3D打印技术综述

学术论坛数字技术与应用202近来,“3D打印”这个词在媒体上出现的频率极高,不但能打印模具、自行车,还能打印出手枪等武器,甚至能够打印出汽车、飞机等大型设备装备。作为一种新型制造技术,3D打印已展现出了十分广阔的应用前景,不但在交通、医疗保健、军事以及教育等机构得到充分利用,而且在装备设计与制造、装备保障、航空航天等更多的领域展现出了强劲的发展势头[1]。13D打印的概念和原理1.1基本概念与传统的减法制造工序(通过对整块材料进行“裁剪”获取想要的形状)相反,3D打印技术是一种增材制造技术(AdditiveManufacturing),即通过叠加式制造工序,根据计算机数据,利用金属、塑料或其它材料逐层自动打印物品,因此也称作叠加成型技术或快速原型技术[2]。3D打印机是应用3D打印技术来构造物品的设备。3D打印机具有仿真性强、速度快,价格便宜,高易用性等优点[3]。1.2基本原理首先在电脑上设计一个完整的三维立体模型(也称为计算机辅助性设计),然后把胶体或粉末等“打印材料”装入打印机,再将打印机与电脑相连接,通过打印设备软件读取设计绘图数据,并将数据传输至3D打印机,从而控制印刷头的移动与材料输出。在3D打印机工作时,塑性模型材料细丝与可溶性支撑材料将被加热至半液体状态,然后通过印刷头输出,精确地沉积成极其细微的分层,把“打印材料”和三维立体模型一层层叠加,最终把计算机上的蓝图变成实物。印刷头只沿水平方向或垂直方向移动,模型与支撑材料将自下而上地构造。在构造模型时,有了支撑材料的承托,模型的悬挂部分能够顺利完成材料沉积。打印工作完成后,支撑材料将会自行溶解,还可按需为模型涂上颜料或者进行其他处理[4]。1.33D打印的特点(1)精度高。目前3D打印设备的精度基本都可控制在0.3mm以下。(2)周期短。3D打印无须模具的制作过程,使得模型的生产时间大大缩短,一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印。(3)可实现个性化。3D打印对于打印的模型数量毫无限制,不管一个还是多个都可以以相同的成本制作出来。(4)材料的多样性。一个3D打印系统往往可以实现不同材料的打印,而这种材料的多样性可以满足不同领域的需要。(5)成本相对较低。虽然现在3D打印系统和3D打印材料比较贵,但如果用来制作个性化产品,其制作成本相对就比较低了[5]。23D打印技术2.1概述3D打印技术又称作叠加成型技术或快速原型技术。它源于军方的“快速成型”(Rapidprototyping,RP)技术,基本原理都是叠层制造。RP技术是当今世界飞速发展的制造技术之一,诞生于20世纪80年代后期,是基于材料堆砌法的一种高新制造技术,被认为是近20年来制造领域的一项重大成果[6]。它集机械工程、CAD制图、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术于一身,可自动、直接、快速、精确地将设计思想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、新设计思想的校验等提供一种高效益、低成本的实现手段[7]。2.2主流技术RP技术以其高集成、高柔性、高速性而得到了迅速发展。(1)3D打印成型技术。使用标准喷墨打印技术,将液态连接体铺在粉末薄层上,逐层创建各部件。此技术在打印成型过程中不需要使用实体或附加支持,并且所有未使用的材料都可再利用,所开发的3D打印成型机具有处理速度快、成本低廉以及应用范围广的特点[8]。(2)光固化成型法。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界面轨迹,使液体树脂固化,层层叠加,最终得到一个三维实体模型。特点是原型件精度高,零件强度和硬度好,可制造出形状特别复杂的空心零件,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,另外光固化树脂有一定的毒性,不符合绿色制造发展趋势。(3)分层实体制造法。或称为叠层实体制造,是根据零件分层集合信息切割箔材和纸等,将所获得的层片粘接成三维实体。特点是工作可靠、模型支撑性好、成本低、效率高,缺点是前、后期处理费时费力,且不能制造中空结构件。(4)选择性激光烧结法。常采用金属、陶瓷、AS塑料凳材料的粉末作为成型材料。特点是材料适用面广,不仅能制造塑料零件,还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件,造型精度高,原型强度高,所以可用样件进行功能试验或进行装配模拟。(5)熔融沉积制造法。又称为熔丝沉积制造,是以热塑性成型材料丝为材料,逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。特点是使用、维护简单,成本较低,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[9]。以上是一些目前市场上主流的3D打印技术,除上述技术外,一些大的3D打印公司在它们的基础上也研发了其他3D打印技术。(1)ObjetPolyJetMatrixTM技术。该技术由以色列Rehavot高新科技开发区ObjetGeometries公司提出,是3D打印的一个革命性的突破,可以为普通消费品、电子消费品、汽车及其他制造商就双色注塑模具提供强大的解决方案,更好地减少成本和降低风险[7]。(2)PolyJetTM技术。PolyJetTM技术是ObJet公司2000年时在全球最先推出的,先用喷嘴将感光材料以16m的厚度喷涂在基材上,然后用紫外光固化,再喷涂一层,再固化,如此反复,直至完成打印。(3)ObJetStudioTM软件。实质上是一个客户端/服务器软件,可以快速、高效地构造高质量、高详细程度的模型,可以接受任何三维CAD应用程序的文件,将其分割,驱动打印喷头喷出一层层成型材料,完成模型的构建。(4)DirectMetal(SLMR)技术。采用激光烧结粉末成型,制成的3D打印技术综述封会娟1闫旭2唐彦峰1董岳3(1.军事交通学院军用车辆系天津300161;2.军事交通学院研究生管理大队天津300161;3.94201部队)摘要:3D打印作为近年来的一种新兴技术,已经广泛应用于机械制造、航空航天、军事装备等多个领域,展现出广阔的前景。本文从原理、技术、设备、应用以及发展趋势等方面,对3D打印技术进行了分析和综述,为探索如何在车辆维修,尤其是在应急维修中运用3D打印技术,解决备件种类繁多、特殊件不易获取、器材支援不及时等现实问题提供参考。关键词:3D打印综述应急维修中图分类号:TG665文献标识码:A文章编号:1007-9416(2014)09-0202-02收稿日期:2014-09-06作者简介:封会娟(1980—),女,汉族,河北石家庄人,博士研究生,讲师,现为军事交通学院军用车辆系维修工程教研室讲师,主攻装备可靠性及维修工程。学术论坛数字技术与应用203三维模型一般是金属模型,应用领域比较广,可应用在医学、航天和高精度工程领域的零部件制作。(5)VoxeljetSystems技术。也是一种固化成型技术,成型的模型较大,适合于交通运输和医学方面的应用[10]。33D打印设备3D打印设备目前比较出名的公司主要有Z-Corporation公司、3DSystem公司、ObjetGeometries公司和Stratasys公司(后两者于2012年4月宣布合并)等[11]。其中3DSystem公司的实力最强,代表了3D打印目前的技术水平和未来的发展趋势,能够为专业人士及类似消费者提供3D打印系统。3DSystem公司的3D打印系统可分为个人用户解决方案、专业用户解决方案和工业用户解决方案等。(1)个人用户解决方案。主要特点是多功能、低成本,是入门级产品。BotMill是小型的办公类型的3D打印系统,主要打印一些小的物件。RapMan主要用于学校教学或爱好者打印塑料模型。3Dtouch也是一款用于教学、家庭和办公领域的小型3D打印机,精度为0.125mm,设备总体质量也只有38kg左右。(2)专业用户解决方案。专业版的ProJet系列主要针对办公和小型工业设计领域,包括1000、1500、SD3500、HD3500、6000、7000等,支持单色和彩色模型的打印。此外还有Zprinter系列的6种3D打印机[12]。(3)工业用户解决方案。工业产品解决方案中主要有四种不同的技术。在光固化成型技术方面,考虑到要满足不同客户的需要,打印尺寸和配置要求也不同,机型也略有区别;在选择性激光烧结法方面,精度可以达到0.08mm,最大的成型尺寸可以达到550mm(X)*550mm(Y)*750mm(Z)。在SLM技术方面,目前有sPro125SLMPrinter和sPro250SLMPrinter两种机型,速度为(5～20)cm3/h,每层厚度为(20～100)m,打印模型大小分别为125mm*125mm*125mm和250mm*250mm*320mm。在voxeljetsystems技术方面,有两种机型:VX500和VX800,打印模型大小分别为500mm*400mm*300mm和850mm*450mm*500mm[13]。Stratasys公司的Dimension3D立体打印机由RP技术转化而来,其成本低于RP技术,能够测试塑形、适配和功能,并且在桌面上即可随心所欲地进行设计迭代,产品原型可经受严格的测试,不会弯曲、收缩和吸收水分,使用的ABS塑料在日常环境下比较稳定,任何形状的零件精度都不会随着时间推移而受到环境条件的影响,能够制作耐用的功能原型[14]。另一3D打印大公司Objet公司也具有同样的实力。该公司的产品分为Connex家族(能够打印多种模型材料)、Eden系列(高精度、高品质)和桌上型产品系列(实惠普及型系列)[15]。43D打印应用目前,虽然对于产品开发和制造来说,3D打印技术能够带来无限的可能性,但是大部分的技术应用主要分成概念模型、功能原型、工具制造、制成品四类[16]。随着技术的发展,3D打印的应用领域在不断扩展。(1)医学领域。2011年9月,Object医疗解决方案部门负责人介绍,其新型材料非常适合3D打印植入手术导板和口腔输送盘。2011年11月,德国科学家利用3D打印技术成功地研制了人造血管,用3D打印骨骼、器官模型更是轻而易举的事了。(2)工业领域。现代工业中,很多产品如手机、汽车、飞机等在新产品推出之前要做很多模型和零部件。基于3D打印技术的快速成型,可以大大减少前期研发的时间,被越来越多的工业领域所应用。(3)个性化领域。随着3D技术的发展,3D打印可以打印各种各样的日常小模型,设备也小到可以放到桌面上。如3DSystem公司的Cube3DPrinter,可以打印5.5英寸*5.5英寸*5.5英寸大小的立体模型[17]。(4)航空航天领域。2012年,美国宇航局完成了“添加制造仪器”的测试,该仪器就是利用3D打印技术在太空打印宇航员所需要的模型。这是NASA对太空按需生产能力的投资,使得3D打印机可以广泛运用于建造空间站部件,制造航天员使用的工具、卫星甚至航天器等。研发团队认为,未来在太空利用他们正在制造的打印机可以“打印”出太空所需三分之一的零部件[18]。(5)军事领域。3D打印技术应用到军事领域,一方面可在军事装备开发阶段获取设计的即时反馈信息,有助于降低成本和提高战技性能;另一方面还可以帮助使用维修人员利用三维模型和3D打印设备,现场快速生产原型产品(包括工具、零配件等),解决平时维修和战时抢修中可能出现备件携带不足、备件不易购买、再造周期较长、特殊备件成本太高等问题,提高维修效率,减轻后勤保障压力,增强部队的任务持续能力[19]。53D打印的发展趋势未来5-10年,随着技术的不断进步及市场需求的扩大,3D打印将呈现三个方面的发展趋势:一是随着开拓并行、多材料制造工艺方法的采用,3D打印速度和效率有望获得更大提升;二是随着先进材料的不断发展,智能材料、纳米材料、新型聚合材料、合成生物材料等成为3D打印材料,打印材料更加多样化;三是随着技术进步及推广应用,3D打印设备的价格有望大幅下降[20]。3D打印诞生后,早期主要用于汽车、航空航天、机械、医疗、建筑等行业的模型制作。随着其进一步走向成熟,3D打印已开始用来制造汽车、飞机等高科技含量零部件,以及皮肤、骨骼等活