第六章三維打印快速成型工藝

1、第六章第六章機(jī)械工業(yè)出版社（第三版）機(jī)械工業(yè)出版社（第三版） 三維打印快速成型及其他快速成型工藝第六章第六章 三維打印快速成型及其他快速成型工藝三維打印快速成型及其他快速成型工藝 除了前面介紹的4種快速成型技術(shù)方法比較成熟之外，其它的許多技術(shù)也已經(jīng)實(shí)用化，如三維打印成型（Three Dimensional Printing， 3DP）、激光立體成型、電子束選區(qū)熔化、電子束熔絲層積、細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)的增材制造成形細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)的增材制造成形、三維焊接（Three Dimensional Welding）等。 其中三維打印快速成型技術(shù)因其材料較為廣泛，設(shè)備成本較低且可小型化到辦公室使用等，近年來(lái)發(fā)展較為

2、迅速。三維打印快速成型工藝之所以稱之為打印成型，是因?yàn)樵摲N快速成型工藝是以某種噴頭作為成型源，其運(yùn)動(dòng)方式與噴墨打印機(jī)的打印頭類似，在臺(tái)面上做X-Y平面運(yùn)動(dòng)，所不同的是噴頭噴出的不是傳統(tǒng)噴墨打印機(jī)的墨水，而是粘結(jié)劑、熔融材料或光敏材料等，基于快速成型技術(shù)基本的堆積建造模式，實(shí)現(xiàn)原型的快速制作。 依據(jù)其使用材料不同及固化方式不同，3DP快速成型技術(shù)可分為粉末材料三維噴涂粘結(jié)成型、熔融材料噴墨三維打印成型兩大類工藝。12噴墨式三維打印快速成型工藝噴墨式三維打印快速成型工藝三維打印快速成型設(shè)備及材料三維打印快速成型設(shè)備及材料三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝34其他快速成型工藝其他快速成

3、型工藝第六章第六章 三維打印快速成型及其他快速成型工藝三維打印快速成型及其他快速成型工藝 1.三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝的基本原理三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝的基本原理 粉末材料三維打印粘結(jié)（3DP或3DPG-Three Dimensional Printing Gluing）快速成型工藝是由美國(guó)麻省理工學(xué)院開發(fā)成功的，它的工作過(guò)程類似于噴墨打印機(jī)。目前使用的材料多為粉末材料（如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等），其工藝過(guò)程與SLS工藝類似，所不同的是材料粉末不是通過(guò)激光燒結(jié)連接起來(lái)的，而是通過(guò)噴頭噴涂粘結(jié)劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘結(jié)劑粘結(jié)的零件強(qiáng)度較低，還需后處理。后處理過(guò)

4、程主要是先燒掉粘接劑，然后在高溫下滲入金屬，使零件致密化以提高強(qiáng)度。 第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝圖圖6-1 三維噴涂粘結(jié)工藝原理三維噴涂粘結(jié)工藝原理 以粉末作為成型材料的3DP的工藝原理如圖6-1所示。首先按照設(shè)定的層厚進(jìn)行鋪粉，隨后根據(jù)當(dāng)前疊層的截面信息，利用噴嘴按指定路徑將液態(tài)粘結(jié)劑噴在預(yù)先鋪好的粉層特定區(qū)域，之后工作臺(tái)下降一個(gè)層厚的距離，繼續(xù)進(jìn)行下一疊層的鋪粉，逐層粘結(jié)后去除多余底料便得到所需形狀制件。第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝 2. 2. 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝的特點(diǎn)三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝的特點(diǎn) 三維噴涂粘結(jié)快速成型制造技術(shù)在將固態(tài)粉末生成三維零件的過(guò)程中與傳統(tǒng)方法比較

5、具有很多優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 成本低 材料廣泛 成型速度快 安全性較好 應(yīng)用范圍廣第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝 三維噴涂粘結(jié)快速成型技術(shù)在制造模型時(shí)也存在許多缺點(diǎn)缺點(diǎn)，如果使用粉狀材料，其模型精度和表面粗糙度比較差，零件易變形甚至出現(xiàn)裂紋等，模型強(qiáng)度較低，這些都是該技術(shù)目前需要解決的問(wèn)題。 3. 3. 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝過(guò)程三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝過(guò)程 三維噴涂粘結(jié)快速成型技術(shù)制作模型的過(guò)程與SLS工藝過(guò)程類似，下面以三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝在陶瓷制品中的應(yīng)用為例，介紹其工藝過(guò)程。 利用三維CAD系統(tǒng)完成所需生產(chǎn)的零件的模型設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)完成后，在計(jì)算機(jī)中將模型生成STL文件，并利用專用軟件將其

6、切成薄片。 每層的厚度由操作者決定，在需要高精度的區(qū)域通常切得很薄。 計(jì)算機(jī)將每一層分成矢量數(shù)據(jù)，用以控制粘結(jié)劑噴射頭移動(dòng)的走向和速度。 用專用鋪粉裝置將陶瓷粉末鋪在活塞臺(tái)面上。 用校平鼓將粉末滾平，粉末的厚度應(yīng)等于計(jì)算機(jī)切片處理中片層的厚度。 計(jì)算機(jī)控制的噴射頭按步驟的要求進(jìn)行掃描噴涂粘結(jié)，有粘接劑的部位，陶瓷粉粘結(jié)成實(shí)體的陶瓷體，周圍無(wú)粘結(jié)劑的粉末則起支撐粘結(jié)層的作用。 第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝 計(jì)算機(jī)控制活塞使之下降一定高度(等于片層厚度)。 重復(fù)步驟、四步，一層層地將整個(gè)零件坯體制作出來(lái)。 取出零件坯，去除未粘結(jié)的粉末，并將這些粉末回收。 對(duì)零件坯進(jìn)行后續(xù)處理，在溫控爐中進(jìn)行焙

7、燒，焙燒溫度按要求隨時(shí)間變化。后續(xù)處理的目的是為了保證零件有足夠的機(jī)械強(qiáng)度及耐熱強(qiáng)度。第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝 a) a) 結(jié)構(gòu)陶瓷制品結(jié)構(gòu)陶瓷制品 b) b) 注射模具注射模具圖圖6-2 采用采用3DP工藝制作的結(jié)構(gòu)陶瓷制品和注射模具工藝制作的結(jié)構(gòu)陶瓷制品和注射模具圖圖6-3 經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)3DP工藝制作的金屬制件工藝制作的金屬制件第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝4. 三維噴涂粘結(jié)快速成型技術(shù)若干問(wèn)題三維噴涂粘結(jié)快速成型技術(shù)若干問(wèn)題（1）成型材料性能要求 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝對(duì)粉末材料的基本要求如下： 顆粒小，尺度均勻； 流動(dòng)性好，確保供粉系統(tǒng)不堵塞； 熔滴噴射沖擊時(shí)不產(chǎn)生凹坑、濺散和

8、空洞等； 與粘結(jié)液作用后固化迅速。 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝對(duì)粘結(jié)液的基本要求如下： 易于分散且穩(wěn)定，可長(zhǎng)期儲(chǔ)存； 不腐蝕噴頭； 粘度低，表面張力高； 不易干涸，能延長(zhǎng)噴頭抗堵塞時(shí)間。第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝 （2）基本工藝參數(shù) 三維噴涂粘結(jié)快速成型的基本工藝參數(shù)包括：噴頭到粉末層的距離，粉層厚度，噴射和掃描速度，輥?zhàn)舆\(yùn)動(dòng)參數(shù)，每層間隔時(shí)間等。當(dāng)制件精度及強(qiáng)度要求較高時(shí)，層厚應(yīng)取較小值。粘結(jié)液與粉末空隙體積比即為飽和度，其程度取決于層厚、噴射量及掃描速度的大小，對(duì)制件的性能和質(zhì)量具有較大影響。噴射與掃描速度應(yīng)根據(jù)制件精度與質(zhì)量及時(shí)間的要求與層厚等因素綜合考慮。 （3）成型速度 三維噴涂

9、粘結(jié)快速成型工藝的成型速度受粘結(jié)劑噴射量的限制。典型的噴嘴以1cm3/min的流量噴射粘結(jié)劑，若有100個(gè)噴嘴，則模型制作速度為200cm3/min。美國(guó)麻省理工學(xué)院開發(fā)了兩種形式的噴射系統(tǒng):點(diǎn)滴式與連續(xù)式。這種多噴嘴的點(diǎn)滴式系統(tǒng)的成型速度已達(dá)每層僅用5s的時(shí)間(每層面積為0.5m0.5m)，而連續(xù)式的則達(dá)到每層0.025s的時(shí)間。 （4）成型精度 三維噴涂粘結(jié)快速成型技術(shù)制作的模型的精度由兩個(gè)方面決定：一是噴涂粘結(jié)時(shí)制作的模型坯的精度，二是模型坯經(jīng)后續(xù)處理(焙燒)后的精度。第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝12噴墨式三維打印快速成型工藝噴墨式三維打印快速成型工藝三維打印快速成型設(shè)備及材料三維打

10、印快速成型設(shè)備及材料三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝34其他快速成型工藝其他快速成型工藝第六章第六章 三維打印快速成型及其他快速成型工藝三維打印快速成型及其他快速成型工藝第二節(jié) 噴墨式三維打印快速成型工藝zxyMJM噴頭工作臺(tái)原材料圖圖6-4 多噴嘴噴墨三維打印原理多噴嘴噴墨三維打印原理 像三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝的建造過(guò)程類似于SLS工藝一樣，噴墨式三維打印快速成型工藝的建造過(guò)程類似于FDM工藝。噴墨式三維打印快速成型設(shè)備的噴頭更像噴墨式打印機(jī)的打印頭。與噴涂粘結(jié)工藝顯著不同之處是其累積的疊層不是通過(guò)鋪粉后噴射粘結(jié)液固化形成的，而是從噴射頭直接噴射液態(tài)的工程塑料瞬間凝固而形成

11、薄層。 多噴嘴噴射成型為噴墨式三維打印設(shè)備的主要成型方式，噴嘴呈線性分布。噴嘴數(shù)量越來(lái)越多，打印精度（分辨率）越來(lái)越高，如3D Systems公司的ProJet6000型設(shè)備的特清晰打印模式（XHD）的打印精度為0.075mm，層厚為0.05mm。微熔滴直徑的大小決定了其成型的精度或打印分辨率，噴嘴的數(shù)量多少?zèng)Q定了成型效率的高低。12噴墨式三維打印快速成型工藝噴墨式三維打印快速成型工藝三維打印快速成型設(shè)備及材料三維打印快速成型設(shè)備及材料三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝34其他快速成型工藝其他快速成型工藝第六章第六章 三維打印快速成型及其他快速成型工藝三維打印快速成型及其他快速成

12、型工藝 三維打印快速成型技術(shù)作為噴射成形技術(shù)之一，具有快捷、適用材料廣等許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)是繼SLA、LOM、SLS和FDM四種應(yīng)用最為廣泛的快速成型工藝技術(shù)后發(fā)展前景最為看好的一項(xiàng)快速成型技術(shù)。目前，該項(xiàng)技術(shù)由MIT研究取得成功后已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給ExtrudeHone、Soligen、SpecificSurfaceCoporation、TDK Coporation、Therics以及Z Coporation等6家公司。已經(jīng)開發(fā)出來(lái)的部分商品化設(shè)備機(jī)型有Z Corp公司的Z系列，Objet公司的Eden系列、Connex系列及桌上型3D打印系統(tǒng)，3D Systems公司開發(fā)的Personal

13、Printer系列與Professional系列以及Solidscape公司（原Sanders Prototype Inc.）的T系列等。第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料1. Z Corp公司開發(fā)的設(shè)備及材料公司開發(fā)的設(shè)備及材料第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料圖圖6-2 Z Corp公司的公司的Z150設(shè)備及其制作的白色模型設(shè)備及其制作的白色模型 圖圖6-3 Z Corp公司的公司的Z250設(shè)備及其制作的彩色模設(shè)備及其制作的彩色模型型第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料 圖圖6-4 Z Corp公司的公司的Z350設(shè)備及其制作的白色模型設(shè)備及其制作的白色模型第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料

14、 圖圖6-5 Z Corp公司的公司的Z650設(shè)備及其制作的彩色模型設(shè)備及其制作的彩色模型第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料2. Objet公司開發(fā)的設(shè)備及材料公司開發(fā)的設(shè)備及材料第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料a) Connex500 b) Connex350V圖圖6-7 Objet公司的公司的Connex型號(hào)設(shè)備型號(hào)設(shè)備圖圖6-8 Objet公司的公司的Objet260型號(hào)設(shè)備型號(hào)設(shè)備第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料圖圖6-9 Objet公司的公司的Eden型號(hào)設(shè)備型號(hào)設(shè)備a) Objet24 b) Objet30圖圖6-10 Objet公司的公司的Eden型號(hào)設(shè)備型號(hào)設(shè)備第三節(jié) 三維

15、打印快速成型設(shè)備及材料第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料 3. 3D Systems公司開發(fā)的設(shè)備及材料公司開發(fā)的設(shè)備及材料 3D Systems公司作為快速成型設(shè)備全球最早的設(shè)備供應(yīng)商，一直以來(lái)致力于快速成型技術(shù)的研發(fā)與技術(shù)服務(wù)工作，在引領(lǐng)SLA光固化快速成型技術(shù)的同時(shí)，也陸續(xù)開展了其他快速成型技術(shù)的研究，陸續(xù)推出SLS設(shè)備及3DP設(shè)備等。近期，成功并購(gòu)Z Corp公司，3DP技術(shù)的實(shí)力和地位再上新臺(tái)階。面向不同用戶的需求，目前推出的3DP設(shè)備分為Personal系列與Professional系列。2009年以來(lái)，3D Systems公司推出價(jià)格1萬(wàn)美元以下

16、的面向小客戶的Personal 3DP設(shè)備。主要型號(hào)有Glider、Axis Kit、RapMan、3D Touch、ProJet 1000、ProJet 1500、V-Flash等。第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料 Glider 3D Printer的外輪廓尺寸只有508（W）406.4（D）355.6（H）mm大小，重量只有7kg。建造速度為23mm/h，可制作模型的大小為203（W）203（D）140（H）mm。層厚為0.3mm，噴嘴直徑為0.5mm，位置精度為0.1mm。下圖為Gilder 3D Printer的照片，售價(jià)僅1400美元左右。圖圖6-11 3D Systems公司的公

17、司的Gilder三維打印機(jī)三維打印機(jī)第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料 3D Touch Printer 增加了觸摸屏，型號(hào)分為單頭、雙頭和三頭等，輪廓尺寸為600600700mm，重量為38kg，價(jià)格約為4000美元，適合于家庭、學(xué)校教室及辦公室使用。下圖為3D Touch Printer的照片。圖圖6-12 3D Systems公司的公司的3D Touch三維打印機(jī)三維打印機(jī)第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料 ProJet 1000&1500個(gè)人打印機(jī)及V-Flash 個(gè)人打印機(jī)具有更高的打印分辨率和速度、更明亮的色彩及打印的模型耐久性更好，其設(shè)備主要參數(shù)

18、如表6-6所示，使用材料為VisiJet FTI，其性能如表6-7所示。第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料圖圖6-14 3D Systems公司的公司的ProJet SD 3000三維打印機(jī)三維打印機(jī)圖圖6-15 3D Systems公司的公司的ProJet 5000三維打印機(jī)三維打印機(jī)圖圖6-16 3D Systems公司的公司的ProJet 6000三維打印機(jī)三維打印機(jī)第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料12噴墨式三維打印快速成型工藝噴墨式三維打印快速成型工藝三維打印快速成型設(shè)備及材料三維打印快速成型設(shè)備及材料三維噴涂粘結(jié)快

19、速成型工藝三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝34其他快速成型工藝其他快速成型工藝第六章第六章 三維打印快速成型及其他快速成型工藝三維打印快速成型及其他快速成型工藝第四節(jié) 其他快速成型工藝激光凈成型電子束選區(qū)熔化電子束熔絲層積細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)的增材制造成形細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)的增材制造成形金屬微滴金屬微滴3D打印成形打印成形激光近成形技術(shù)的基本原理如圖1所示。首先在計(jì)算機(jī)中生成零件的三維CAD實(shí)體模型，然后將模型按一定的厚度切片分層，即將零件的三維形狀信息轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓信息，隨后在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，用同步送粉激光熔覆的方法將金屬粉末材料按照一定的填充路徑在一定的基材上逐點(diǎn)填滿給定的二維形狀，重復(fù)這一過(guò)程逐層堆積

20、形成三維實(shí)體零件。原則上也可以采用同步送絲激光熔覆的方法來(lái)成形零件。激光凈成型電子束熔絲層積在真空環(huán)境中，利用高能量密度的電子束熔化送進(jìn)的金屬絲材，按照計(jì)算機(jī)預(yù)先規(guī)劃的路徑層層堆積，形成致密的冶金結(jié)合，直至制造出近凈成形的零件與毛坯。國(guó)外也稱為電子束直接制造技術(shù)（Electron Beam Direc Manufacturing，EBDM）。由于成形速度快，往往尺寸精度及表面質(zhì)量不高，成形后還需進(jìn)行少量的數(shù)控加工。適用于航空航天飛行器大型整體金屬結(jié)構(gòu)的快速、低成本制造。電子束選區(qū)熔化工藝原理:電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)（Electron Beam selective melting,EBSM）是利用電子束為能量源，在真空保護(hù)下高速掃描加熱預(yù)置的粉末，通過(guò)逐層熔化疊加，直接自由成形多孔、致密或多孔-致密復(fù)合三維產(chǎn)品的技術(shù)。其工作原理如圖所示。首先，在工作臺(tái)上鋪一薄層粉末，電子束在電磁偏轉(zhuǎn)線圈的作用下由計(jì)算機(jī)控制，根據(jù)制件各層截面的CAD數(shù)據(jù)有選擇地對(duì)粉末層進(jìn)行掃描熔化，未被熔化的粉末仍呈松散狀，可作為支撐；一層加工完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚的高度，再進(jìn)行下一層鋪粉和熔化，同時(shí)新熔化層與前一層熔合為一體；重復(fù)上述過(guò)程到制件加工完后從真空箱中取出，用高壓空氣吹出松散粉末，得到三維零件。細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)的增材制造成形細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)對(duì)于生理和病