3DP技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

1、3DP 技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展摘 要：增材制造技術(shù)近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注，3DP 技術(shù)就是其中的一種。 3DP 技術(shù)利用噴射粘結(jié)劑粘結(jié)粉 末形成制件實(shí)體，具有成形材料范圍廣、制造速度快、可實(shí) 現(xiàn)全彩色制造的特點(diǎn)。其未來(lái)的研究重點(diǎn)將集中在硬件及控 制、材料開(kāi)發(fā)和應(yīng)用三個(gè)方面。關(guān)鍵詞：3DP;技術(shù)原理；現(xiàn)狀；研究方向近十年來(lái)，增材制造（又稱(chēng)快速成型、三維打?。┘夹g(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注， 其獨(dú)特的制造原理，實(shí)現(xiàn)“自由制造” ，尤其擅長(zhǎng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形，并大大減少了加工工序，縮 短了加工周期。越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其制造的速度作用越 顯著。粉材噴液技術(shù)（3DP）作為增材制造技術(shù)的一種，于上世紀(jì) 80 年代末

2、由 MIT 科學(xué)家提出， 90 年代中期即實(shí)現(xiàn)了商 業(yè)化銷(xiāo)售，現(xiàn)狀及前景都被研究人員看好。1. 技術(shù)原理 所有增材制造技術(shù)都共享離散 -堆積的成形原理， 即將零件的整體制造轉(zhuǎn)化為眾多橫截面的制造，每層堆積最后成為 實(shí)體。眾多技術(shù)的區(qū)別在于如何實(shí)現(xiàn)單層，即一個(gè)橫截面信 息的制造。 3DP 采用的方法利用噴頭噴射液體粘結(jié)劑，粘結(jié) 鋪設(shè)在粉床上的粉末成形。具體工作過(guò)程如下：噴頭在控制系統(tǒng)的控制下，按照所給的一層截面的信息，在事先鋪好的一層粉末材料上，有選 擇性的噴射粘結(jié)劑，使部分粉末粘結(jié)，形成一層截面薄層； 在每個(gè)薄層成形后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，進(jìn)行鋪粉操作， 繼而再?lài)娚湔辰Y(jié)劑進(jìn)行薄層成形；不斷循環(huán)

3、，直至所用薄層 成形完畢，層與層在高度方向上相互粘結(jié)并堆疊得到所需三 維實(shí)體制件。般情況下，打印所得到的制件還需要進(jìn)行后處理，對(duì)于無(wú)特殊強(qiáng)度要求的模型制件，后處理通常包括加溫固化以 及滲透定型膠水。而對(duì)于強(qiáng)度有特殊要求的結(jié)構(gòu)功能部件以 及各類(lèi)模具，在對(duì)粘結(jié)劑進(jìn)行加熱固化后，通常還要進(jìn)行燒 結(jié)，以及液相材料滲透的步驟以提高制件的致密度，從而達(dá) 到各類(lèi)應(yīng)用對(duì)于強(qiáng)度的要求。2. 現(xiàn)狀 美國(guó)的 Z Corporation 公司與上世界 90 年代中期推出了全世界第一款商業(yè)化 3DP 設(shè)備，以后一直保持了在該領(lǐng)域的 技術(shù)優(yōu)勢(shì)。其在 2012 年被全球最大的增材制造設(shè)備生產(chǎn)商3D Systems 公司收購(gòu)

4、， 作為 3D Systems 公司的一個(gè)分公司繼 續(xù)進(jìn)行商業(yè)活動(dòng)。 其 Z printer 和 Projet 兩系列 3DP 設(shè)備是目 前市場(chǎng)上最受歡迎的產(chǎn)品之一。目前市場(chǎng)上領(lǐng)先的 3DP 設(shè)備還有德國(guó) VoxelJet 公司的VX 系列，以及同樣來(lái)自德國(guó)的 Exone 公司的 M 系列產(chǎn)品。這幾種設(shè)備各自有自己的優(yōu)勢(shì)， Z printer/Projet 系列仍是市場(chǎng)Exone唯一可以自由實(shí)現(xiàn)全彩色制造的增材制造設(shè)備；而 VX 系 列是目前市場(chǎng)上成形精度最高、 制造速度最快的產(chǎn)品； 公司則專(zhuān)攻金屬制造， M 系列設(shè)備制造的金屬零件可以在簡(jiǎn) 單處理后直接作為工業(yè)用品使用， 這是其他 3DP 設(shè)

5、備目前所 不能達(dá)到的。根據(jù) Gartner 咨詢(xún)公司和 Wohlers Associates 咨詢(xún)公司給出的統(tǒng)計(jì)：在 2007 年，全球市場(chǎng)上售出的 3DP 設(shè)備數(shù)量為3651 臺(tái)，而這個(gè)數(shù)字到 2013 年超過(guò)了 20 萬(wàn)。如此突飛猛進(jìn)的增長(zhǎng)，除了受到增材制造技術(shù)整體受到關(guān)注外，3DP 自身的特點(diǎn)也是一個(gè)重要的因素。3DP 技術(shù)的成形材料和應(yīng)用領(lǐng)域范圍極廣，包括原型制件應(yīng)用材料，例如尼龍粉末， ABS 粉末，石膏粉末；模具應(yīng) 用材料，例如各種金屬粉末，陶瓷粉末，以及用于砂模鑄造 的各種砂粉，高性能尼龍等；快速制造應(yīng)用材料，例如具有 特殊性能的貴金屬粉末，輕質(zhì)金屬粉末，高強(qiáng)度金屬粉末， 橡膠粉

6、末，結(jié)構(gòu)陶瓷粉末，功能陶瓷粉末等。同時(shí)在醫(yī)學(xué)應(yīng) 用領(lǐng)域，主要可以成形有各類(lèi)藥片的壓片用原粉，干細(xì)胞溶液，以及一些特殊功能并具有生物兼容性的結(jié)構(gòu)材料粉末；而在微納制造應(yīng)用材料，可以成形包括各類(lèi)半導(dǎo)體制造中使用到的常規(guī)材料，包括金，鉑，銅以及一些絕緣材料等。種類(lèi)如此多元的應(yīng)用材料，是其他增材制造技術(shù)所無(wú)法比擬 的。在制造特點(diǎn)方面，因?yàn)槔妹鎾呙瓒皇屈c(diǎn)掃描、線掃描原理， 3DP 技術(shù)的制造速度遠(yuǎn)超過(guò)其他增材制造技術(shù)，其 還是唯一可以不更換基體材料而實(shí)現(xiàn)全彩色制造的增材制 造技術(shù)。同時(shí)，因?yàn)闆](méi)有使用激光、電子束等高能束設(shè)備， 其能耗小， 設(shè)備體積可以進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。 這些都是 3DP 技 術(shù)和設(shè)備如

7、此受歡迎的原因。3. 研究重點(diǎn) 當(dāng)前 3DP 技術(shù)的研究重點(diǎn)主要要集中在硬件及控制、料開(kāi)發(fā)和應(yīng)用三個(gè)方面，誰(shuí)在其中首先獲得重要突破，誰(shuí)就 將領(lǐng)導(dǎo)該技術(shù)未來(lái)的發(fā)展。1）硬件及控制噴頭是 3DP 設(shè)備的核心設(shè)備， 噴頭的性能及控制方式直接決定著 3DP 設(shè)備的最高性能。目前 3DP 設(shè)備為了控制成 本多使用熱氣泡式或壓電式商業(yè)噴頭。這些噴頭本身是研發(fā) 用于噴墨打印機(jī)或噴繪機(jī)中， 設(shè)計(jì)要求與 3DP 設(shè)備的實(shí)際使 用要求略有出入。商業(yè)噴頭對(duì)噴射液體粘度和表面張力范圍 的嚴(yán)格要求，很大程度上限制了 3DP 技術(shù)使用粘結(jié)劑的范 圍，并不利于技術(shù)的發(fā)展。 因此開(kāi)發(fā) 3DP 技術(shù)專(zhuān)用噴頭顯得分必要。噴頭性能

8、需要配套的控制程序才能得到最大的發(fā)揮。當(dāng)前人們開(kāi)發(fā)控制程序時(shí)只針對(duì)噴頭本身，而未考慮到噴頭使 用的液體。如果將液體參數(shù)同樣考慮進(jìn)噴頭控制中，可以依f It步據(jù)使用的不同液體，對(duì)噴頭控制進(jìn)行修正，則可以進(jìn)一步提 高噴頭形成液滴的精度，有利于成形精度的提高。2）材料雖然目前 3DP 技術(shù)可使用的材料種類(lèi)十分豐富， 在眾多增材制造技術(shù)處于領(lǐng)先地位，但仍有不盡如人意之處。材料 領(lǐng)域仍然是很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的研究重點(diǎn)。首先，由于研究歷史遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于傳統(tǒng)加工技術(shù)，當(dāng)前研究人員的研究重點(diǎn)仍處于實(shí)現(xiàn)階段， 即使用 3DP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)某 種材料的加工，而對(duì)于材料成形過(guò)程中的發(fā)生的變化、詳細(xì) 的成形過(guò)程等微觀原理研究較少

9、。這些基礎(chǔ)研究是指導(dǎo)改進(jìn) 工藝技術(shù)，提高制造效果所必不可少的，也必然會(huì)成為將來(lái) 研究人員所關(guān)注的重點(diǎn)。其次，目前，利用 3DP 技術(shù)成形的制件，初始機(jī)械性能并不令人十分滿(mǎn)意，還需要后處理工藝才能獲得滿(mǎn)足要求的 最終制件。某些后處理工藝十分復(fù)雜，耗時(shí)極長(zhǎng)，有違與增 材制造技術(shù)靈活快速的初衷。如果在成形過(guò)程中提高初始件 的性能也一直是研究人員研究的核心問(wèn)題。3）應(yīng)用作為一種新興技術(shù)， 3DP 技術(shù)的應(yīng)用的邊界還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未被劃定。無(wú)數(shù)研究人員正在使用其無(wú)比的創(chuàng)造力和卓有成效的 實(shí)踐，在眾多領(lǐng)域是運(yùn)用 3DP 技術(shù)制造他們所需要的制件。目前 3DP 技術(shù)在教學(xué)、模型、創(chuàng)意、醫(yī)療領(lǐng)域都得到了廣泛 的應(yīng)用。隨著制件性能的進(jìn)一步提高，該技術(shù)在大規(guī)模工業(yè) 生產(chǎn)中也將得到越來(lái)越大規(guī)模的使用。 例如， 目前 3DP 技術(shù) 在有機(jī)電子器件（如大面積 PLED 、 OLED ）、半導(dǎo)體封裝、 太陽(yáng)能電池的制造上，已經(jīng)顯示出了極具優(yōu)勢(shì)的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)1 盧秉恒，李滌塵 . 增材制造（ 3D 打?。┘夹g(shù)發(fā)展 J.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013， 04：1-4.2 黃兵. 三維打印支撐材料及成