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解析3D打印技术及发展前景

导读: 3D打印即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。

 3D打印快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。

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3D打印历史

·1986年,Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机。

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·1993年,麻省理工学院获3D印刷技术专利。

·1995年,美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机

·2005年,市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。

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·2010年11月,世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。

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·3D打印图片2011年6月6日,发布了全球第一款3D打印的比基尼。

·2011年7月,英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。

·2011年8月,南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。

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·2012年11月,苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。

·2013年10月,全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。

·2013年11月,美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”(SolidConcepts)设计制造出3D打印金属手枪。

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·2017年1月16日,科技公司Bellus 3D可完整拍下高分辨率的人脸3D照片,这些照片进行3D打印出的面具与真正的人脸。

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·2017年4月7日,德国运动品牌阿迪达斯(adidas)推出了全球首款鞋底3D打印制成的运动鞋,计划2018年开始批量生产,以应对快速变化的时尚潮流,生产更多定制产品。

3D打印类型一览表

  

常用技术技术介绍

1、熔融沉积造型(Fused deposition modeling,FDM):FDM加热头把热熔性材料(ABS树脂、尼龙、蜡等)加热到临界状态,使其呈现半流体状态,然后加热头会在软件控制下沿CAD 确定的二维几何轨迹运动,同时喷头将半流动状态的材料挤压出来,材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层。

  

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2、光固化立体造型(Stereolithography,SLA):SLA 光固化设备也会在开始“打印”物体前,将物体的三维数字模型切片。然后电脑控制下,紫外激光会沿着零件各分层截面轮廓,对液态树脂进行逐点扫描。被扫描到的树脂薄层会产生聚合反应,由点逐渐形成线,最终形成零件的一个薄层的固化截面,而未被扫描到的树脂保持原来的液态。

当一层固化完毕,升降工作台移动一个层片厚度的距离,在上一层已经固化的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂,用以进行再一次的扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上,如此循环往复,直到整个零件原型制造完毕。

SLA 工艺的特点是,能够呈现较高的精度和较好的表面质量,并能制造形状特别复杂(如空心零件)和特别精细(如工艺品、首饰等)的零件。

  

3、选择性激光烧结(SLS):先将一层很薄(亚毫米级)的原料粉未铺在工作台上,接着在电脑控制下的激光束通过扫描器以一定的速度和能量密度,按分层面的二维数据扫描。激光扫描过的粉末就烧结成一定厚度的实体片层,未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。

一层扫描完毕,随后对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度升降工作台,铺粉滚筒再次将粉末铺平,然后再开始新一层的扫描。如此反复,直至扫描完所有层面。去掉多余粉末,再经过打磨、烘干等适当的后处理,即可获得零件。

目前应用此工艺时,以蜡粉末及塑料粉末作为原料较多,而用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺尚未实际应用。

  

4、层片叠加制造(Laminated object manufacturing,LOM):在层片叠加制造工艺中,机器会将单面涂有热溶胶的箔材通过热辊加热,热溶胶在加热状态下可产生粘性,所以由纸、陶瓷箔、金属箔等构成的材料就会粘接在一起。接着,上方的激光器按照CAD 模型分层数据,用激光束将箔材切割成所制零件的内外轮廓。然后再铺上新的一层箔材,通过热压装置将其与下面已切割层粘合在一起,激光束再次切割。然后重复这个过程,直至整个零部件打印完成。

不难发现,LOM 工艺还是有传统切削的影子。只不过它不是用大块原材料进行整体切削,而是将原来的零部件模型分割为多层,然后进行逐层切削。北京太尔时代最开始研发的3D 打印机也是LOM 工艺的3D 打印机,不过因为采用纸作为原料,用激光切割存在点燃风险,且应用受限,所以太尔时代后来转而主攻FDM 工艺。

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5、三维印刷工艺(3D printing,3DP):从工作方式来看,三维印刷与传统二维喷墨打印最接近。与SLS 工艺一样,3DP 也是通过将粉末粘结成整体来制作零部件,不同之处在于,它不是通过激光熔融的方式粘结,而是通过喷头喷出的粘结剂。

喷头在电脑控制下,按照模型截面的二维数据运行,选择性地在相应位置喷射粘结剂,最终构成层。在每一层粘结完毕后,成型缸下降一个等于层厚度的距离,供粉缸上升一段高度,推出多余粉末,并由铺粉辊推到成型缸,铺平再被压实。如此循环,直至完成整个物体的粘结。

  

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3D打印概况表 

3D打印常见问题及解决方式

一、3D模型打印出现层错位

解决方式:1、切片模型错误。2.喷头移动太快。3.打印中途喷嘴被强行阻止路径。4.电压不稳。5.机械问题。6.主板问题。

二、大象脚(当模型的最底层向外微微凸出,这种现象则称为“象脚”)  

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解决方式:1、平衡打印平台温度和风扇转速。2、打印平台调平。3、检查喷嘴高度。4、倒角的模型设计。

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