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增材制造——3D打印的正称

发布时间:2017-12-07 08:59:00 文章来源:未来智讯    
    关键词:增材制造,三维打印
    中图分类号:N04 ;TP3文献标识码:A文章编号:1673-8578(2013)04-0046-04
    收稿日期:2013-07-15
    作者简介:余前帆(1969—),男,江西樟树人,硕士,全国科学技术名词审定委员会副编审,主要研究方向为计算机科学技术等。通信方式:yuqf@cnctstgovcn。
    近来,3D打印这一名词频频出现在有关科技创新的新闻报道中,越来越多的读者开始注意到3D打印技术和3D打印机。这种数字化信息技术与新材料的结合,被西方媒体誉为将带来“第三次工业革命”的新技术,已经开始撼动传统的制造行业,必将催生以定制式数字制造为特征的新时代。为了使读者对3D打印技术有所了解,我们在这里对3D打印技术及相关名词和概念进行简要的介绍。
    一三维打印概念的起源
    从构词结构上看,3D打印是包含英文字母的汉语字母词,并不是一个规范的术语。它的英文全称为three dimensional printing(简称为3D printing或3DP),中文名称应为三维打印,也有资料译作三维印刷。三维打印技术诞生于20世纪80年代的美国,中国从1991年开始研究三维打印技术,当时的名称叫快速原型技术(rapid prototyping,RP),即开发样品之前的实物模型。
    三维打印作为科技名词具有狭义和广义两种概念。狭义上的三维打印在业内专指快速成型制造的一种工艺,它是于20世纪80年代由美国麻省理工学院教授伊曼纽尔·萨克斯(Emanuel M Sachs)和他的学生保罗·威廉姆斯(Paul Williams)发明的。这种工艺的流程是,先铺好粉末,然后用喷墨打印机的方式喷出黏结剂,反复操作,最后打印出产品。
    二广义的规范名称:增材制造
    为便于快速原型制度技术的推广和公众的接受,业界把这一类基于离散——堆积原理,由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系,统称为三维打印,也就是广义上的三维打印,但是在国内外学术界和政府文件里则称为增材制造(additive manufacturing, AM;英文也曾写作material increase manufacturing,MIM)[1]。
    通俗地讲,增材制造是相对传统制造业采用的减材制造而言的。减材制造就是通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削、去除,从而最终生产出成品。与减材制造方法正相反,增材制造是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,它将三维实体变为若干个二维平面,通过对材料处理并逐层叠加进行生产,就好比用砖头砌墙,逐层增加材料,最终形成物件。它是一种“自下而上”的制造方法,大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、庞大的机床、众多的人力,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。从技术上说,增材制造技术具有数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造、快速制造等五大技术特征①。增材制造技术的核心是数字化、智能化制造与材料科学的结合,它是以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。
    近二十年来,增材制造技术取得了快速的发展,早期出现过快速制造(rapid manufacturing, RM)、快速原型(rapid prototyping,RP)、快速原型制造(rapid prototype manufacturing, RPM)、分层制造技术(layered manufacturing technology,LMT)、实体自由制造(solid freeform fabrication, SFF)等不同的名称,从不同侧面表达了这一技术的特点。增材制造技术将会广泛应用在科学研究、航空航天、国防、医疗、建筑设计、产品原型、文物保护、制造业、食品、汽车制造、配件、饰品等领域。
    三增材制造技术的工艺类型
    增材制造技术结合了众多当代高新技术,包括计算机辅助设计、数控技术、激光技术、材料技术等,并将随着技术的更新而不断发展。自1986年出现至今,短短二十几年,世界上已有大约二十多种不同的成型方法和工艺,而且新方法和工艺不断地出现。三维打印机采用的增材制造技术的主要工艺有:立体光刻、分层实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积成型、激光工程化净成型、无模铸型制造和三维打印等。
    立体光刻(stereo lithography, SLA),也有资料译成光固化、光造型。这种工艺是由美国的查尔斯·赫尔(Charles Hull)于20世纪80年代发明,1986年美国3D Systems公司推出商品化样机SLA1,这是世界上第一台快速原形系统。其工艺过程是以液态光敏树脂为材料充满液槽,由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹,并照射到液槽中的液体树脂,而使这一层树脂固化,之后升降台下降一层高度,已成型的层面上又布满一层树脂,然后再进行新一层的扫描,新固化的一层牢固地黏在前一层上,如此重复直到整个零件制造完毕,得到一个三维实体模型。该工艺的特点是原型件精度高,零件强度和硬度好,可制出形状复杂的空心零件,生产的模型柔性化好,可随意拆装,是间接制模的理想方法。缺点是需要支撑,树脂收缩会导致精度下降,另外树脂有一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势等[2]。
    分层实体制造(laminated object manufacturing, LOM),也有资料译成叠层实体制造。这种工艺由美国Helisys公司的迈克尔·费金(Michael Feygin)于1986年研制成功。其工艺原理是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等,将所获得的层片黏结成三维实体。其工艺过程是首先铺上一层箔材,如纸、塑料薄膜等,然后用激光在计算机控制下切出本层轮廓,非零件部分全部切碎以便于去除。当本层完成后,再铺上一层箔材,用滚子碾压并加热,以固化黏结剂,使新铺上的一层牢固地黏结在已成型体上,再切割该层的轮廓,如此反复直到加工完毕,最后去除切碎部分以得到完整的零件。该工艺的特点是工作可靠,模型支撑性好,成本低,效率高。缺点是前、后处理费时费力,且不能制造中空结构件。由于该工艺材料仅限于纸或塑料薄膜,性能一直没有提高,因而逐渐走入没落,大部分机构已经或准备放弃该工艺。
         选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS),也有资料译成激光选区烧结。这种工艺最早由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的研究员德卡德(CR Dechard)于1989年研制成功。该工艺常采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成型材料。其工艺过程是先在工作台上铺上一层粉末,在计算机控制下用激光束有选择地进行烧结,被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。一层完成后再进行下一层,新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后,去除多余的粉末,便得到烧结成的零件。该工艺的特点是材料适应面广,不仅能制造塑料零件,还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。
    熔融沉积成型(fused deposition modeling,FDM),也有资料译成混合沉积建模、熔融挤出成型。这种工艺由美国学者在1988年首次提出,美国Stratasys公司在1992年开发推出第一台商业机型。其工艺过程是以热塑性成型材料丝为材料,材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体,由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动,使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出,覆盖于已建造的零件之上,并在极短的时间内迅速凝固,形成一层材料。之后,挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。该工艺的特点是使用、维护简单,制造成本低,速度快,一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型,且无污染[3]。
    激光工程化净成型(laser engineered net shaping,LENS),也有资料译成激光近形制造技术或者激光近净成型技术。这种工艺是由美国Sandia国立实验室首先提出的。它将选择性激光烧结工艺和激光熔覆工艺(laser cladding)相结合,快速获得致密度和强度均较高的金属零件。选择性激光烧结工艺如前所述。激光熔覆工艺是利用高能密度激光束将具有不同成分、性能的合金与基材表面快速熔化,在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程。激光工程化净成型工艺既保持了选择性激光烧结技术成型零件的优点,又克服了其成型零件密度低、性能差的缺点[4]。
    无模铸型制造(patternless casting manufacturing,PCM)是由清华大学激光快速成型中心于1997年开发研制。其工艺过程是首先从零件计算机辅助设计(CAD)模型得到铸型CAD模型。通过计算机分层得到截面轮廓信息,再以层面信息产生控制信息。造型时,第一个喷头在每层铺好的型砂上喷射黏结剂,第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂,两者发生胶联反应,一层层固化型砂而堆积成型。在得到的砂型的内表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇注金属。该工艺的特点是制造时间短,无需木模,一体化造型,型和芯同时成型,可制造含自由曲面、曲线的铸型[5]。
    三维打印工艺,即上文所说的由伊曼纽尔·萨克斯教授等人发明的一种快速原型制造工艺。三维打印工艺与选择性激光烧结工艺类似,采用粉末材料成形,如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的,而是通过喷头用黏结剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。具体工艺过程如下:上一层黏结完毕后,成型缸下降一个距离,供粉缸上升一高度,推出若干粉末,并被铺粉辊推到成型缸,铺平并被压实。喷头在计算机控制下,按照下一个建造截面的成型数据有选择地喷射黏结剂建造层面。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射黏结剂,最终完成一个三维粉体的黏结。未被喷射黏结剂的地方为干粉,在成形过程中起支撑作用,成形结束后易于去除[6]。
    四三维打印技术的延伸:四维打印
    当人们正在为三维打印技术感到惊叹的时候,科研人员紧接着又推出了四维打印技术。2013年2月在美国洛杉矶举办的“2013科技、娱乐、设计大会”上,来自美国麻省理工学院自我组装实验室的斯凯勒·蒂比茨(Skylar Tibbits)向人们展示了四维打印技术。
    四维打印(four dimensional printing,4DP),俗称4D打印。四维打印是由麻省理工学院与三维打印技术的领先企业Stratasys公司的教育研发部门合作研发的,是一种无需打印机器就能让材料快速成型的革命性新技术。所谓第四维度指的是时间,就是在三维打印的基础上增加时间元素。人们可以通过计算机软件设定模型和时间,让物体随着时间的推移自我进行变化,按照产品的设计自动变形成相应的形状。四维打印的关键材料是记忆合金,准确地说,四维打印是一种能够自动变形的材料,直接将设计内置到物料当中,不需要连接任何复杂的机电设备,就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。与之前三维打印概念相比,四维打印具备更大的发展前景。
    注 释:
    ① 参见张人佶2013在山西新产业革命国际论坛——数字制造、能源互联网和高性能计算的发言《增材制造的技术特征及发展潜力》。
    参 考 文 献
    [1]林峰,牛禄青3D打印“真面目”[J]新经济导刊,2013(4):38-42
    [2]洪啸吟,孟怀东,阴金香立体光刻技术[J]感光科学与光化学,1997,15(3):276-286
    [3]张慧杰,胡国清,刘文艳,等快速原型技术研究综述[J]机械,2004,31(6):1-7
    [4]尚晓峰,刘伟军,王天然,等激光工程化净成形技术的研究[J]工具技术,2004,38(1):22-25
    [5]智造网无模铸型制造技术(PCM)——制作大型铸件的快速成型工艺[EB/OL](2012-11-09) http://wwwidnovocomcn/special/2012/1109/article_1293html
    [6]胡迪·利普森,梅尔芭·库曼3D打印:从想象到现实[M]赛迪研究院专家组,译北京:中信出版社,2013:79-85
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