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3D打印:崛起中的智能制造方式

2017-03-08 10:02
FlappyBird
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制造技术大致可分为三种方式。其一是减材制造,是指利用刀具或电化学的方法,去除不需要的材料,剩下的部分即是所需要的产品。其二是等材制造,是指利用模具控形,将液体或固体材料变为所需要的产品。这两种方法是传统的制造方法,例如铸造技术从三千多年前的青铜器时代就开始使用。其三是近30年发展起来的3D打印技术,学名为增材制造,它是用材料逐层累积制造物体的方法。

1、技术原理

美国材料与测试协会增材制造技术委员会(ASTMF42)对增材制造的定义是:一种与减材制造相反,根据三维数据把材料集中一体的生产过程。按照这一权威定义,增材制造必须由数据驱动。3D打印技术是一系列增材制造技术的统称,其基本原理都是叠层制造,即由快速原型机在X-Y轴坐标方向生成目标物体的截面形状,然后在Z轴坐标间断地作层面厚度的位移,最终形成三维制件。而在人类历史的大部分时间里,我们通过切割原料或通过模具成型制造新的实体物品,例如铸造(等材制造)或切削钻孔(减材制造)。

大多数人第一次听到3D打印时,他们就想到了传统的桌面打印机。3D打印其实和传统打印非常相似,都是由数据驱动硬件完成打印。通常来说,人们使用传统技术的喷墨打印机进行打印,过程是这样的:轻点电脑屏幕上的“打印”按钮,一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上,接着打印机将一层墨水喷到纸的表面形成一副二维图像。而使用3D打印机也是一样,控制软件会通过切片引擎(用于将立体模型分解成多个横截面)完成一系列数字切片,然后将这些切片信息传送到3D打印机上,后者会进行逐层打印,然后堆叠起来,直到一个固态物体成型。

就终端用户的实际体验而言,往往是感觉不到3D打印和传统打印在制作流程上的不同,能感受到的最大区别在于使用的“墨水”是实实在在的原材料,正是因为这样的相似,增材制造技术才会被形象地称为3D打印技术。

普通打印机与3D打印机

其实两者在打印材料和原理上存在着较大差异。3D打印材料可以分为金属和非金属两大类,形态包括固态、液态、粉末等,每一类材料都对应一种或多种打印原理。对于设备用户而言,3D打印和传统打印的最主要的区别是电脑上要设计出的是一个完整的三维立体模型,然后再进行打印输出。因此,3D打印在复杂程度上远超传统打印。

传统打印与3D打印对比

3D打印流程一般包括数据获取、数据处理,打印和后处理四个步骤。前两个步骤主要涉及软件和光学成像技术,第三个步骤涉及材料、机械和电子。前三个步骤相辅相成,任何一个环节存在问题都会影响打印的最终结果。后处理步骤更多是采用传统加工方式改善打印物品的外观和特性。

由于打印步骤所涉及的技术和领域最广泛,行业内的关注点普遍集中在打印步骤。3D打印的核心技术大多也围绕着这一步骤发展。

2、技术类别

3D打印技术发展至今,在最初的基础上已经衍生出几十种打印技术,基于不同的原理有不同的分类方法。我们按不同的打印原理、所用耗材和成型原理的差异以及打印耗材种类,来列举三种不同的分类方法。

ASTMF42增材制造技术委员会在其发布的《增材制造技术标准术语》(ASTMF2792-12a)把打印原理分为七大类。

3D打印技术分类(基于打印原理)

资料来源:ASTM

根据所用耗材形态和成型原理的差异,目前主流的3D打印技术大致可分为挤出熔融成型、粒状物料成型、光聚合成型等三种类型。每个类型按成型技术的不同,又演化出多个种类。其中,熔融层积(FDM)属于挤出熔融成型类,粒状物料成型类包括直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔融(EBM)、选择性激光烧结(SLS)、选择性热烧结(SHS)、选择性激光熔化成型(SLM),光聚合成型类则包括光固化成型(SLA)、数字光处理(DLP)、聚合物喷射(PI)。

随着技术发展和市场需求不断提高,基于典型3D打印技术衍生出了一些新的技术,比如石膏3D打印(PP)、分层实体制造(LOM)、三维打印(3DP)、电子束自由成型制造(EBF)、激光净形制造(LENS)等。

3D打印技术分类(基于物料形态和成型原理)

如果基于打印耗材种类的不同,3D打印技术又可分为非金属3D打印技术和金属3D打印技术。其中,FDM、SLA、DLP、3DP等属于非金属3D打印技术;SLM、DMLS、EBM等属于金属材料3D打印技术。

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