3D打印技术

3D打印技术机电工程学院邓平目录1.概述2.典型技术分析3.打印材料的制备4.总结1.概述3D打印技术的核心思想最早起源于19世纪末的美国，当时进行的是照相雕塑和地貌成型技术研究。到20世纪80年代中期已有雏形，1986年美国人CharlesHull发明了第一台3D打印机。3D打印这个名词也是由麻省理工学院在1995年创造的。我国从1991年开始研究3D打印技术。90年代末期，大家开始研究金属材料快速成形技术，但难度很大。2000年前后，这些工艺从实验室研究逐步向工程化、产品化转化。当时叫快速原型技术（RP），即开发样品之前的实物模型。现在也有叫快速成型技术，增材制造。但为便于公众接受，把这种新技术统称为3D打印。2012年4月，英国《经济学人》刊文认为，3D打印技术将与其他数字化生产模式一起，推动第三次工业革命的实现。背景1.1涵义及原理3D打印技术是指由数字模型（CAD）直接驱动的，运用金属、塑料、陶瓷、树脂、蜡、纸、砂等可粘合材料，在快速成形设备里通过逐层叠加的方式来构造物理实体的技术。什么是3D打印技术？3D打印技术机械工程控制工程光学热学软件材料科学涉及领域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。但都是基于离散堆积原理——分层制造，逐层叠加。基本原理基本流程设计三维模型把三维数字模型离散为面、线和点再通过3D打印设备分层堆积三维的实物1.2组成•主要指3D打印机3D打印设备•辅助设计人员制作产品的三维数字模型，并根据模型自动分析出打印的程序，自动控制打印机和材料的操作。设计与控制软件•原材料必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性能。打印材料3D打印机是3D打印的核心装备。它是一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D打印机3D打印机喷射系统成型环境子系统数控系统高精度机械系统3D打印材料基本上可以分为高分子材料和金属材料两大类。高分子材料如光敏树脂、ABS、PC、尼龙粉、石膏粉、蜡等是打印主力材料；金属材料受工艺及自身特性局限，应用并不广泛。打印材料1.3类型3D打印有很多种工艺，如直接金属激光烧结（DMLS）、数字光处理（DLP）、熔丝制造(FFF）、融化压膜（MEM）、分层实体制造（LOM）、电子束熔化成型（EBM）、选择性热烧结（SHS）、粉末层3D打印（PP）等等。3D打印工艺分层实体制造LOM立体光固造型SLA选择性激光燃结SLS熔融沉积成型FDM打印紫外光照射固化的液体，精度可以达到每层厚度(0.05～0.15)mm。在高强度激光照射下将粉末材料烧结在一起形成物体截面。将高温熔化成液态的材料通过喷嘴挤压出一个个很小的球状颗粒，这些颗粒喷出后立刻固化并逐层形成物体。用激光切割一个薄层，然后一层层叠加。1.4特点及适用场合3D打印技术处理的是计算机模型，人们能设计出全新的形状而不用考虑制造上可能存在的局限性；它无需机械加工或制造出任何磨具，就能直接从计算机图形数据中生成零件；可缩短产品研制周期与加工流程，提高生产率；可提高材料利用率，降低成本；还可以通过不同的定制，满足人们个性化需求。3D打印是以数字化、网络化为基础，以个性化、短流程为特征，实现直接制造、桌边制造和批量定制。优点适用场合3D打印技术特别适用于单件小批量生产，形状复杂，多层嵌套和具有空腔结构的零件或物体的制造。1.5应用领域近年来，3D打印技术发展迅速，在各领域都取得了长足发展，已成为现代模型模具和零部件制造的有效手段。目前主要应用于汽车、航天军工、家电、船舶、医疗、影视、食品、创意等领域。2011年，英国科学家利用3D打印技术打印了一辆可以骑行的自行车，这辆尼龙自行车重量只有普通钢铝自行车的1/3，但坚固度毫不逊色。2011年底，英国南安普顿大学打印了一架翼展2米、最高时速可达160公里的无人驾驶小飞机。苏格兰科学家使用人类细胞打印出了世界上第一个人造肝脏组织。西北工业大学凝固技术国家重点试验室可一次打印超过5m的钛合金飞机部件,2014年投产的国产客机C919制造翼梁。歼-15主承力整体框等很多部件就是钛合金和M100钢3D打印的，目前中国先进战斗机上3D打印部件所占比例已超20%。国产客机C919制造翼梁歼15战斗机巧克力茶杯2.典型技术分析把材料用高温熔化成熔融状态，然后通过细小的喷嘴挤压并排列填充出一个截面，一层一层截面在堆叠起来形成三维实物。2.1熔融沉积成型FDM基本原理特点优点：成型机结构简单，成本低，材料广泛，强度较高，可以彩色成型，无环境污染；缺点：成型的精度稍差，成型表面较粗糙，操作温度较高。打印材料通常为热缩性高分子，如ABS、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯等。FDM工艺的主要技术指标是原型精度和成型时间。影响精度误差的原因主要有以下几方面：技术指标精度误差CAD模型前处理喷头导致的误差材料收缩成形过程中的层差FDM工艺参数设置为了获得高精度的FDM原型,一方面要通过试验研究FDM工艺的参数优化；另一方面就是在加工前数据处理时要给予精确的补偿。•通过大量研究及实验验证，可知影响原型精度和成型时间的最主要的因素有以下几种：原材料的变化喷头结构成形过程中的层差材料相变时的收缩应力应变影响精度为提高精度，应减小材料的收缩率，最基本的方法是设计时考虑收缩量进行尺寸补偿。传统开关转阀响应速度慢惯性的作用使多余的残料继续挤出可改为螺杆结构，或电磁阀式结构。相邻两层轮廓不同时成形轨迹不同上下层之间约束不一致复杂的应力和应变试验表明，基于分形扫描的路径可以减少层层之间应力，从而减少层差。挤出速度填充速度挤出速度和填充速度越快，成型时间越短。为了保证连续平稳地出丝，需要将挤出速度和填充速度进行合理匹配。影响因素影响说明分层厚度喷嘴直径分层厚度较小、喷丝较细时，原型精会较高，但成型时间较长。为保证上下层牢固粘结，分层厚度需小于喷嘴直径。喷头温度环境温度影响成形件的热应力大小。如喷头温度太低,则材料粘度加大，造成喷嘴堵塞，材料层间粘结强度降低。为了顺利成形，应该把成形室的温度设定为比挤出丝的熔点温度低1～2°。理想轮廓线的补偿量理想轮廓补偿量设置不合理直接影响成形件的尺寸和几何精度。应依据挤出丝截面的宽度来进行补偿。2.2选择性激光烧结SLS工艺参数与成形质量之间的关系是SLS技术的研究热点，国内对此进行了大量的研究。而由于烧结过程的复杂性，进行实时观察比较困难，因此，人们为了更好的理解烧结过程，对烧结过程也进行了一定量的研究。基本原理先把粉末材料铺好，再用高强度的红外激光扫描，将零件截面内的粉末烧结在一起，通过一层一层烧结，最终成型。特点优点：成型材料十分广泛，加工速度快，且无需使用支撑材料，打印物体结实；缺点：成型产品表面较粗糙，需后处理。主要是金属粉末、陶瓷、石蜡、塑料以及它们的复合粉末等打印材料由铺粉辊将粉末均匀铺在成型缸活塞上计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉控制激光束再扫描烧结新层如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型基本流程3.打印材料的制备目前3D打印材料主要类型是塑料，液态树脂和金属粉末。在家用领域，有石膏、光敏树脂、塑料等；在工业应用中，适用的金属材料只有10余种。在航空航天等隐性材料上，打印材料逐渐向碳化硅复合材料、高介电陶瓷等超颖材料发展。此外纳米材料在3D打印技术中也有很大的优势。3D打印金属材料主要用的韧性好的不锈钢和钛合金。打印材料有哪些？3.1高分子粉末材料的制备高分子材料具有粘弹性，在常温下粉碎时，产生的粉碎热会增加其粘弹性，使粉碎困难，同时被粉碎的粒子还会重新粘合而使粉碎效率降低，甚至会出现熔融拉丝现象，因此不能用常规粉碎法。低温粉碎法基本原理：在低温下高分子材料有一脆化温度Tb，当温度低于Tb时，物料变脆，有利于采用冲击式粉碎方式进行粉碎。低温粉碎法正是利用高分子材料的这种低温脆性来制备粉末材料的。适用材料：常见的高分子材料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚酯等都可采用低温粉碎法制备粉末材料。制备微米级高分子粉末方法溶剂沉淀法低温粉碎法制备高分子粉末材料时，首先将原料冷冻至液氮温度（-196℃），将粉碎机内部温度保持在合适的低温状态，加入冷冻好的原料进行粉碎。粉碎温度越低，粉碎效率越高，制得的粉末粒径越小，但制冷剂消耗量大。可根据原料性质而定，对于脆性较大的原料如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯类，粉碎温度可以高一些，而对韧性较好的原料如聚碳酸酯、尼龙、ABS等则应保持较低的温度。粉碎温度的确定低温粉碎法工艺较简单，能连续化生产；但需专用深冷设备，投资大，能量消耗大。而且制备的粉末颗粒形状不规则，粒度分布较宽。特点基本原理：溶剂沉淀法是将聚合物溶解在适当的溶剂中，然后采用改变温度或加入第二种非溶剂等方法使聚合物以粉末状沉淀出来。适用材料：特别适合于具有低温柔韧性的高分子材料，这类材料较难低温粉碎，细粉收率很低，如尼龙。溶剂沉淀法尼龙12粉末制备工艺制备的粉末微粒形状接近于球形，可以通过控制工艺条件生产出所需细度的粉末。一般来说，溶剂的用量越大，粉末粒径越小。3.2金属粉末的制备机械研磨法利用金属颗粒在不同应变速率下因产生变形而破碎细化的机理。其优点是对物料的选择性不强可以进行多种金属及合金的粉末制备。气流粉碎是利用气流的能量使物料颗粒发生相互碰撞或与固定板碰撞而粉碎。适用于脆性金属及其氧化物粉末的制备，工艺成熟，但在金属粉末的生产过程中消耗大量的惰性气体或氮气。金属粉末制备方法物理法溶胶凝法机械合金化法雾化法机械法机械研磨法冷气流粉碎法化学法电解法气相沉积法氧化还原法雾化法将作为芯核颗粒的金属(或合金)非金属、陶瓷粉末与另一种熔融的金属或合金熔体混合熔体用高速流体(通常用水空气氩气等)对其进行雾化制得金属粉末和复合粉末。机械合金化是通过两种或两种以上的金属或非金属粉体的球磨在固态下完成固相反应和相变获得细晶合金粉体目前机械合金化广泛用于制备纳米晶准晶金属间化合物和非晶合金等亚稳材料。化学气相沉积是在热、光和等离子体等的激活和驱动下使气态物质在气相或气固界面上发生化学反应从而制得稳定固态沉积物。溶胶凝胶法用于超细粉体表面包覆粒子的制备，包覆用溶胶的制备和包覆层的制备。将所需包覆的颗粒分散于所制备的溶胶中，再在一定的反应条件下完成凝胶化即可在颗粒表面形成所需的包覆层。4.总结3D打印技术虽然在近20年发展非常迅速，但是目前还有许多困难。成本偏高打印零件的尺寸有局限可打印材料种类偏少，某些特殊材料较难打印；精度和速度的限制，比如照相机镜头等需要超高精度的零件无法加工缺乏行业与技术标准和知识产权保护机制发展瓶颈3D打印设备将会朝着智能化、快速化、精密化、通用化方向发展，这将对打印速度与精度提出更高的要求，同时对于多学科、多机构的协调与创新提出一定的要求。打印材料将会从树脂到金属材料，再到陶瓷材料，直到生物活性材料发展。技术应用将从快速原型，过渡到产品开发，再到形状复杂，小批量制造阶段发展。制造对象也将向日常消费品制造，生物制造，功能件制造如飞机的起落架等复杂零件，个性化制造方向发展。即3D打印技术将朝着成本低廉，零件适应性广，材料适应性广的方向发展，并且在打印速度和打印质量方面有很大的提高。发展方向参考文献[1]JackG.Zhou,Daniel,CalvinC.Chen.ParametricProcessOptimizationtoImprovetheAccuracyofRapidPrototypedStereolithographyParts.InternationalJournalofMachineTools&Manufacture.20