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【科普】3D打印技术是什么?全民了解3D打印

来源:杰呈3D打印 发布时间:2018/7/4 10:31:16 浏览次数:196
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1、3D打印科普小视频

2、3D打印技术简介

3D打印技术是上世纪80年代由美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)提出的先进制造技术。后来MIT将此技术转让给了一家商用公司,使得此项先进的制造技术渐渐地普及于世。虽然MIT并没有在3D打印技术的商业推广上做出多大贡献,但是由于其在此项技术上难以抹灭的开拓式的科研建树,使得麻省理工学院还是被业界普遍认为是此项技术的鼻祖。3D打印技术是一种多学科高度集成的产物,是近三十年来传统制造业技术的一次重要革新。3D打印技术涉及机械工程、计算机科学、数控技术、材料科学等学科领域。它将储存在计算机中的一张张三维图纸,依据图纸上所记录的数据内容,在计算机的控制下,通过3D打印服务迅速地制造出具有一定功能和结构的原型、零部件以及产品。并且制造出来的物体具有一定的功能性,或作为母模,或作为样件,或作为工艺品等。

333.JPG

与传统的减材制造方式相比,3D打印的最大特点就是将原来物品的制作从减法变成了加法。所谓3D打印,其原理就是以计算机三维造型为蓝本,通过专用分层切片软件把三维物体沿成型方向上切片,即把物体进行降维处理,将三维物体离散为二维层片,然后利用激光、热熔喷头、高能电子束、光掩模、树脂喷头等手段将光敏树脂、金属粉末、陶瓷粉末、纸、生物细胞或组织、塑料等各种材料按照计算机事先确定好的轮廓逐层堆积粘接或烧结,最终叠加成型,形成具有一定功能的成型制件,其成型过程可用下图描述。

快速成型离散叠加过程.JPG

3、3D打印技术类别

3D打印技术的分类有许多种方法,从利用的加工工具类型来分,可以把3D打印分为利用激光或其它光源加工的和基于喷头喷射加工的两种大的类型;按照加工材料的类型来分,可以将3D打印分为以树脂为主原料的3D打印技术、以粉末为主原料的3D打印技术以及以塑料丝材为主原料的3D打印技术。以光敏树脂原料为主的3D打印技术的代表就是立体光固化3D打印技术(Stereo Lithography Apparatus,SLA);以粉末为主原料的3D打印技术的代表是选择性激光烧结3D打印技术(Selective LaserSintering, SLS);而以塑料丝材为主原料的3D打印技术的代表是熔融沉积成型3D打印技术(Fused Deposition Modeling,FDM)。除此之外常用的3D打印技术还有迭层实体制造技术(Laminated Object Manufacturing,LOM),三维印刷技术(ThreeDimensional Printing,3DP)以及选区激光融化技术(Selective Laser Melting,SLM)等。下面对以上技术加以选择性的介绍。


1)熔融沉积成型技术(FDM)

熔融沉积成型技术首先需要将三维模型在专用软件里分层切片。然后把塑料丝材用200-400摄氏度的温度在喷嘴中熔化成液态。再把这些液态的塑料材料一滴滴从喷头挤出,这些液态塑料从喷头中被挤出后,会迅速固化,通过这些微小的塑料颗粒在空间中的立体排布形成如三维模型所示的实物,图1-2为FDM技术原理图。此种技术的成型件精度较高,同时也具备一定的强度,并且可以彩色打印。熔融沉积成型的一个优点体现在材料价格的优势上,该种工艺的成型材料主要为塑料丝材,因此运营成本较低。另外,由于塑料种类繁多,因此可利用材料种类较多,而且该技术工艺简单易行,适合在办公场合应用。不过熔融沉积成型相对于光固化3D打印精度要低,并且由于喷头体积较大,因而精确的机械移动相对更难保证,对于复杂的物体来说不易制造。因此,该技术适合产品概念原型的制作以及形状或功能的测试,或中小型并且复杂程度亦呈中等的原型件制作,不太适合大型物体的生产。

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2)选择性激光烧结技术(SLS)

选择性激光烧结技术是上世纪八十年代末由美国德克萨斯大学奥斯丁分校的C.R.Dechard研制的直接针对金属粉末的3D打印技术。选择性激光烧结技术的生产原料主要是金属粉末,首先成型缸盛装一定成型材料并利用刮板刮平,其次通过高强度的二氧化碳激光器在铺好的成型粉末上按照层片轮廓在计算机的控制下进行扫描熔化,被高能激光击中的金属粉末便会被烧结在一起,形成截面图形。当一层加工完毕后,成型缸下降一个层厚,送粉辊从盛粉缸中将金属粉末推送到成型缸并铺平,并按照上述步骤进行层片的加工,直至整个物体顺利成型,图1-3为SLS工艺原理示意图。可想而知,由于选择性激光烧结技术所利用的原材料原因,此种技术所生产的零件强度要较之SLA或者FDM所生产的零件强度要高得多。因而,选择性激光烧结技术所生产的零件通常可以用来当作结构功能件。并且由于金属材料种类众多,所以此种技术可利用的材料范围广,而且还可按不同比例合成新材料。不过,由于是对金属粉末的烧结,因此激光头能耗很高,设备需时常维修、更换,运行费用昂贵,所以生产成本有点难以接受。

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