3D打印機的技術(shù)原理

1、工程訓練I大作業(yè)-3D打印機的技術(shù)原理學院名稱專業(yè)班級學號學生姓名成績2018年03月18日3D打印機的技術(shù)原理3D打?。?Dprinting），是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項新興技術(shù)，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”。運用該技術(shù)進行生產(chǎn)的主要流程是：應用計算機軟件，設計出立體的加工樣式，然后通過特定的成型設備（俗稱“3D打印機”），用液態(tài)、粉末、絲狀的固體材料逐層“打印”出產(chǎn)品。3D打印是“增材制造”（AdditiveManufacturing的主要實現(xiàn)形式。“增材制造”的理念區(qū)別于傳統(tǒng)的“去除型”制造。傳統(tǒng)數(shù)控制造一般是在原材料基礎上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得

2、到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品。而“增材制造”與之截然不同，無需原胚和模具，就能直接根據(jù)計算機圖形數(shù)據(jù)，通過疊加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率并降低成本。國際上喜歡用“AdditiveManufacturinQ'（簡稱AM）來表示3D打印技術(shù)，國內(nèi)專業(yè)術(shù)語是增量制造、增材制造或添加制造。2009年美國ASTM成立了F42委員會，將AM定義為：“Processofjoiningmaterialstomakeobjectsfrom3dmodeldata,usuallylayeruponlayer,asopposedtosubtr

3、activemanufacturingmethodolog”ies.即：一種與傳統(tǒng)的材料去處加工方法截然相反的，通過增加材料、基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通常采用逐層制造方式，直接制造與相應數(shù)學模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。目前主流的3D打印技術(shù)有：1、SLS激光粉末燒結(jié)成型(SelectedLaserSinteriRg;2、3DP三維打印(3DimensionPrinter)；3、SLA激光光固化(Stereolithography);4、FDM熔融沉積造型(FusedDepositionModeling)3D打印機的用途，能夠?qū)崿F(xiàn)哪些功能3D打印能夠發(fā)揮的作用，按照產(chǎn)品設計研發(fā)的流

4、程來說：3D打印不僅僅可以快速制作設計原型，從最初的概念設計到最終產(chǎn)品制造，3D打印在產(chǎn)品設計制造的各個環(huán)節(jié)都具備變革性優(yōu)勢。許多企業(yè)在產(chǎn)品設計早期，就會使用3D打印設備快速制作足夠多的模型用于評估，不僅節(jié)省了時間，而且減少了設計缺陷。隨著產(chǎn)品設計研發(fā)的進展，他們會采用3D打印反復制作手板模型用于設計溝通、設計驗證、裝配測試和宣傳展示，以實現(xiàn)產(chǎn)品功能改善、生產(chǎn)成本降低、品質(zhì)更好、市場接受度提升的目標。在產(chǎn)品小批量試制階段，3D打印為快速打樣提供了最佳方案，3D打印出來的樣品可以用于宣傳展示、市場調(diào)查、試銷售等。而在產(chǎn)品量產(chǎn)環(huán)節(jié)，也已經(jīng)有越來越多的企業(yè)在采用3D打印方式來加快交付周期、降低個性化

5、定制價格、改善產(chǎn)品交付質(zhì)量，以及提高生產(chǎn)效率。3D打印能夠發(fā)揮的作用，按照不同應用行業(yè)來說：近年來，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，通過與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段結(jié)合，該技術(shù)已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的有效手段，在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫(yī)學、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域得到了一定應用，在工程和教學研究等應用領(lǐng)域也占有獨特地位。具體應用領(lǐng)域包括：1、工業(yè)制造：產(chǎn)品概念設計、原型制作、產(chǎn)品評審、功能驗證；制作模具原型或直接打印模具，直接打印產(chǎn)品。3D打印的小型無人飛機、小型汽車等概念產(chǎn)品已問世。3D打印的家用器具模型，也被用于企業(yè)的宣傳、營銷活動中；2、文化創(chuàng)意和數(shù)碼娛樂：形狀和結(jié)構(gòu)復雜

6、、材料特殊的藝術(shù)表達載體?？苹妙愲娪鞍⒎策_運用3D打印塑造了部分角色和道具，3D打印的小提琴接近了手工藝的水平；3、航空航天、國防軍工：復雜形狀、尺寸微細、特殊性能的零部件、機構(gòu)的直接制造；4、生物醫(yī)療：人造骨骼、牙齒、助聽器、假肢等；5、消費品：珠寶、服飾、鞋類、玩具、創(chuàng)意DIY作品的設計和制造；6、建筑工程：建筑模型風動實驗和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模擬；7、教育：模型驗證科學假設，用于不同學科實驗、教學。在北美的一些中學、普通高校和軍事院校，3D打印機已經(jīng)被用于教學和科研；8、個性化定制：基于網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)下載、電子商務的個性化打印定制服務。什么樣的三維數(shù)據(jù)才能夠用于3D打印3D打

7、印的標準數(shù)據(jù)格式STLSTL(StereoLithographyInterfaceSpecificatiOn格式是目前3D打印/增材制造設備使用的通用接口格式，是由美國3Dsystems公司于1988年制定的一個接口協(xié)議，是一種為3D打印/增材制造技術(shù)服務的三維圖形文件格式，目前已成為3D打印/增材制造的事實上的標準格式。STL格式是存儲三維模型信息的一種簡單方法，它將復雜的數(shù)字模型以一系列的三維三角形面片來近似表達。STL模型是一種空間封閉的、有界的、正則的唯一表達物體的模型，具有點、線、面的幾何信息，能夠輸入給增材制造設備，用于快速制作實物樣品。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展和應用，STL文件格式

8、也得到了各CAD/CAM軟件公司的廣泛支持。在醫(yī)學、自然科學和工程領(lǐng)域里，STL技術(shù)也得到了廣泛的應用。利用三維掃描儀等三維數(shù)字化工具對物理原型進行多方位三維掃描，經(jīng)過點云數(shù)據(jù)的預處理與優(yōu)化，得到物體完整的三維數(shù)據(jù)模型，對該數(shù)據(jù)模型進行表面三角形小平面化處理，類似于有限元的網(wǎng)格劃分，即用許多空間三角形面片來逼近CAD模型，當三角形面片小到一定程度，其近似性可達到工程允許的精度范圍內(nèi)，其數(shù)據(jù)文件稱為STL文件，可以直接輸入3D打印/增材制造設備，用于3D打印/增材制造。STL文件格式化對3D打印/增材制造精度影響3D打印時，由于要將復雜的三維加工轉(zhuǎn)化為一系列簡單的二維加工的疊加，因此，成型精度主

9、要取決于二維（X，Y）平面上的加工精度，以及高度（Z）方向上的疊加精度。從3D打印機本身而言，可以將X、Y、Z三方向的運動位置精度控制在微米級水平，因而能得到精度相當高的工件。因此，特別在加工復雜的自由曲面及內(nèi)型腔時，3D打印/增材制造比傳統(tǒng)的加工方法表現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢。然而影響工件最終精度的因素不僅有3D打印機本身的精度，還有一些其它因素，其中比較重要的是CAD模型的前期處理造成的誤差。對于絕大多數(shù)增材制造設備而言，開始成型前，必須對工件的三維CAD模型進行STL格式化和切片等前期處理，以便得到一系列的截面輪廓。STL格式己成為3D打印行業(yè)事實上的通用標準。在計算機數(shù)據(jù)處理能力足夠的前提下，

10、進行STL格式化時，應選擇更小、更多的三角面片，使之更逼近原始三維模型的表面，這樣可以降低由STL格式化所帶來的誤差影響。中國3D打印前景展望3D打印機對傳統(tǒng)制造業(yè)會帶來哪些沖擊3D打印產(chǎn)業(yè)上游包括材料技術(shù)、控制技術(shù)、光機電技術(shù)、軟件技術(shù)，中游是立足于信息技術(shù)的數(shù)字化平臺，下游涉及國防科工、航空航天、汽車摩配、家電電子、醫(yī)療衛(wèi)生、文化創(chuàng)意等行業(yè)，其發(fā)展將會深刻影響先進制造業(yè)、工業(yè)設計業(yè)、生產(chǎn)性服務業(yè)、文化創(chuàng)意業(yè)、電子商務業(yè)及制造業(yè)信息化工程。3D打印機給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來的沖擊，大致有以下幾點：1、3D打印技術(shù)的發(fā)展?jié)M足了消費者的需求，將導致工業(yè)制造模式的變化相比生產(chǎn)大規(guī)模標準化產(chǎn)品的模具制造，3

11、D打印可以在一定約束下隨意生產(chǎn)制作個性化產(chǎn)品，可稱之為“大規(guī)模定制制造模式”，是以互聯(lián)網(wǎng)為支撐的智能化大規(guī)模定制的方式，或者是“分散生產(chǎn)，就地銷售”方式，標志著個性化消費時代的到來。從前，消費者都是在店里挑選、購買已經(jīng)生產(chǎn)好的商品，現(xiàn)在則可以根據(jù)各自的需求，在“3D打印店”定制，邊生產(chǎn)邊體驗，及時獲得自己喜歡的產(chǎn)品。2. 3D打印技術(shù)具備傳統(tǒng)模具制造沒有的獨特優(yōu)勢3D打印技術(shù)是不受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和形狀的限制的，任何復雜的造型和結(jié)構(gòu)，只要有CAD數(shù)據(jù)，都可以輕松完成，這樣就給個性化、定制化提供了可能性；而且使用3D打印技術(shù)，是不需要開模具的，實現(xiàn)了無?；圃?，可使新產(chǎn)品研制的成本下降為傳統(tǒng)方式的1/3

12、-1/5，周期縮短為1/5-1/10。再加上3D打印設備大部分可以實現(xiàn)無人值守、24小時不間斷加工，也就為廠商節(jié)約了人工成本，提高了生產(chǎn)效率。3D打印的后期輔助加工量大大減小，避免了委外加工的數(shù)據(jù)泄密和時間跨度，尤其適合一些高保密性的行業(yè)，如軍工、核電領(lǐng)域。3D打印技術(shù)“打印”的產(chǎn)品是自然無縫連接的，一體成型，結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強度要遠遠高于傳統(tǒng)方法。3. 3D打印技術(shù)符合低碳環(huán)保的發(fā)展理念“第三次工業(yè)革命”概念的真正興起和全球化傳播，與全球可持續(xù)發(fā)展面臨的壓力息息相關(guān)。具體來說：一是至20世紀80年代，石油和其他化石能源的日漸枯竭，及隨之而來的全球氣候變化給人類的持續(xù)生存帶來了危機。二是

13、化石燃料驅(qū)動的原有工業(yè)經(jīng)濟模式，不再能支撐全球的可持續(xù)發(fā)展，需要尋求一種使人類進入“后碳”時代的新模式。3D打印技術(shù)適逢其會，以綠色、節(jié)能、低碳、環(huán)保的全新姿態(tài)迅速得到了全球政府和機構(gòu)的認可和信賴。3D打印采用的是加法式制造技術(shù)，區(qū)別與傳統(tǒng)的減法式、銑削式制造方式，基本上是生產(chǎn)多少重量的東西，所耗費的也就是同等重量的材料，因此所耗費的材料明顯減少；個性化定制以后也不產(chǎn)生產(chǎn)品庫存，可以在減少碳排放和原材料消耗的前提下，保持更高的生產(chǎn)效率。3D打印的原材料使用僅為傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的1/10，這在如今資源珍貴的時代無疑具備巨大優(yōu)勢。4. 3D打印能有效促進工業(yè)設計產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而全球制造業(yè)未來的競爭在于高

14、附加值的設計環(huán)節(jié)原先的制造業(yè)是生產(chǎn)、加工環(huán)節(jié)制約著研發(fā)設計環(huán)節(jié)，新產(chǎn)品的研制從一開始就需要考慮到最終能否被生產(chǎn)出來；而3D打印技術(shù)對于產(chǎn)品設計沒有限制，只要能設計得出來，完成CAD建模，任何結(jié)構(gòu)和形狀都可以被生產(chǎn)出來，如此一來，工業(yè)設計方面的創(chuàng)意和能量將被無限釋放，誰具備突出的工業(yè)設計能力，誰就將成為未來全球制造業(yè)的領(lǐng)頭羊，創(chuàng)造高額利潤。中國制造業(yè)，如果還是停留在國外設計、國內(nèi)制造或者來料加工的階段，那么未來只能在低附加值的加工制造環(huán)節(jié)上苦苦掙扎，因此，中國政府和制造業(yè)的有識之士都已經(jīng)開始積極呼吁和大力傳播3D打印技術(shù)，國內(nèi)的工業(yè)設計教育和產(chǎn)業(yè)也得到了越來越多的關(guān)注和重視。國內(nèi)3D打印技術(shù)市場

15、現(xiàn)狀3D打印技術(shù)在國外已經(jīng)開始被廣泛應用在各領(lǐng)域，幫助人們提高開發(fā)效率，降低生產(chǎn)成本，3D打印機已經(jīng)開始普及開來。而在國內(nèi)，由于起步較晚，目前還被能夠得到廣泛普及，主要原因體現(xiàn)在：1、市場培育還有一長段路要走。目前，我國多數(shù)制造企業(yè)尚未接受“數(shù)字化設計”、“批量個性化生產(chǎn)”等先進制造理念，對3D打印這一新興技術(shù)的戰(zhàn)略意義認識不足，不了解到這種新興技術(shù)能夠做什么，可以創(chuàng)造多大的價值。2、企業(yè)級、專業(yè)級的3D打印設備及其材料還比較昂貴，客戶接受程度低。雖然目前市面上已經(jīng)有一些價格低至幾千元的3D打印機，但是這種入門級的3D打印機更多適合個人、發(fā)燒友購買使用，很難用于工業(yè)制造、建設工程等領(lǐng)域，更別說

16、航空航天和醫(yī)療等專業(yè)應用了。而專業(yè)級的3D打印設備動輒幾十萬乃至上百萬，讓許多關(guān)注3D打印技術(shù)的企業(yè)望而卻步。3、材料種類還不是足夠豐富，也限制了3D打印技術(shù)的推廣。盡管就塑料材料來說，就已經(jīng)有上百種之多，從彈性的到剛性的，從遇熱融化的到耐高溫的，從透明的到不透明的，從生物相容性的到可鑄造的，種類繁多，但是目前依然比不上傳統(tǒng)制造所擁有的材料種類。4. 三維數(shù)字化技術(shù)尚未普及，也限制了3D打印機的市場空間。因為3D打印的前提是計算機里面有一個三維數(shù)據(jù)可供打印，而三維數(shù)據(jù)的獲取和創(chuàng)建對于普通大眾來說還是一個技術(shù)活。國內(nèi)專業(yè)數(shù)字化領(lǐng)域?qū)嵙ψ顝姷氖呛贾菹扰R三維科技股份有限公司，他們自主研發(fā)了多種面向不

17、同應用領(lǐng)域的三維掃描儀，可以幫助快速獲取物體的三維數(shù)據(jù)，輸出的STL數(shù)字模型就可以用于3D打印，比起CAD建模來門檻更低、速度更快。目前，現(xiàn)在市面上已經(jīng)有十幾種不同的3D打印機成型技術(shù)，包括SLSDMLS、FDM、SLA、DLP、FFF、MEM、LOM、EBM、SHS3DP等，不同技術(shù)類型的3D打印機打印出成品所需要的材料是不同的，其中比較成熟的有SLSFDM、SLA、LOM和3DP等。夢悴護料T1皆占惟FDMBISBMPUP3D'MilSDM出1ir樹T材51AGPD3DPSFT5F片狀材料紀性知u，-黏搏柯料.I刪申3.1 SLA(StereolithographyAppearan

18、CeSLA即立體光固化成型法，用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料（液態(tài)光敏樹脂原料）表面，使之由點到線，由線到面順序凝固,完成一個層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面。這樣層層疊加構(gòu)成一個三維實體«=»««II«*MVHOF圖2SLA技術(shù)成型原理圖3.2 FDM（FusedDepositionModelingFDM即熔積成型法，該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲）為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度（約比熔點高1C），在計算機的控制下，噴頭作平面運動，將熔融的材料涂覆在工作臺上

19、，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。圖3FDM技術(shù)成型原理圖3.3 SLS（SelectiveLaserSinterir）gSLS即選擇性激光燒結(jié)，其整個工藝裝置由粉末缸和成型缸組成,工作時粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均勻鋪上一層，計算機根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地燒結(jié)固體粉末材料以形成零件的一個層面。粉末完成一層后，工作活塞下降一個層厚，鋪粉系統(tǒng)鋪上新粉?？刂萍す馐賿呙锜Y(jié)新層。如此循環(huán)往復，層層疊加，直到三維零件成型。最后，將未燒結(jié)的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。對于金屬粉末激光燒結(jié)，在燒結(jié)之前，整個工作臺被加熱至一定溫度，可減少成型中的熱變形，并利于層與層之間的結(jié)合。*ors