3D打印技术进展

3D打 印 技 术 目录1.概述2.典型技术分析3.打印材料的制备4.总结 1.概述 3D打 印 技 术 的 核 心 思 想 最 早 起 源 于 19世 纪 末 的 美 国 ， 当 时 进 行的 是 照 相 雕 塑 和 地 貌 成 型 技 术 研 究 。 到 20世 纪 80年 代 中 期 已 有雏 形 ， 1986年 美 国 人 Charles Hull发 明 了 第 一 台 3D 打 印 机 。3D打 印 这 个 名 词 也 是 由 麻 省 理 工 学 院 在 1995年 创 造 的 。 我 国 从 1991年 开 始 研 究 3D打 印 技 术 。 90年 代 末 期 ， 大 家 开 始 研究 金 属 材 料 快 速 成 形 技 术 ， 但 难 度 很 大 。 2000年 前 后 ， 这 些 工艺 从 实 验 室 研 究 逐 步 向 工 程 化 、 产 品 化 转 化 。 当 时 叫 快 速 原 型 技 术 （ RP） ， 即 开 发 样 品 之 前 的 实 物 模 型 。 现在 也 有 叫 快 速 成 型 技 术 ， 增 材 制 造 。 但 为 便 于 公 众 接 受 ， 把 这种 新 技 术 统 称 为 3D 打 印 。 2012年 4月 ， 英 国 经 济 学 人 刊 文 认 为 ， 3D打 印 技 术 将 与 其 他数 字 化 生 产 模 式 一 起 ， 推 动 第 三 次 工 业 革 命 的 实 现 。背景 1.1 涵义及原理 3D打 印 技 术 是 指 由 数 字 模 型 （ CAD） 直 接 驱 动 的 ， 运 用 金 属 、 塑料 、 陶 瓷 、 树 脂 、 蜡 、 纸 、 砂 等 可 粘 合 材 料 ， 在 快 速 成 形 设 备里 通 过 逐 层 叠 加 的 方 式 来 构 造 物 理 实 体 的 技 术 。什 么 是 3D打 印 技 术 ？ 3D打印技术机械工程控制工程光学 热学软件材料科学涉 及 领 域 不 同 种 类 的 快 速 成 型 系 统 因 所 用 成 形 材 料 不 同 ， 成 形 原 理 和 系统 特 点 也 各 有 不 同 。 但 都 是 基 于 离 散 堆 积 原 理 分 层 制 造 ，逐 层 叠 加 。基 本 原 理基 本 流 程设 计 三 维模 型 把 三 维 数字 模 型 离散 为 面 、线 和 点 再 通 过 3D 打 印 设 备分 层 堆 积 三 维的 实物 1.2 组成主要指3D打印机3D打印设备辅助设计人员制作产品的三维数字模型，并根据模型自动分析出打印的程序， 自动控制打印机和材料的操作。设计与控制软件 原材料必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来， 并具有合格的物理、 化学性能。打印材料 3D打 印 机 是 3D打 印 的 核 心 装 备 。 它 是 一 种 利 用 光 固 化 和 纸 层 叠等 技 术 的 快 速 成 型 装 置 。 它 与 普 通 打 印 机 工 作 原 理 基 本 相 同 ，打 印 机 内 装 有 液 体 或 粉 末 等 “ 打 印 材 料 ” ， 与 电 脑 连 接 后 ， 通过 电 脑 控 制 把 “ 打 印 材 料 ” 一 层 层 叠 加 起 来 ， 最 终 把 计 算 机 上的 蓝 图 变 成 实 物 。3D打 印 机 3D打印机喷射系统成型环境子系统数控系统高精度机械系统 3D打 印 材 料 基 本 上 可 以 分 为 高 分 子 材 料 和 金 属 材 料 两 大 类 。 高分 子 材 料 如 光 敏 树 脂 、 ABS、 PC、 尼 龙 粉 、 石 膏 粉 、 蜡 等 是 打印 主 力 材 料 ； 金 属 材 料 受 工 艺 及 自 身 特 性 局 限 ， 应 用 并 不 广 泛 。打 印 材 料 1.3 类型 3D打 印 有 很 多 种 工 艺 ， 如 直 接 金 属 激 光 烧 结 （ DMLS） 、 数 字光 处 理 （ DLP） 、 熔 丝 制 造 (FFF） 、 融 化 压 膜 （ MEM） 、 分 层实 体 制 造 （ LOM） 、 电 子 束 熔 化 成 型 （ EBM） 、 选 择 性 热 烧 结（ SHS） 、 粉 末 层 3D打 印 （ PP） 等 等 。3D打 印工 艺 分 层 实 体 制 造 LOM立 体 光 固 造 型 SLA选 择 性 激 光 燃 结SLS 熔 融 沉 积 成 型 FDM 打印紫外光照射固化的液体，精度可以达到每层厚度 (0.050.15) mm。在高强度激光照射下将粉末材料烧结在一起形成物体截面。将高温熔化成液态的材料通过喷嘴挤压出一个个很小的球状颗粒， 这些颗粒喷出后立刻固化并逐层形成物体。用激光切割一个薄层，然后一层层叠加。 1.4 特点及适用场合 3D打 印 技 术 处 理 的 是 计 算 机 模 型 ， 人 们 能 设 计 出 全 新 的 形 状 而 不用 考 虑 制 造 上 可 能 存 在 的 局 限 性 ； 它 无 需 机 械 加 工 或 制 造 出 任 何 磨 具 ， 就 能 直 接 从 计 算 机 图 形 数 据中 生 成 零 件 ； 可 缩 短 产 品 研 制 周 期 与 加 工 流 程 ， 提 高 生 产 率 ； 可 提 高 材 料 利 用 率 ， 降 低 成 本 ； 还 可 以 通 过 不 同 的 定 制 ， 满 足 人 们 个 性 化 需 求 。3D打 印 是 以 数 字 化 、 网 络 化 为 基 础 ， 以 个 性 化 、 短 流 程 为 特 征 ， 实现 直 接 制 造 、 桌 边 制 造 和 批 量 定 制 。优点适用场合3D打印技术特别适用于单件小批量生产，形状复杂，多层嵌套和具有空腔结构的零件或物体的制造。 1.5 应用领域 近 年 来 ， 3D打 印 技 术 发 展 迅 速 ， 在 各 领 域 都 取 得 了 长 足 发 展 ， 已成 为 现 代 模 型 模 具 和 零 部 件 制 造 的 有 效 手 段 。 目 前 主 要 应 用 于 汽车 、 航 天 军 工 、 家 电 、 船 舶 、 医 疗 、 影 视 、 食 品 、 创 意 等 领 域 。2 0 .3 0 % 1 0 .8 0 %1 2 .1 0 %1 9 .5 0 %5 .3 0 %3 .0 0 %6 .0 0 %8 .0 0 % 1 5 .1 0 % 消 费 电 子 产 品 工 业 /商 业 机 器 飞 行 器机 动 车 其 他 建 筑政 府 /军 事 学 术 研 究 医 疗 /口 腔 医 学 2011年 ， 英 国 科 学 家 利 用 3D打 印 技 术 打 印 了 一 辆 可 以 骑 行 的 自行 车 ， 这 辆 尼 龙 自 行 车 重 量 只 有 普 通 钢 铝 自 行 车 的 1/3， 但 坚 固度 毫 不 逊 色 。 2011年 底 ， 英 国 南 安 普 顿 大 学 打 印 了 一 架 翼 展 2米 、 最 高 时 速 可达 160公 里 的 无 人 驾 驶 小 飞 机 。 苏 格 兰 科 学 家 使 用 人 类 细 胞 打 印 出 了 世 界 上 第 一 个 人 造 肝 脏 组织 。 西 北 工 业 大 学 凝 固 技 术 国 家 重 点 试 验 室 可 一 次 打 印 超 过 5m的 钛合 金 飞 机 部 件 ,2014年 投 产 的 国 产 客 机 C919制 造 翼 梁 。 歼 -15主 承 力 整 体 框 等 很 多 部 件 就 是 钛 合 金 和 M100钢 3D打 印 的 ，目 前 中 国 先 进 战 斗 机 上 3D打 印 部 件 所 占 比 例 已 超 20%。 国产客机C919制造翼梁歼15战斗机 巧克力茶杯 2.典型技术分析 把 材 料 用 高 温 熔 化 成 熔 融 状 态 ， 然 后 通 过 细 小 的 喷 嘴 挤 压 并 排列 填 充 出 一 个 截 面 ， 一 层 一 层 截 面 在 堆 叠 起 来 形 成 三 维 实 物 。2.1 熔 融 沉 积 成 型 FDM基 本 原 理特 点 优 点 ： 成 型 机 结 构 简 单 ， 成 本 低 ， 材 料 广 泛 ， 强 度 较 高 ， 可 以彩 色 成 型 ， 无 环 境 污 染 ； 缺 点 ： 成 型 的 精 度 稍 差 ， 成 型 表 面 较 粗 糙 ， 操 作 温 度 较 高 。打 印 材 料 通 常 为 热 缩 性 高 分 子 ， 如 ABS、 聚 酰 胺 、 聚 酯 、 聚 碳 酸 酯 、 聚乙 烯 等 。 FDM工 艺 的 主 要 技 术 指 标 是 原 型 精 度 和 成 型 时 间 。 影 响 精 度 误 差的 原 因 主 要 有 以 下 几 方 面 ：技 术 指 标精度误差CAD模型前处理喷头导致的误差材料收缩成形过程中的层差FDM工艺参数设置 为 了 获 得 高 精 度 的 FDM原 型 , 一 方 面 要 通 过 试 验 研 究 FDM工 艺 的 参 数 优化 ； 另 一 方 面 就 是 在 加 工 前 数 据 处 理 时 要 给 予 精 确 的 补 偿 。通过大量研究及实验验证，可知影响原型精度和成型时间的最主要的因素有以下几种： 原 材 料 的 变 化喷 头 结 构成 形 过 程 中 的 层 差材料相变时的收缩应力应变影响精度为提高精度，应减小材料的收缩率，最基本的方法是设计时考虑收缩量进行尺寸补偿。传统开关转阀响应速度慢惯性的作用使多余的残料继续挤出可改为螺杆结构，或电磁阀式结构。相邻两层轮廓不同时成形轨迹不同上下层之间约束不一致复杂的应力和应变试验表明，基于分形扫描的路径可以减少层层之间应力，从而减少层差。挤 出 速 度 填 充 速 度 挤出速度和填充速度越快，成型时间越短。为了保证连续平稳地出丝，需要将挤出速度和填充速度进行合理匹配。 影响因素影响说明分层厚度喷嘴直径分层厚度较小、喷丝较细时，原型精会较高，但成型时间较长。为保证上下层牢固粘结，分层厚度需小于喷嘴直径。喷头温度环境温度影响成形件的热应力大小。如喷头温度太低 , 则材料粘度加大，造成喷嘴堵塞，材料层间粘结强度降低。为了顺利成形，应该把成形室的温度设定为比挤出丝的熔点温度低 12。理想轮廓 线的补偿量理想轮廓补偿量设置不合理直接影响成形件的尺寸和几何精度。应依据挤出丝截面的宽度来进行补偿。 2.2 选择性激光烧结SLS 工 艺 参 数 与 成 形 质 量 之 间 的 关 系 是 SLS技 术 的 研 究 热 点 ， 国 内对 此 进 行 了 大 量 的 研 究 。 而 由 于 烧 结 过 程 的 复 杂 性 ， 进 行 实 时观 察 比 较 困 难 ， 因 此 ， 人 们 为 了 更 好 的 理 解 烧 结 过 程 ， 对 烧 结过 程 也 进 行 了 一 定 量 的 研 究 。基 本 原 理先把粉末材料铺好，再用高强度的红外激光扫描，将零件截面内的粉末烧结在一起，通过一层一层烧结，最终成型。特 点优点：成型材料十分广泛，加工速度快，且无需使用支撑材料，打印物体结实；缺点：成型产品表面较粗糙，需后处理。 主要是金属粉末、陶瓷、石蜡、塑料以及它们的复合粉末等打 印 材 料 由铺粉辊将粉末均匀铺在成型缸活塞上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，直到三维零件成型基 本 流 程 3.打印材料的制备 目 前 3D打 印 材 料 主 要 类 型 是 塑 料 ， 液 态 树 脂 和 金 属 粉 末 。 在 家 用 领 域 ， 有 石 膏 、 光 敏 树 脂 、 塑 料 等 ； 在 工 业 应 用 中 ， 适 用 的 金 属 材 料 只 有 10余 种 。 在 航 空 航 天 等 隐 性 材 料 上 ， 打 印 材 料 逐 渐 向 碳 化 硅 复 合 材 料 、高 介 电 陶 瓷 等 超 颖 材 料 发 展 。 此 外 纳 米 材 料 在 3D打 印 技 术 中 也有 很 大 的 优 势 。 3D打 印 金 属 材 料 主 要 用 的 韧 性 好 的 不 锈 钢 和 钛 合 金 。 3.1 高分子粉末材料的制备 高 分 子 材 料 具 有 粘 弹 性 ， 在 常 温 下 粉 碎 时 ， 产 生 的 粉 碎 热 会 增 加 其 粘 弹性 ， 使 粉 碎 困 难 ， 同 时 被 粉 碎 的 粒 子 还 会 重 新 粘 合 而 使 粉 碎 效 率 降 低 ，甚 至 会 出 现 熔 融 拉 丝 现 象 ， 因 此 不 能 用 常 规 粉 碎 法 。低 温 粉 碎 法基本原理：在低温下高分子材料有一脆化温度Tb，当温度低于Tb时，物料变脆，有利于采用冲击式粉碎方式进行粉碎。低温粉碎法正是利用高分子材料的这种低温脆性来制备粉末材料的。 适用材料：常见的高分子材料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚酯等都可采用低温粉碎法制备粉末材料。制 备 微 米 级 高分 子 粉 末 方 法溶剂沉淀法低温粉碎法 制 备 高 分 子 粉 末 材 料 时 ， 首 先 将 原 料 冷 冻 至 液 氮 温 度 （ -196 ） ，将 粉 碎 机 内 部 温 度 保 持 在 合 适 的 低 温 状 态 ， 加 入 冷 冻 好 的 原 料 进行 粉 碎 。 粉 碎 温 度 越 低 ， 粉 碎 效 率 越 高 ， 制 得 的 粉 末 粒 径 越 小 ，但 制 冷 剂 消 耗 量 大 。可根据原料性质而定，对于脆性较大的原料如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯类，粉碎温度可以高一些，而对韧性较好的原料如聚碳酸酯、尼龙、ABS 等则应保持较低的温度。粉碎温度的确定低温粉碎法工艺较简单，能连续化生产；但需专用深冷设备，投资大，能量消耗大。而且制备的粉末颗粒形状不规则，粒度分布 较宽。特点 基 本 原 理 ： 溶 剂 沉 淀 法 是 将 聚 合 物 溶 解 在 适 当 的 溶 剂 中 ， 然 后采 用 改 变 温 度 或 加 入 第 二 种 非 溶 剂 等 方 法 使 聚 合 物 以 粉 末 状 沉淀 出 来 。 适 用 材 料 ： 特 别 适 合 于 具 有 低 温 柔 韧 性 的 高 分 子 材 料 ， 这 类 材料 较 难 低 温 粉 碎 ， 细 粉 收 率 很 低 ， 如 尼 龙 。溶 剂 沉 淀 法尼龙 12 粉末制备工艺 制 备 的 粉 末 微 粒 形 状 接 近 于 球 形 ， 可 以 通 过 控 制 工 艺 条 件 生 产出 所 需 细 度 的 粉 末 。 一 般 来 说 ， 溶 剂 的 用 量 越 大 ， 粉 末 粒 径 越小 。 3.2 金属粉末的制备机械研磨法利用金属颗粒在不同应变速率下因产生变形而破碎细化的机理。 其优点是对物料的选择性不强可以进行多种金属及合金的粉末制备。气流粉碎是利用气流的能量使物料颗粒发生相互碰撞或与固定板碰撞而粉碎。适用于脆性金属及其氧化物粉末的制备，工艺成熟，但在金属粉末的生产过程中 消耗大量的惰性气体或氮气 。金属粉末制备方法物理法溶胶凝法机械合金化法雾化法机械法机械研磨法冷气流粉碎法化学法电解法气相沉积法氧化还原法 雾 化 法 将 作 为 芯 核 颗 粒 的 金 属 (或 合 金 ) 非 金 属 、 陶 瓷 粉 末 与 另 一 种 熔融 的 金 属 或 合 金 熔 体 混 合 熔 体 用 高 速 流 体 (通 常 用 水 空 气 氩 气 等 )对 其 进 行 雾 化 制 得 金 属 粉 末 和 复 合 粉 末 。 机 械 合 金 化 是 通 过 两 种 或 两 种 以 上 的 金 属 或 非 金 属 粉 体 的 球 磨 在 固 态 下 完成 固 相 反 应 和 相 变 获 得 细 晶 合 金 粉 体 目 前 机 械 合 金 化 广 泛 用 于制 备 纳 米 晶 准 晶 金 属 间 化 合 物 和 非 晶 合 金 等 亚 稳 材 料 。 化 学 气 相 沉 积 是 在 热 、 光 和 等 离 子 体 等 的 激 活 和 驱 动 下 使 气 态 物 质 在 气 相 或气 固 界 面 上 发 生 化 学 反 应 从 而 制 得 稳 定 固 态 沉 积 物 。 溶 胶 凝 胶 法 用 于 超 细 粉 体 表 面 包 覆 粒 子 的 制 备 ， 包 覆 用 溶 胶 的 制 备 和 包 覆层 的 制 备 。 将 所 需 包 覆 的 颗 粒 分 散 于 所 制 备 的 溶 胶 中 ， 再 在 一定 的 反 应 条 件 下 完 成 凝 胶 化 即 可 在 颗 粒 表 面 形 成 所 需 的 包 覆 层 。 4.总结 3D打 印 技 术 虽 然 在 近 20年 发 展 非 常 迅 速 ， 但 是 目 前 还 有 许 多 困难 。成本偏高打印零件的尺寸有局限可打印材料种类偏少，某些特殊材料较难打印；精度和速度的限制，比如照相机镜头等需要超高精度的 零件无法加工缺乏行业与技术标准和知识产权保护机制发 展 瓶 颈 3D打 印 设 备 将 会 朝 着 智 能 化 、 快 速 化 、 精 密 化 、 通 用 化 方 向 发展 ， 这 将 对 打 印 速 度 与 精 度 提 出 更 高 的 要 求 ， 同 时 对 于 多 学 科 、多 机 构 的 协 调 与 创 新 提 出 一 定 的 要 求 。 打 印 材 料 将 会 从 树 脂 到 金 属 材 料 ， 再 到 陶 瓷 材 料 ， 直 到 生 物 活性 材 料 发 展 。 技 术 应 用 将 从 快 速 原 型 ， 过 渡 到 产 品 开 发 ， 再 到 形 状 复 杂 ， 小批 量 制 造 阶 段 发 展 。 制 造 对 象 也 将 向 日 常 消 费 品 制 造 ， 生 物 制 造 ， 功 能 件 制 造 如 飞机 的 起 落 架 等 复 杂 零 件 ， 个 性 化 制 造 方 向 发 展 。 即 3D打 印 技 术 将 朝 着 成 本 低 廉 ， 零 件 适 应 性 广 ， 材 料 适 应 性 广的 方 向 发 展 ， 并 且 在 打 印 速 度 和 打 印 质 量 方 面 有 很 大 的 提 高 。发 展 方 向 参考文献1 Jack G. 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