需求，在“ 3D 打印店”定制，边生产边体验，及时 获得自己喜欢的产品。2. 3D打印技术具备传统模具制造没有的独特优势3D 打印技术是不受产品结构和形状的限制的，任何复杂的造型和结构，只要有CA喷据，都可以轻松完成，这样就给个性化、定制 化提供了可能性；而且使用3D打印技术，是不需要开模具的，实现了无模化制造， 可使新产品研制的成本下降为传统方式的 1/3-1/5 周期缩短为1/5-1/10。再加上3D打印设备大部分可以实现无人值守、 24 小时不间断加工，也就为厂商节约了人工成本，提高了生产效率。3D 打印的后期辅助加工量大大减小，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度，尤其适合一些高保密性的行业，如军工、核电领域。3D 打印技术“打印”的产品是自然无缝连接的，一体成型，结构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法。3. 3D打印技术符合低碳环保的发展理念“第三次工业革命” 概念的真正兴起和全球化传播， 与全球可持续发展面临的压力息息相关。具体来说：一是至 20 世纪 80 年代， 石油和其他化石能源的日渐枯竭， 及随之而来的全球气候变化给人类的持续生存带来了危机。 二是化石燃料驱动的原有工业经济模式， 不再能支撑全球的可持续发展， 需要寻求一种使人类进入“后碳”时代的新模式。 3D 打印技术适逢其会，以绿色、节能、低碳、环保的全新姿态迅速得到了全球政府和机构的认可和信赖。3D 打印采用的是加法式制造技术，区别与传统的减法式、铣削式制造方式， 基本上是生产多少重量的东西， 所耗费的也就是同等重量的材料， 因此所耗费的材料明显减少； 个性化定制以后也不产生产品库存， 可以在减少碳排放和原材料消耗的前提下， 保持更高的生产效率。3D打印的原材料使用仅为传统生产方式的1/10 ,这在如今资源珍贵的时代无疑具备巨大优势。4. 3D打印能有效促进工业设计产业的发展，而全球制造业未来的竞争在于高附加值的设计环节原先的制造业是生产、 加工环节制约着研发设计环节， 新产品的研制从一开始就需要考虑到最终能否被生产出来；而 3D打印技术对于产品设计没有限制，只要能设计得出来，完成CADt模，任何结构和形状都可以被生产出来， 如此一来， 工业设计方面的创意和能量将被无限释放， 谁具备突出的工业设计能力， 谁就将成为未来全球制造业的领头羊， 创造高额利润。 中国制造业， 如果还是停留在国外设计、国内制造或者来料加工的阶段， 那么未来只能在低附加值的加工制造环节上苦苦挣扎， 因此， 中国政府和制造业的有识之士都已经开始积极呼吁和大力传播3D打印技术，国内的工业设计教育和产业也得到 了越来越多的关注和重视。国内3D打印技术市场现状3D 打印技术在国外已经开始被广泛应用在各领域，帮助人们提高开发效率，降低生产成本，3D打印机已经开始普及开来。而在国内，由于起步较晚，目前还被能够得到广泛普及，主要原因体现在：1、市场培育还有一长段路要走。目前，我国多数制造企业尚未接受“数字化设计”、“批量个性化生产”等先进制造理念，对3D打印这一新兴技术的战略意义认识不足， 不了解到这种新兴技术能够做什么，可以创造多大的价值。2、企业级、专业级的3D打印设备及其材料还比较昂贵，客户接 受程度低。虽然目前市面上已经有一些价格低至几千元的3D打印机，但是这种入门级的3D打印机更多适合个人、发烧友购买使用，很难 用于工业制造、 建设工程等领域， 更别说航空航天和医疗等专业应用了。而专业级的3D打印设备动辄几十万乃至上百万，让许多关注3D打印技术的企业望而却步。3、材料种类还不是足够丰富，也限制了 3D打印技术的推广。尽 管就塑料材料来说，就已经有上百种之多，从弹性的到刚性的，从遇热融化的到耐高温的， 从透明的到不透明的， 从生物相容性的到可铸造的，种类繁多，但是目前依然比不上传统制造所拥有的材料种类。4.三维数字化技术尚未普及，也限制了 3D打印机的市场空间。因为 3D 打印的前提是计算机里面有一个三维数据可供打印，而三维数据的获取和创建对于普通大众来说还是一个技术活。国内专业数字化领域实力最强的是杭州先临三维科技股份有限公司，他们自主研发了多种面向不同应用领域的三维扫描仪， 可以帮助快速获取物体的三维数据，输出的STL数字模型就可以用于3D打印，比起CADt模来 门槛更低、速度更快。目前，现在市面上已经有十几种不同的 3D 打印机成型技术，包括 SLS DMLS FDM SLA DLP FFF MEM LOM EBM SHS 3DP等,不同技术类型的3D 打印机打印出成品所需要的材料是不同的，其中比较成熟的有 SLS FDM SLA LOMfi 3DP等。3.1 SLA (Stereo lithography Appearance)SLA即立体光固化成型法，用特定波长与强度的激光聚焦到光 固化材料(液态光敏树脂原料)表面，使之由点到线，由线到面顺序凝 固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片 的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。图2 SLA技术成型原理图3.2 FDM（ Fused Deposition Modeling ）FDM即熔积成型法，该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、 低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温 度（约比熔点高1C）,在计算机的控制下，喷头作平面运动，将熔 融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后, 喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。图3 FDMK术成型原理图3.3 SLS （SelectiveLaser Sintering ）SLS即选择性激光烧结，具整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成, 工作时粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辐将粉末在成型缸活塞 （工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光 束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层 面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零 件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。对 于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度， 可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。缸修图4 sLs技术成型原理图3.4 3DP (Three-Dimensional Printing )3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。具体工艺过程如下：上一层粘 结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.0130.1mn），供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辐推到成型缸，铺平并被压 实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射 粘结剂建造层面。铺粉辐铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周 而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结由廿一u or 图5 3DP技术成型原理图束后，比较容易去除。3.5 LOM （Laminated Object Manufacturing ）LOM分层实体制造法，又称层叠法成形，它以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，激光切割系统按照计算机提取的横 截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮 廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装 置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘 合，最终成为三维工件。图6 LOM技术成型原理图车辆牌照图像识别算法研究与实现