未来智讯 > 3D打印论文 > 3D打印技能及其应用发展研讨

3D打印技能及其应用发展研讨

发布时间:2018-12-28 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    3D打印技能及其应用发展研讨作者: 张曼   【摘要】本文通过分析3D打印机的原理,归纳了几种典型的3D打印技能,分析其市场应用和发展方向,得出3D打印技能的发展会引领第三次工业革命的发展。
  【关键词】3D;打印机;3D打印技能
  1.前言
  最近,三维(3D)打印技能[1]在发达国家兴起,前未几在网上流传的3D打印手枪,引来许多网友围观。3D打印如今已不再不过观念产物,全球已有不少公司推出了个人3D打印机,它已在平凡生活中起初普及。2012年4月,英国《经济学人》刊文认为,3D打印技能将与其他数字化生产模式一同,推动第三次工业革命的实现。传统制造技能是“减材制造技能”,3D打印则是“增材制造技能”,它具有制造成本低、生产周期短等明显优势。
  2.3D打印机的原理及技能
  2.1 3D打印机
  3D打印机是近年来在民用市场出现的一个新词。在专业领域有另一个名称叫“快速成形技能”[2]。快速成形技能诞生于20世纪80年代后期,是基于材料堆积法的一种全新制造技能。它集分层制造技能、机械工程、数控技能、CAD、激光技能、逆向工程技能、材料科学于一体,能够直接、快速、自动、精确地将设计电子模型转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而为零件原型制作、新设计思维的校验等方面提供了一种低成本而高效的实现手段。快速成形技能便是利用三维CAD的数据,通过快速成型机,将一层层的材料堆积成实体原型。
  不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同,成形原理和系统特点也各有不同。然而基本原理一样,那便是“分层制造,逐层叠加”[3],类似于数学上的积分过程。形象地讲,快速成形系统就像是一台“立体打印机”,因此得名。
  2.2 3D打印机的原理
  3D打印机根据零件的形状,每次制做一个具有一定细小厚度和特定形状的截面,然后再把它们逐层粘结起来,就得到了所需制造的立体的零件。
  每个截面数据非常于医学上的一张CT像片;整个制造过程就像一个“积分”的过程。
  整个过程是在电脑的抑制下,由3D打印系统自动完成的。不同公司3D打印使用的成形材料不同,系统的事务原理也有所区别,但其基本原理都是一样的,那便是“分层制造、逐层叠加”。这种工艺能够形象地叫做“增长法”。
  2.3 3D打印技能
  2.3.1 SLA技能
  光固化成型法(SLA)是用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由点到线,由线到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。SLA是最早实用化的快速成形技能,选取液态光敏树脂原料。其工艺过程是,最初通过CAD设计出三维实体模型,利用离散程序将模型进行切片处理,设计扫描路径,产生的数据将精确抑制激光扫描器和升降台的运动;激光光束通过数控装置抑制的扫描器,按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面,使表面特定区域内的一层树脂固化后,当一层加工完毕后,就生成零件的一个截面;然后升降台降落一定距离,固化层上覆盖另一层液态树脂,再进行第二层扫描,第二固化层牢固地粘结在前一固化层上,这样一层层叠加而成三维工件原型。将原型从树脂中取出后,进行最后固化,再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。
  SLA技能主要用于制造多种模具、模型等;还能够在原料中通过投入其它成分,用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技能成形速度较快,精度较高,但由于树脂固化过程中产生收缩,不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。
  2.3.2 SLS技能
  选择性激光烧结技能(SLS)是选取激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成型的固化层,层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。
  整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成,事务时粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(事务活塞)上均匀铺上一层,计算机根据原型的切片模型抑制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以变成零件的一个层面。粉末完成一层后,事务活塞降落一个层厚,铺粉系统铺上新粉。抑制激光束再扫描烧结新层。如此循环来去,层层叠加,直到三维零件成型。最终,将未烧结的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件。对于金属粉末激光烧结,在烧结之前,整个事务台被加热至一定温度,可削减成型中的热变形,并利于层与层之间的联合。
  与其它3D打印机技能相比,SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说,任何加热后可以变成原子间粘结的粉末材料都能够作为SLS的成型材料。目前,可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件本能分布广泛、符合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统,所以SLS的应用广泛。
  2.3.3 PDM技能
  熔积成型(FDM)法,该方法使用丝状材料(石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝)为原料,利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度(约比熔点高1℃),在计算机的抑制下,喷头作x-y平面运动,将熔融的材料涂覆在事务台上,冷却后变成工件的一层截面,一层成形后,喷头上移一层高度,进行下一层涂覆,这样逐层堆积变成三维工件。
  该技能污染小,材料能够回收,用于中、小型工件的成形。成形材料:固体丝状工程塑料;制件本能非常于工程塑料或蜡模;主要用于塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。
  2.3.4 LOM技能
  分层实体制造法(LOM),又称层叠法成形,它以片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料,其成形原理如图所示,激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据,将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后,送料机构将新的一层纸叠加上去,利用热粘压装置将已切割层粘合在一同,然后再进行切割,这样一层层地切割、粘合,最后成为三维工件。LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等,此方法除了能够制造模具、模型外,还能够直接制造结构件或功能件。   LOM技能的优点是事务可靠,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。成形材料主要是涂敷有热敏胶的纤维纸;制件本能非常于高级木料;主要用途是快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。
  3.3D打印技能的市场应用及发展方向
  3.1 建筑设计领域
  建筑模型的传统制作方式,渐渐无法满足高端设计项目的要求。全数字还原不失真的立体展示和风洞及相关测试的标准,现现在众多设计机构的大型设施或场馆都利用3D打印技能先期构建精确建筑模型来进行效果展示与相关测试[4],3D打印技能所发挥的优势和无可比拟的逼真效果为设计师所认同。
  3.2 磨具制造领域
  玩具制作等传统的模具制造领域[5],往往模具生产时间长,成本高。将3D打印技能与传统的模具制造技能相联合,能够大大缩短模具的开发周期,提高生产率,是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。3D打印技能在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种,直接制模是指选取3D打印技能直接堆积制造出模具,间接制模是先制出快速成型零件,再由零件复制得到所需要的模具。
  3.3 医学领域
  在医学领域的应用近几年来,人们对3D打印技能在医学领域的应用研讨较多。以医学影像数据为基础,利用3D打印技能制作人体器官模型,对外科手术有极大的应用价值,近年来许多医院推出3D打印胎儿服务。
  3.4 航空航天领域
  在航空航天领域中,空气动力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计本能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性,选取3D打印技能,根据CAD模型,由3D打印设备自动完成实体模型,可以很好的保证模型质量。
  3.5 家电和食品领域
  3D打印技能在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用,使许多家电企业走在了国内前列。美的、华宝、小天鹅、海尔等都先后选取3D打印技能来开发新产品,收到了很好的效果。
  3D打印在食品领域也有成功的应用。做成的鲜肉特别有弹性,而且烹饪后肉质松散有嚼头,丝毫不逊于真正的肉,就连肉里的微细血管都能打印出来。人们吃到“3D肉”的日子不会太远,因为美国泰尔基金会近日已投资成立了“鲜肉3D打印技能公司”,希望可以为大众提供平安放心的猪肉产品。这种利用糖、蛋白质、脂肪、肌肉细胞等原材料打印出的肉具有和真正的肉类相似的口感和纹理,就连肉里的微细血管都能打印出来。
  4.归纳
  3D打印是家当界自主创新的过程,政府主要负责指引方向,要让民营企业有充分的自主发展空间,同时对一些敏感行业或者产品要加强监管。3D打印技能市场潜力巨大,势必成为引领未来制造业趋势的众多突破之一。这些突破将使工场彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具,改由更加灵巧的电脑软件主宰,这就是第三次工业革命的到来的标志[6]。在这种势头下,传统的制造业将逐步失去竞争力。
  参考文献
  [1]古丽萍.蓄势待发的3D打印机及其发展[J].北京:数码印刷,2011(10):64-67.
  [2]丁军涛.快速成形技能在企业实际生产中的应用[J].陕西:科技探索,2012(8).
  [3]郑利文.Objet Geometries公司推出多种复合材料3D打印机[J].北京:模具工业,2008(2):73.
  [4]梁晨光.3D打印技能纵览“印”出来的真实世界[J].北京:微型计算机,2008(6):106-109.
  [5]乔益民,王家民.3D打印技能在包装容器成型中的应用[J].重庆:包装工程,2012(11):68-72.
  [6]丁博强.3D打印推动第三次工业革命[J].上海:创意家当,2013(2).
  作者简介:张曼(1987—),女,安徽寿县人,硕士,重庆工商职业学院电子信息工程系助教,研讨方向:图形图像、计算机网络。
转载请注明来源。原文地址:https://www.7428.cn/page/2018/1228/68464/
 与本篇相关的热门内容: