3D打印机

神奇的3D打印机3D打印带来了世界性制造业革命，以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印机的出现，将会颠覆这一生产思路.在好莱坞大作《十二生肖》电影中有项非常流行技术不知各位是否有留意，电影中成龙佩戴了专业扫描手套来扫描剧中十二生肖铜像，另外一边通过专业设备将所扫描的铜像完美打印，看似很科幻不切实际，其实，影片中出现的专业设备就是流行的3D打印技术。带有扫描功能的手套电影中打印生肖头像什么是3D打印机？11.基本概述2.发展历史3.丰富的3D打印产品4.行业的应用情况5.3D打印的优势基本概述三维立体打印机是二十世纪八十年代末九十年代初兴起并迅速发展起来的新的先进制造技术，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末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。是CAD、数控技术、激光技术以及材料科学与工程的技术集成。它可以自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可对产品设计进行快速评价、修改，以响应市场需求，提高企业的竞争能力。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。发展历史20世纪初20世纪80年代20世纪末期3D打印源自100多年前美国研究的照相雕塑和地貌成形技术，上世纪80年代已有雏形，其学名为“快速成型”。在20世纪80年代中期，3D打印机技术产生，但并未商业化。1995年，麻省理工创造了“三维打印”一词，当时的毕业生JimBredt和TimAnderson修改了喷墨打印机方案，变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案，而不是把墨水挤压在纸张上的方案。最早的3D打印出现在上个世纪的80年代，价格极其昂贵且所能打印的产品数量也少得可怜。早期的3D打印机现在3D打印技术广泛应用于汽车、家电、电动工具、医疗、机械加工、精密铸造、航空航天、工艺品制造及儿童玩具等行业，是个人、家庭、办公的好助手。现代的3D打印机丰富的3D打印产品行业上的应用情况8.90%26.10%8.10%6.60%22.20%9.80%9.30%9.00%8.30%19.40%8.30%6.80%27.70%13.00%10.40%6.00%0.00%5.00%10.00%15.00%20.00%25.00%30.00%35.00%其他汽车太空工业消费产品医药教育机构政府/军工200320043D打印的主要优势1.制造复杂物品（目前已显现）2.产品多样化不增加成本3.生产周期短（最大的优点）4.零技能制造（不需要特殊技能）5.不占空间、便携制造（战场、灾区）6.节省材料（相对于传统加工方式）3D打印技术的基本原理21.3D打印的基本原理2.主要工艺分类3.控制机构和控制原理4.以DOG0480为例讲述打印步骤3D打印技术的基本原理3D打印的原理是依据计算机设计的三维模型（设计软件可以是常用的CAD软件，例如SolidWorks、Pro/E、UG、POWERSHAPE等。也可以是通过逆向工程获得的计算机模型），将复杂的三维实体模型“切”成设定厚度的一系列片层，从而变为简单的二维图形，逐层加工，层叠增长。三维CAD模型设计CAD模型的近似处理对STL文件切片处理逐层制造原型制作流程图打印流程在3D打印时，首先设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD模型），然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形机成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。@Eric_wangli作三维CAD文件三维打印机三维模型对STL文件切片处理切片是将模型以片层的方式来描述，片层的厚度通常在50µm～500µm之间；无论零件形状多么复杂，对每一层来说却是简单的平面矢量扫描组（如图），轮廓线代表了片层的边界。主要工艺分类SLA工艺LOM工艺SLS工艺FDM工艺3DP工艺光造型SLA工艺StereolithographyApparatusSLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光(如λ=325nm)的照射下能迅速发生光聚合反应,分子量急剧增大,材料也就从液态转变成固态。SLA工作原理图。SLA工艺方法是目前快速成型技术领域中研究最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。优缺点：成型精度高、成型零件表面质量好、原材料利用率接近100%，而且不产生环境污染，特别适合于制作含有复杂精细结构的零件；但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。SLA工艺工作原理液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。SLA成型过程成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下二层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕,得到一个三维实体模型。分层实体制造LOM工艺工作原理LaminatedObjectManufacturingLOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊、热压、片材，使之与下面已成形的工件粘接；用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材(料带)分离。LOM特点：LOM工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形，零件的精度较高，小于0.15mm。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。选择性烧结SLS工艺SelectiveLaserSinteringSLS工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分连接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。特点：材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。特别是可以制造金属零件。这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。其缺点是：成形件结构疏松多孔，表面粗糙度较高；成形效率不高；得到的塑料、陶瓷或金属件远不如传统成形方法得到的同类材质工件，需进行渗铜等后处理，但在后处理中难于保证制件尺寸精度。熔融沉积制造（丝状材料选择性融覆）FDM工艺FusedDepostionModelingFDM的加工原材料是丝状热塑性材料（如ABS、MABS、蜡丝、尼龙丝等），加工时加热喷头在计算机的控制下，可根据截面轮廓信息，做X-Y平面的运动和高度Z方向的运动。丝状热塑性材料由供丝机构送至喷头，并在碰头加热至熔融状态，然后杯选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成了截面轮廓。一层成形完成后，喷头上升一个截面层高度，再进行第二层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品。FDM工作原理控制机构控制系统运动近控制单元材料供给单元环境营造单元X轴定位Y轴定位Z轴定位环境加热堆积头材料预热、送进材料加热、挤出控制原理计算机（PC）位控模块转接板驱动器驱动器驱动器电机X电机Y电机Z成型材料温控器压力控制系统I/O接口板加热元件测温元件成型室温控器加热元件测温元件驱动器检测系统送丝电机驱动器USB或串口连接线控制系统由两部分组成：运动控制系统和温度控制系统。在系统中，计算机（PC）通过数控卡控制XYZ扫描运动系统，喷头及送丝机构也通过数控卡进行控制。控制系统原理图控制原理运动系统：X和Y运动单元由伺服控制器、AC伺服驱动器、AC伺服电机和传动导向机构四部分构成。Z向运动单元由步进控制器、直流步进驱动器、步进电机和传动导向机构四部分构成。喷头压力控制系统由步进电机及传动部件构成。温控系统：温控系统由加热器，温度传感器和智能温度控制表组成。温度控制精度为±2℃。以DOGO480为例讲述打印步骤DOGO480是基于熔融沉积制造工艺（FDM）的快速成型设备，它与计算机通过USB电缆连接，只需一台笔记本电脑就可以完成各种复杂三维实体模型的打印工作。DOGO480DOGO480内部视图①②③⑦④⑤⑥①送丝管②挤丝装置③喷头（打印头）④耗材⑤耗材架⑥打印平台⑦皮带打印装置①电机②喷头（打印头）③加热电阻④风扇①②③④安装软件PrinterInterface软件是DOGO480的控制软件，它可以载入STL格式的三维实体模型，该软件有以下几个主要功能：将STL文件转换成打印指令（GCode）发送打印指令到设备（同时打印模型）控制设备（定位打印头，设置工作温度等）打印参数设置PrinterInterface软件界面具体打印步骤1.进入三维打印机应用程序，选择菜单中“文件”“打开”，选择根目录光盘中“test.stl”文件，导入光盘中的“test.stl”文件。2.三维打印机应用程序开始自动将模型数据切片。将STL文件转换成GCode。3.完成模型切片后，便可以打印了。点击“Print”。4.三维打印机开始加热。5.打印头自动归到X、Y和Z轴的原点。6.打印头移动到一个位置等待加热完成。7.打印头会挤出一定长度的丝材。8.开始打印。9.打印结束后，打印头会自动回到原点，10.为您下次打印做准备。打印模型3D打印机的应用领域33D打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。应用领域三维打印机技术可快速地将产品设计的CAD模型转换成物理实物模型，这样可以方便地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，发现设计中的问题可及时修改。如果用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，周期长、费用高。如果不进行设计验证而直接投产，则一旦存在设计失误，将会造成极大的损失。可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传，对有限空间的复杂系统，如汽车、卫星、导弹的可制造性和可装配性用三维打印方法进行检验和设计，将大大降低此类系统的设计制造难度。对于难以确定的复杂零件，可以用三维打印，技术进行试生产以确定最佳的合理的工艺。此外，三维打印原型还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。比如为客户提供产品样件，进行市场宣传等，快速成型技术已成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。行业应用在教学模具上的应用可以充分开拓发展学生的想象力和创造力，锻炼学生的动手能力。结合现有的教学课程，让学生更加直观的了解所学的知识。教育行业应用在设计领域，它以最低的成本，最短的周期，帮助设计师们完成设计。只需将打印机放在桌上，就可以打印出模型，验证自己的设计。行业应用在生物医学领域，根据扫描得到的人体分层截面数据，制造出人体局部组织或器官的模型，可以用于临床医学辅助诊断复杂手术方案的确定。行业应用在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美。完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。行业应用在汽车制造行业的应用并不是说你的车是3D打印机打印出来的（当然或许有一天这也有可能），而是会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，在追求效率的同时降低成本。行业应用家电：各种家电产品的外形与结构设计，装配试验与功能验证，市场宣传，模具制造。通讯产品：产品外形与结构设计，装配试验，功能验证，模具制造。航空、航天：特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制，发动机的试制、装配试