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3D打印:未来航空领域的新宠

2015-10-27 11:26
九一隐士
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  2014年11月24日,NASA在国际空间站上使用3D打印技术成功制造了一个印着“太空制造/NASA”字样的铭牌,这是3D打印在太空的首次应用,无论在人类航天史还是3D打印技术的历史上,都具有里程碑式的意义。

  什么是3D打印

  3D打印技术是近年科技界的热门话题, 这项技术一夜之间在政治、传媒、金融和制造业界掀起了巨大的波澜,人们对这项技术充满了好奇。那么,3D打印技术到底是怎样的呢?

  其实,3D打印是快速成型技术的一种,快速成型技术早在20世纪80年代已经开始广为应用了。快速成型中的添加成型技术和广义的3D打印可以看作一回事,国际上也很喜欢用增材制造的叫法。根据增材制造/3D打印领域领头羊美国的定义,增材制造方法是基于三维CAD模型数据,采用逐层制造方式,通过增加材料直接制造出和CAD数学模型一致的三维实体的制造方法。

  增材制造与传统减材制造的加工方式方向截然相反,这也是3D打印名字的由来。增材制造的特点是分层制造出和数学模型对应的三维实体,从这个角度看3D打印的俗称也恰如其分。不过传统去除材料的制造方式,同样可以引进数字化技术,3D打印技术的核心,还在增材制造的独特制造方式上。3D打印机的工作原理其实和喷墨打印机非常相似,不过区别在于喷墨打印机是根据数字模型喷出墨水,最终一点点涂出对应的二维的图像,而3D打印机喷的不是墨水而是液体或粉末状的打印材料,而且是喷了一层又一层,最终一层层的叠加成对应电脑上数字模型的实物。简而言之,3D打印机和传统2D喷墨打印机的主要区别,其实就是喷“墨”多层打印出三维模型还是单层打印出单层文字图形的区别,在传统喷墨打印方式上增加一个Z轴方向的步进电机及相关的控制器,就成了简单的3D打印机。

  虽然3D打印方式针对批量制造速度又慢,造价又高,不适合工业化大批量生产,但它比传统减材加工方式更适合数字化制造,尤其是适合制造形状复杂、制造数量少的高度定制化产品,不仅在高端工业上有用武之地,也顺应了现代工业品个性化的发展趋势。在普通工业品的批量生产方面,其模具生产采用3D打印技术同样大有可为。

  3D打印的实现方式

  3D打印或者说增材制造,对具体使用的技术并没有明确限定,3D打印技术本身就是一系列技术的集合,常见的3D打印技术包括激光光固化(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、熔融挤压成型(FDM)、分层实体制造(LOM)、三维印刷工艺等,工业生产中还会用到更精密的电子束熔融(EBM)工艺。

  光固化成型是最早的3D打印技术之一,牙病患者对此肯定并不陌生。增材制造的激光光固化技术与补牙用的激光固化相当相似,它们都是用光敏材料为原料,一层层的涂上材料并进行光固化。激光光固化方式中,计算机根据数字模型精确控制激光的扫描路径进行扫描,使对应位置的液态光敏材料固化,一层固化完毕后再涂上一层光敏材料进行下一层的固化,直到整个零件制造完毕。激光光固化技术具有精度高光洁度高的特点,但由于光敏树脂比较贵,适合用于小型精密器件的制造,主要用于精细产品设计的验证,在医疗领域也有所应用。

  选择性激光烧结技术和激光光固化十分相似,主要区别在于它使用的是塑料、碳纤维和金属粉末等固体粉末状材料。简单地说,激光烧结方式中首先将三维数字模型离散为一定厚度和顺序的分层切片,然后提取每层的轮廓并设计对应的激光扫描路径、速度和强度等信息并生成控制程序。到这一步它和光固化还大同小异,接下来就和光固化大相径庭了,激光烧结是将粉末送到工作台基板上,激光器按照预定程序扫描,使固体粉末熔化生成与这一层切片尺寸形状一致的熔覆层,冷却后重复这样的操作,逐层烧结熔覆堆积成对应CAD数字模型的零件。选择性激光烧结和类似的激光熔炼工艺有着无可比拟的优势,不仅可以用于传统难以加工的材料,而且复杂零件制造工序流程比传统工艺大为缩短,还具有机加余量小材料利用率高的特点,此外小批量生产的成本也比传统工艺低得多,在汽车和航空航天领域得到了广泛的应用。

  熔融挤压成型技术作为3D打印技术的一种,与前两种使用激光的技术就要截然不同了,它使用的材料以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酯聚苯塑料等复合材料为主。熔融挤压工艺又称熔丝沉积,它首先也要将三维CAD模型离散分层,塑料线材插入打印头后加热熔化并维持在略高于熔点的温度,程序控制下打印喷头将半流动状态的材料挤压喷出,材料挤出后遇冷凝固,然后通过打印喷头的平面摆动形成对应分层模型轮廓的薄层,如此一层层反复直到整个立体实物成型。熔融挤压成型工艺是桌面级3D打印机的主流工艺之一,在工业生产上也可以用于产品建模和试制,但表面光洁度较差,不太适合生产消费品。

  分层实体制造工艺和以上的3D打印工艺都截然不同,它的最小成型单位是层。具体地说,虽然三维数字模型离散为分层切片的处理都一样,但它使用板状材料,利用激光逐层切割出零件的截面轮廓,随后热压辊热压,两层之间采用粘接胶连接,如此反复直到完成所有截面层的粘接。分层实体制造材料一般使用“纸张”型材料,如果使用的是金属板,各层之间一般使用焊接甚至螺栓连接。分层实体制造工艺主要的特色是适合制造大件实心样件,具有加工速度快加工成本低的特点,但它使用的材料范围较窄,每层厚度大而且不可调,制造出来的零件精度较低。

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