產(chǎn)品技術(shù)分析報告

1、產(chǎn)品技術(shù)分析報告3D打印機(jī)的技術(shù)原理分析與設(shè)計產(chǎn)品技術(shù)分析報告3D打印機(jī)3D打印機(jī)，即快速成形技術(shù)的一種機(jī)器，它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。發(fā)展歷史在20世紀(jì)80年代中期，SLS被在美國德州大學(xué)奧斯汀分校的卡爾Deckard博士開發(fā)出來并獲得專利，項目由DARPA贊助的。1979年，類似過程由RFHousholder得到專利，但沒有被商業(yè)化。1995年，麻省理工創(chuàng)造了“三維打印”一詞，當(dāng)時的畢業(yè)生JimBredt和TimAnderson修改了噴墨打印機(jī)方案，變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末床的解決方案，而不是把墨水?dāng)D壓在紙張上的方案。

2、3D打印帶來了世界性制造業(yè)革命，以前是部件設(shè)計完全依賴于生產(chǎn)工藝能否實現(xiàn)，而3D打印機(jī)的出現(xiàn)顛覆這一生產(chǎn)思路，使得企業(yè)在生產(chǎn)部件的時候不再考慮生產(chǎn)工藝問題，任何復(fù)雜形狀的設(shè)計均可以通過3D打印機(jī)來實現(xiàn)。它無需機(jī)械加工或模具，就能直接從計算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體，從而極大地所縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)率。盡管仍有待完善，但3D打印技術(shù)市場潛力巨大，勢必成為未來制造業(yè)的眾多突破技術(shù)之一。應(yīng)用領(lǐng)域3D打印機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括建筑設(shè)計、醫(yī)療設(shè)備、音樂、航天、國防、教育業(yè)以及制造業(yè)。建筑設(shè)計業(yè)在建筑業(yè)里，工程師和設(shè)計師們利用3D打印機(jī)打印出建筑模型，不僅能節(jié)省大量材料降低成本，又能快

3、速地得到精美的樣品。DUS公司的3D打印展覽館目前正在利用3D打印技術(shù)準(zhǔn)備打印全球最大的3D打印房屋，該公司使用名為KamerMaker的3D打印機(jī)，高達(dá)6米可安置在廢棄集裝箱內(nèi)。醫(yī)療行業(yè)一位83歲的老人由于患有慢性的骨頭感染，因此換上了由3D打印機(jī)“打印”出來的下顎骨，這是世界上首位使用3D打印產(chǎn)品做人體骨骼的案例。據(jù)國外媒體報道，在不久的將來外科醫(yī)生們或許就將可以在手術(shù)中現(xiàn)場利用打印設(shè)備打印出各種尺寸的骨骼用于臨床使用。這種神奇的3D打印機(jī)已經(jīng)被制造出來了，而用于替代真實人體骨骼的打印材料則正在緊鑼密鼓地測試之中。音樂行業(yè)RickardDahlstrand使用Lulzbot3D打印機(jī)創(chuàng)造出

4、獨(dú)特的藝術(shù)，在2013斯德哥爾摩藝術(shù)黑客節(jié)上，Lulzbot3D打印機(jī)不僅為參加的藝術(shù)家和黑客們打印出藝術(shù)節(jié)的LOGO,而且作為一個表演項目，它還一邊播放古典音樂一邊相應(yīng)地打印出可視化的音樂作品。1、原理3D打印機(jī)可以根據(jù)零件的形狀，每次制做一個具有一定微小厚度和特定形狀的截面，然后再把它們逐層粘結(jié)起來，就得到了所需制造的立體的零件。每個截面數(shù)據(jù)相當(dāng)于醫(yī)學(xué)上的一張CT像片；整個制造過程可以比喻為一個，積分的過程。當(dāng)然，整個過程是在電腦的控制下，由3D打印機(jī)系統(tǒng)自動完成的。不同公司制造的3D打印機(jī)所用的成形材料不同，系統(tǒng)的工作原理也有所區(qū)別，但其基本原理都是一樣的，那就是分層制造、逐層疊加。這種

5、工藝可以形象地叫做增長法或加法。工作原理和工作步驟把數(shù)據(jù)和原料放進(jìn)3D打印機(jī)中，機(jī)器會按照程序把產(chǎn)品一層層造出來。打印出的產(chǎn)品，可以即時使用。首先得通過計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）或計算機(jī)動畫建模軟件建模，再將建成的三維模型“切片”成逐層的截面數(shù)據(jù)，并把這些信息傳送到3D打印機(jī)上，3D打印機(jī)會把這些切片堆疊起來，直到一個固態(tài)物體成型。把三維模型“切片”至于怎么堆疊這些“切片”，方式有很多種，小型3D打印機(jī)最為常用的就是用液態(tài)材料沉積成型，這個有點(diǎn)類似噴墨打印機(jī)，只不過噴頭噴出的不是墨水而是熱塑性塑料或共晶系統(tǒng)金屬等可迅速固化的材料。累枳技術(shù)基本材料，選擇性激光燒結(jié)tivelasersinterin

6、gs3LS)惑塑性塑料.金屬粉耒、隅瓷粉末直接金屬激光燒結(jié)(DiicctEetailaser5ir：ttrir:5DVLS)幾乎任何含金熔訓(xùn)沉幟成型(7depcsitiannode1injFUM)勲塑性塑粽吐晶翕統(tǒng)金鳳耳負(fù)用材料立體平(stereolithographyjSLA)jtSItWE(photopolymcr)數(shù)字免處哩(DLP)熔絲制璉(FusedFiluentFabricationfFFF)澱乳釀(PU).AESWJS融化壓模(HcltcdandExtrusianModelingsMEM)金屬練塑料線分層實體制造(laminatedobjectTanufacturinffLOM)

7、紙、金屬膜.塑J4SK電子束熔化成型(ELEUtronbeammeltingjEBU)tt合金速擇性熱燒結(jié)(Selectiveht昔扌merin和SH5)Tlicraoplftsticponder耕末層噴頭維打E卩(en:Fowderbedandinkjethead3dprinting7PP)工作臺每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可

8、循環(huán)利用。打印耗材由傳統(tǒng)的墨水、紙張轉(zhuǎn)變?yōu)槟z水、粉末，當(dāng)然膠水和粉末都是經(jīng)過處理的特殊材料，不僅對固化反應(yīng)速度有要求，對于模型強(qiáng)度以及打印”分辨率都有直接影響。3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)600dpi分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。受到噴打印原理的限制，打印速度勢必不會很快，較先進(jìn)的產(chǎn)品可以實現(xiàn)每小時25毫米高度的垂直速率，相比早期產(chǎn)品有10倍提升，而且可以利用有色膠水實現(xiàn)彩色打印，色彩深度高達(dá)24位。由于打印精度高，打印出的模型品質(zhì)自然不錯。除了可以表現(xiàn)出外形曲線上的設(shè)計，結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動部件也不在話下。如果用來打印機(jī)械裝配圖，齒輪、軸承、拉桿等都可以正?；顒?，

9、而腔體、溝槽等形態(tài)特征位置準(zhǔn)確，甚至可以滿足裝配要求，打印出的實體還可通過打磨、鉆孔、電鍍等方式進(jìn)一步加工。同時粉末材料不限于砂型材料，還有彈性伸縮、高性能復(fù)合、熔模鑄造等其它材料可供選擇。下面以ImakerUltimaker為例詳細(xì)解釋3D打印機(jī)的工作原理。關(guān)于ImakerUltimakerMakerIII設(shè)計師專用3D打印機(jī)iMakerIII3D打印機(jī)系列是專為設(shè)計師和藝術(shù)家量身打造的智能3D打印機(jī)，致力于設(shè)計師和藝術(shù)家提供藝術(shù)級的3D打印輸出。MakerIII3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示料-一今務(wù)于41SD+接收從計覧杭irSbjj連迥由用帶訂總維禍匸武*5D卡！jiTSE中其中

10、x軸y軸由皮帶傳動。Z軸為精度更高的螺桿傳動。步進(jìn)電機(jī)控制螺桿轉(zhuǎn)動，更加精確地提升基板。電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動皮帶與X軸上的齒輪軸。齒輪軸傳導(dǎo)帶動X軸方向皮帶。皮帶上的齒輪控制連桿沿X軸運(yùn)動。Y軸運(yùn)動方式與X軸相同。SImakerIII3D打印機(jī)由主電路板、4個步進(jìn)電機(jī)控制電路板、1個噴頭控制電路板構(gòu)成。rMU“PE艮屮;盂.A咤.二.Ln-ft-主電路板采用標(biāo)準(zhǔn)的PC電源接口，所有步進(jìn)電機(jī)控制電路板和噴頭控制電路板所需的控制信號都由主電路板發(fā)出。2、材料選擇一臺3D打印機(jī)一般由300500個零件組成。零件主要包括沖壓件，注塑料件，橡膠件。沖壓件以鋼材（鍍鋅）和不銹鋼304為主。塑料件以ABS,PC,P

11、OM等原料為主，也有加入玻璃纖維的材料，耐高溫材料和導(dǎo)電材料。橡膠件由乙丙橡膠，丁腈膠，天然橡膠，加硫化劑和發(fā)泡劑原料做成。其他材料（彈簧，密封圈等）與普通打印機(jī)一樣。下面主要介紹一下膠合板和氮化鋼這兩種材料。膠合板MakerIII3D打印機(jī)外部框架主要使用了膠合板這種材質(zhì)。膠合板是由木段旋切成單板或由木方刨切成薄木，再用膠粘劑膠合而成的三層或多層的板狀材料，通常用奇數(shù)層單板，并使相鄰層單板的纖維方向互相垂直膠合而成。膠合板以木材為主要原料生產(chǎn)的膠合板，由于其結(jié)構(gòu)的合理性和生產(chǎn)過程中的精細(xì)加工，可大體上克服木材的缺陷大大改善和提高木材的物理力學(xué)性能，膠合板生產(chǎn)是充分合理地利用木材、改善木材性能

12、的一個重要方法。MakerIII3D打印機(jī)大量使用膠合板，膠合板強(qiáng)度大，抗彎性能好，在一些需要承重的結(jié)構(gòu)部位，能夠很好地承重但又減輕打印機(jī)自身的重量，降低制作打印機(jī)的成本。氮化鋼MakerIII3D打印機(jī)中螺桿使用的材質(zhì)是氮化鋼，由于螺桿需要耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、并具有高強(qiáng)度和良好的切削加工性能，以氮化鋼為主要材料的螺桿綜合性能比較優(yōu)異，應(yīng)用比較廣泛。一般氮化層達(dá)0.40.6毫米。但這種材料抵抗氯化氫腐蝕的能力低，且價格較高。原材料選擇MakerIII3D打印機(jī)可支持ABS塑料、PLA塑料等，下面以PLA塑料為例。PLA是生物降解塑料聚乳酸的英文簡寫聚乳酸也稱為聚丙交酉（polylactid

13、e），屬于聚酯家族。聚乳酸是以乳酸為主要原料聚合得到的聚合物，原料來源充分而且可以再生主要以玉米、木薯等為原料。聚乳酸的生產(chǎn)過程無污染，而且產(chǎn)品可以生物降解，實現(xiàn)在自然界中的循環(huán)，因此是理想的綠色高分子材料。聚乳酸的熱穩(wěn)定性好，加工溫度170230C，有好的抗溶劑性，可用多種方式進(jìn)行加工，如擠壓、紡絲、雙軸拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的產(chǎn)品除能生物降解外，生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性好，還具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分廣泛，可用作包裝材料、纖維和非織造物等，目前主要用于服裝內(nèi)衣、外衣）、產(chǎn)業(yè)（建筑、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、造紙）和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。通過送料機(jī)將PLA塑料絲送進(jìn)與

14、噴頭相連的導(dǎo)管中，令原本直徑為1.7mm的PLA塑料絲經(jīng)過溫度高達(dá)210C的高溫噴頭，噴出直徑為0.040.4mm的細(xì)絲。3D打印機(jī)噴頭，配有加熱器、風(fēng)扇、耗材輸入口。通過步進(jìn)電機(jī)控制高溫噴頭沿x、y、z軸運(yùn)動，將融化后的PLA塑料絲噴在110C輸出基板上，將輸出模型的底板固定，然后開始逐層打印。3、制造工藝3D打印機(jī)的制造工藝主要主要包括SLA、FDM、SLS、3DP、LOM。SAL:立體光刻造型技術(shù)、立體光固化成型法技術(shù)原理：用特定波長與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)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

15、疊加構(gòu)成一個三維實體。優(yōu)勢：光固化成型法是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，成熟度高，經(jīng)過時間的檢驗。由CAD數(shù)字模型直接制成原型，加工速度快，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，無需切削工具與模具?？梢约庸そY(jié)構(gòu)外形復(fù)雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具。使CAD數(shù)字模型直觀化，降低錯誤修復(fù)的成本。為實驗提供試樣，可以對計算機(jī)仿真計算的結(jié)果進(jìn)行驗證與校核。可聯(lián)機(jī)操作，可遠(yuǎn)程控制，利于生產(chǎn)的自動化。缺陷：SLA系統(tǒng)造價高昂，使用和維護(hù)成本過高并且要對液體進(jìn)行操作的精密設(shè)備，對工作環(huán)境要求苛刻。成型件多為樹脂類，強(qiáng)度，剛度，耐熱性有限，不利于長時間保存。預(yù)處理軟件與驅(qū)動軟件運(yùn)算量大，與加工效果關(guān)聯(lián)性太高。軟件系統(tǒng)操作復(fù)雜，

16、入門困難使用的文件格式不為廣大設(shè)計人員熟悉。FDM：中文名稱熔融沉積成型技術(shù)原理：將絲狀（直徑約2mm）的熱塑性材料通過噴頭加熱熔化，噴頭底部帶有微細(xì)噴嘴（直徑一般為0.20.6），供材料以一定的壓力擠噴出來同時噴頭沿水平方向移動，而工作臺沿豎直方向移動。這樣擠出的材料與前一個層面熔結(jié)在一起，一個層面沉積完成后,工作臺按預(yù)定的增量下降一個層的厚度，再繼續(xù)熔融沉積，直至完成整個實體造型oFDM工藝使用兩種材料：一種是沉積實體部分的成型材料另一種是沉積空腔或懸臂部分的支撐材料。優(yōu)勢：這種技術(shù)成型精度更高、成型實物強(qiáng)度更高、可以彩色成型。缺陷：成型后表面粗糙，目前不適合高精度的應(yīng)用。SLS：選擇性激

17、光燒結(jié)技術(shù)原理：利用粉末材料在激光照射下燒結(jié)的原理，由計算機(jī)控制層層堆結(jié)成型。SLS技術(shù)同樣是使用層疊堆積成型，所不同的是，它首先鋪一層粉末材料，將材料預(yù)熱到接近熔化點(diǎn)，再使用激光在該層截面上掃描，使粉末溫度升至熔化點(diǎn)，然后燒結(jié)形成粘接,接著不斷重復(fù)鋪粉、燒結(jié)的過程，直至完成整個模型成型。優(yōu)勢：成品精度好、強(qiáng)度高，但是最主要的優(yōu)勢還是在于金屬成品的制作。激光燒結(jié)可以直接燒結(jié)金屬零件，也可以間接燒結(jié)金屬零件，最終成品的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他D打印技術(shù)。缺陷：粉末燒結(jié)的表面粗糙，需要后期處理，其次使用大功率激光器，除了本身的設(shè)備成本，還需要很多輔助保護(hù)工藝，整體技術(shù)難度較大，制造和維護(hù)成本非常高，普通用

18、戶無法承受，所以目前應(yīng)用范圍主要集中在高端制造領(lǐng)域，而目前尚未有桌面級SLS3D打印機(jī)開發(fā)的消息，要進(jìn)入普通民用領(lǐng)域，可能還需要一段時間。3DP:三維粉末粘接技術(shù)原理：該技術(shù)通過使用液態(tài)連結(jié)體將鋪有粉末的各層固化，以創(chuàng)建三維實體原型?；?DP技術(shù)，美國ZCorp公司開發(fā)了3d打印成型機(jī)。3d打印機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印技術(shù),通過將液態(tài)連結(jié)體鋪放在粉末薄層上，逐層創(chuàng)建各部件。與2d平面打印機(jī)在打印頭下送紙不同，3d打印機(jī)是在一層粉末的上方移動打印頭，打印橫截面數(shù)據(jù)。彩色3d打印機(jī)打印成型的樣品模型與實際產(chǎn)品具有同樣的色彩。您可以將彩色分析結(jié)果直接描繪在模型上，或者注釋并標(biāo)記設(shè)計更改，以便進(jìn)一步增強(qiáng)模型樣品所傳遞的信息值。優(yōu)勢：成型速度快，成型材料價格低，適合做桌面型的快速成型設(shè)備。在粘結(jié)劑中添加顏料，可以制作彩色原型，這是該工藝最具競爭力的特點(diǎn)之一。成型過程不需要支撐，多余粉末的去除比較方便，特別適合于做內(nèi)腔復(fù)雜的原型。另外此技術(shù)最大優(yōu)點(diǎn)是能直接打印彩色，無需后期上色。目前市面上打印人像的基本采用次技術(shù)。缺陷：強(qiáng)度較低，只能做概念型模型，而不