3D打印技术

【1】3D打印技术的发展简史3D打印技术的胚芽源于18世纪西欧的雕塑艺术，19世纪在北美被重视。随着20世纪计算机和网络技术的发展，3D打印技术才真正诞生，并由于条件的成熟而得到飞速的发展；1986年，CharlesHull开发了第一台商业3D印刷机；1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利；1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机；2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机SpectrumZ510由ZCorp公司研制成功；2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世；2011年6月6日，发布了全球第一款3D打印的比基尼C泳衣，衬衫)；2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机；2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机；2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织；3D打印技术的本质在于个性化需求的创意设计理念。因而3D打印技术的发展，体现了人性的完善和完美过程。[1]郭振华，王清君，郭应焕．3D打印技术与社会制造[J]．宝鸡文理学院学报(自然科学版)，2013（04）：64-70．“3D打印”学名为“快速成型技术”(RapidPrototype)，也称为“增材制造技术”(Addmate—rialmanufacture)，又称“快速原型制造(RapidPrototypingManufacturing”，也简称RPM技术。3D打印技术诞生于20世纪80年代后期，它是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近30年来制造领域中的一个最重大的成果。近期，著名的英国《经济学人》杂志描述3D打印技术的前景是一种新型的生产方式，甚至能够促成第三次工业革命。3D打印技术是在现代CAD／CAM技术、机械工程、分层制造技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。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不相同。但是，它们的基本原理都是一样的，那就是“分层制造，逐层叠加”，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”，因此得名为“3D打印机”。3D打印技术是一项革命性技术口1。3D打印制造不需在工厂进行操作，也就意味着无需机械加工或者任何模具。这毫无疑问将大大缩短产品的研制周期，提高生产效率并降低生产所需的人力资源成本。以目前加式制造的发展情况判断，3D打印机之后，必将是社会制造的迅猛发展。筒单地说，“社会制造”就是利用3D打印、网络技术和社会媒体，通过众包等方式让社会民众充分参与产品的全生命制造过程，实现个性化、实时化、经济化的生产和消费模式。因此，社会制造必将极大地刺激社会需求，同时有效地提升整个社会的参与程度，其直接结果就是社会就业率的大幅度提高，而传统的企业将转变为能主动感知并且响应用户大规模个性化需求的智能企业。3D打印技术必将改变人类未来的生产与生活方式。[2]Abdelkafi,N.,Makhotin,S.,Posselt,T.,2013.Businessmodelinnovationsforelectricmobility:whatcanbelearnedfromexistingbusinessmodelpatterns?Int.J.Innovation.Manage.17(01).3D打印机出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通喷墨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”，与电脑互相连接后，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。这种打印称为3D立体打印技术。，3D打印技术实际上是一系列快速原型成型技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在篾y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。设计出三维图形，无需模具即可整体成形，这就是“3D打印”名字的由来。由于成品是增加材料、逐渐铺陈所得，即每次只铺一层，因此，3D打印技术又被称为“增材制造技术”。3D打印技术是一系列技术的组合，即通过一台机器逐次添加物层的方式来制造一个物品，其组合由计算机辅助设计(CAD)、激光成型、挤出机，或能一次打印一层物质的打印机针头构成。增材制造能一次性生成复杂的几何物体，它的内部可以有空腔或活动部件，而传统的机械不能胜任以这种方式进行制造口1。[3]王贞虎．开启新工业革命的3D打印技术[J]．上海经济，2015（4）：35-37．【2】关于3D打印的实验本组所研究的课题为《3D打印材料》的研究。我们在网上浏览了几十篇关于本课题研究的相关内容，下载了几十篇有关3D打印材料的新材料的发展的文章并研读。我们已经初步了解3D打印材料这新型材料在我们生活中的应用。3D打印，又称作增材制造，是快速成型技术的一种，被誉为“第三次工业革命”的核心技术.材料是3D打印的物质基础，也是当前制约3D打印发展的瓶颈.文章综述了3D打印材料的发展现状，重点介绍了用于3D打印的几种实验。近日，国外研发制造出了一台将液体树脂与空气分离的液体打印机，它的问世有效解决了传统3D打印耗时长的问题，该技术被称为“液体3D打印技术”。此外，如果速度足够慢，该台打印机还能生产出细微米级物件。液体3D技术的问世使业内信心大大的增强了。[1]Anon.elsc696[J].期刊名称缺失(期缺失):页码范围缺失.由上海大学快速制造工程中心胡庆夕教授团队研发的生物3D打印机，不仅可以实现宏微观结构的复合成形和微结构表面修饰，也可以实现滴涂、共混沉积、电喷、静电纺丝等多种细胞直接复合接种方式。此外，胡庆夕教授还介绍说，与金属和塑料物质不同，该生物3D打印机“吃”的材料是生物材料，例如羟基磷灰石、磷酸三钙、海藻酸盐、明胶、骨胶原等，这些材料具有可降解和生物相容的特性，只需一次手术，就能帮助病人达到完美的修复。德国亚琛工业大学医院的Blaeser等人在液体碳氟化合物中打印琼脂糖凝胶，得到像分支血管样的中空3D结构。发表在美国杂志JournalofEndourology上的一篇有关泌尿外科的文章，则主要介绍了使用3D打印技术制造的聚合物输尿管支架，并对支架的流动特性进行了相应的评估。近日，国外研究机构通过计算机X线断层扫描技术获取病人数据，运用3D粉末打印技术就可以为病人量身定制陶瓷植入物和支架，3D打印的生物陶瓷植入物在体外和体内都具有良好的相容性。[2]余冬梅，方奥，张建斌．3D打印材料[J]．金属世界，2014（05）：6-13．英国布里斯托的西英格兰大学(UWE)的研究人员开发出了一种改进型的3D打印陶瓷技术，该技术可用于定制陶瓷餐具。根据CAD数据可直接进行打印、烧制、上釉和装饰，消除了先前陶瓷产品原型没法过火或测试釉质的问题。美国硅谷Arevo实验室3D打印出了高强度碳纤维增强复合材料。相比于传统的挤出或注塑定型方法，3D打印时通过精确控制碳纤维的取向，优化特定机械、电和热性能，能够严格设定其综合性能。[3]杨小娟．3D打印技术的最新进展[J]．金属世界，2015（03）：随着3D打印技术的不断进步和成熟，它在航空航天、生物医药、建筑等领域的应用逐步拓宽，其方便快捷、能够提高材料利用率等优势不断显现，与传统制造的结合也更加紧密，不断推动传统制造业的转型升级。目前，我国的3D打印技术在某些领域于世界领先水平，但在产业化应用方面与国外的差距较大，除了产学研用相脱节等问题，上游原材料制约也是阻碍3D打印产业化发展的重要原因。3D打印材料的应用现状，发达国家高度重视3D打印材料的研发应用金融危机使美国、欧盟等发达国家和地区强烈意识到了制造业空心。3D打印操作简单、成型速度快、成型过程无污染、成型件精度高，是当前快速成型技术的研究热点。而3D打印成本很高,不仅仅是自身的机器价格高，重要的是打印材料的价格高。为此，3D打印材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用[4]曾昆．3D打印的材料之殇[J]．新材料产业，2014（10）：39-41．【3】3D打印材料的性能研究3D打印技术是快速成形技术的一种，是一种以数字模型为基础，运用粉状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。目前3D打印技术已取得了令人瞩目的发展，并广泛应用于产品原型、模具制造、艺术创作、珠宝制作生物工程与医药、建筑、服装等诸多领域。3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前面临着多方面的瓶颈与挑战，特别是大规模应用打印技术的材料亟待进一步研发。而ABS是目3D打印技术中最常用的材料之一，其是一种由苯乙烯－丙烯腈共聚物(SAN)连续相和聚丁二烯(PB)橡胶分散相组成的海岛型两相结构的三组分热塑性树脂[1][1]唐通鸣.新型3D打印材料ABS的制备及性能研究[D].现代化工,2015.为生产的方便对3D打印材料主要是以原料状态来分类的，具体为液态(主要有光固化树脂)，固态片材(包括覆膜纸，覆膜塑，覆膜陶瓷箔，覆膜金属箔等)以及固态丝材(有蜡丝，ABS丝等)[2]，见表1。表1常用3D打印材料材料形态液态固态粉末片材材料丝状材料材料类型光敏树脂腊粉尼龙粉覆膜陶瓷粉覆膜钢覆膜纸覆膜塑腊丝覆膜陶瓷箔聚覆膜ABS粉金属箔丝2.1光敏树脂通常为具有一定光照下可聚合的低聚物，分子量一般在1000-5000之间，或者是可溶的线性高分子材料。2.1.1光敏树脂材料成分光敏树脂材料主要有以下几种类型：(1)环氧丙烯酸酯类树脂环氧丙烯酸酯类树脂作为光敏树脂原料中的齐聚物这种光敏树脂是在环氧树脂中引入可光聚合的(甲基)丙烯酸酯而构成。如，此类树脂具有环氧树脂的优点。(2)聚氨酯类在光敏材料中使用的聚氨酯类树脂，通常是由带有羟基的丙烯酸与多元异氰酸酯聚合而成。例如，先通过己二酸与己二醇酯化而成带有羟基端基的聚酯，此聚酯分别与甲基苯二异氰酸酯和丙烯酸羟基乙酯反应得到制备光敏材料的聚氨酯类光敏树脂。聚氨酯类光敏树脂材料，具有粘度大、机械性能好和韧性强等特点,但有易在光照下老化的缺点。(3)聚醚类光敏材料中的聚醚类光敏树脂，一般由环氧物与多羟基醇聚和制备。这时，在树脂分子中处于活性态的羟基作为光交联点。此光敏材料粘度低，价格也便宜。(4)光敏剂与光引发剂光敏剂是吸收光能而使其活化能升高而处于某种激发态后，进行能量之间的相互转移，把能量传给下一个分子，使下一个分子发生某种化学反应，产生可以促使聚合反应发生的活性种。这种可以吸收光能并能使下个分子产生自由基的物质叫做光敏剂。用的最多的光敏剂为芳香酮类有机物，如苯乙酮。[2]羊求民.水雾化铁粉工艺性能研究[D].湖南:中南大学(硕士学位论文).2012.光引发剂是指吸收适当特定博城的光能后，可以发生光物理变化至特定的激发态，若该激发态的激发能大于化合物中某一键能，会使此键断裂而发生光化学反应，生成活性自由基或者离子，做为聚合反应的活性种。拥有上述功能的有机物均可以用作光引发剂。常见的光引发剂有安息香、硫醇、硫醚等。[3]刘文胜,彭芬,马运柱,等.气雾化法制备金属粉末的研究进展[J].材料导报,2009,5(3):79-83.3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金泛用于制作汽车，舰艇，航天飞机等领域随着3D打印技术的到来，尤其是3D打印所具有传统减材制造所不具有的优势，比如对材料的利用远高于传统减材制造、制造时间大为缩短等优势使得3D打印材料备受人们关注[3]。本文分别从光敏树脂材料，金属粉末材料和ABS树脂材料这三类最具代表性的材料对3D打印材料做以下概述(1)光敏树脂材料：A、提高力学性能通过自由基-阳离子混杂光固化体系可以使光敏树脂材料达到固化速度快、原料丰富和性能可调、耐磨、硬度高、力学性能好、层与层间附着力强的效果。B、降低收缩率通过降低可参与反应单体官能度和增加齐聚物的比例达到减弱收缩率效果。(2)金属粉末材料：A、减轻溃散现象通过水雾化与气雾化粉末共用减轻金属粉末打印中出现的溃散现象。B、提高