3D打印技術(shù)是一項(xiàng)很革命性的技術(shù)聽起來(lái)很振奮人心，但是你了解它能做什么、如何運(yùn)作嗎？作為制造業(yè)的人士我們需要了解一個(gè)和我們有關(guān)聯(lián)的技術(shù)，了解它的原理，感受3D技術(shù)在未來(lái)會(huì)帶來(lái)的可能性，并抓住機(jī)遇。由于巨靈鳥軟件主要是專注于制造業(yè)，因此下面我們僅就3D打印技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用和前景做一些分享。

 

原型制造和數(shù)字制造

3D打印技術(shù)在制造業(yè)應(yīng)用分兩種，第一種已經(jīng)比較普遍，就是在產(chǎn)品研發(fā)階段使用3D打印。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，我們要生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品的原型是將電腦中的CAD圖或其他電子文件打印出來(lái)然后制造人員按圖紙生產(chǎn)出原型。3D打印是直接通過(guò)CAD軟件用3D打印設(shè)備打印產(chǎn)品原型，比起傳統(tǒng)的原型制作方法，這種方法即省時(shí)又省力。第二種就是量產(chǎn)也就是全部數(shù)字化制造了。

產(chǎn)品研發(fā)階段使用3D打印的好處：

1、提高保密性

不用擔(dān)心把產(chǎn)品信息泄露給提供原型制作的供應(yīng)商了

2、有效溝通

擁有實(shí)體原型，能加快溝通時(shí)間減少誤解

3、提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品設(shè)計(jì)

可以使用多種原型進(jìn)行多次反復(fù)設(shè)計(jì)，以及進(jìn)行成型、組裝和功能測(cè)試

4、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期

快速原型開發(fā)和設(shè)計(jì)，可立即投入生產(chǎn)，減少用在外包原型開發(fā)或生產(chǎn)金屬模具的時(shí)間和費(fèi)用

5、降低開發(fā)成本

減少用于原型制作和制作模型開發(fā)的成本

 

由于受制于材料、成本的限制，直接數(shù)字制造目前只適合于部分特定材料的小批量、小尺寸的產(chǎn)品。

 

3D打印的原理

3D打印在原理上并不復(fù)雜。與傳統(tǒng)數(shù)控制造一般是在原材料基礎(chǔ)上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品不同，它奉行的是加法守則，無(wú)需原胚和模具。要打印一個(gè)東西，你首先要有一張3D立體圖，配套的軟件會(huì)把這張圖上的物體進(jìn)行一系列數(shù)字切片，并將切片信息傳送到打印機(jī)，打印噴頭立刻啟動(dòng)，根據(jù)切片信息，一層層極薄地堆疊出立體物件。

目前主流的3D打印技術(shù)有：
1、 SLS激光粉末燒結(jié)成型（Se1ected Laser Sintering）

2、 3DP三維打印（3Dimension Printer）

3、 SLA激光光固化（Stereolithography）

4、 FDM熔融沉積造型（Fused Deposition Modeling）
FDM技術(shù)由Stratasys公司發(fā)明，采用熱塑性材料構(gòu)建模型、及最終零件。3D 打印機(jī)從底部開始一層一層通過(guò)擠出熱塑性塑料絲構(gòu)建零件。該過(guò)程相當(dāng)簡(jiǎn)單：
1.預(yù)處理： 預(yù)建軟件將 3D CAD 文件切片并定位，然后計(jì)算出基礎(chǔ)熱塑性塑料的路徑以及任何所需的支撐材料的位置。
2.生產(chǎn)： 3D 打印機(jī)可以將熱塑性塑料加熱成半液態(tài)，然后通過(guò)擠出通道使其以極細(xì)小的珠狀沉積。如果需要支撐或緩沖，3D 打印機(jī)可以還可以沉積出可移除的材料作為支撐材料。
3.后處理： 用戶可以折斷支撐材料，或用清潔劑和水將其溶解，就能得到可以使用的零件。

 

3D打印前景

3D打印綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。 與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印不必事先制造模具，不必在制造過(guò)程中去除大量的材料，也不必通過(guò)復(fù)雜的鍛造工藝就可以得到最終產(chǎn)品，因此，在生產(chǎn)上可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)約材料和節(jié)省能源。3D打印技術(shù)適合于新產(chǎn)品開發(fā)、快速單件及小批量零件制造、復(fù)雜形狀零件的制造、模具的設(shè)計(jì)與制造等，也適合于難加工材料的制造、外形設(shè)計(jì)檢查、裝配檢驗(yàn)和快速反求工程等。因此，3D打印產(chǎn)業(yè)受到了國(guó)內(nèi)外越來(lái)越廣泛的關(guān)注，將成為下一個(gè)具有廣闊發(fā)展前景的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。 目前，3D打印已應(yīng)用于產(chǎn)品原型、模具制造、藝術(shù)創(chuàng)意產(chǎn)品、珠寶制作等領(lǐng)域，可替代這些領(lǐng)域所依賴的傳統(tǒng)精細(xì)加工工藝。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程與醫(yī)學(xué)、建筑、服裝等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的引入也為其開拓了更廣闊的發(fā)展空間。

3D打印技術(shù)的快速發(fā)展使其成為近幾年國(guó)內(nèi)外快速成形技術(shù)研究的重點(diǎn)。目前，美國(guó)、歐洲和日本都站在21世紀(jì)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略高度，對(duì)快速成形技術(shù)投入了大量的研究，使3D打印技術(shù)得到了迅速發(fā)展。在國(guó)防領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視3D打印技術(shù)的應(yīng)用，并投入巨資研制增材制造金屬零部件，特別是大力推動(dòng)增材制造技術(shù)在鈦合金等高價(jià)值材料零部件制造上的應(yīng)用。

 

快速成型技術(shù)

在快速領(lǐng)域里一直站主導(dǎo)地位快速成型工藝主要包括：FDM、SLA、SLS及LOM等工藝，而這幾種工藝又各有千秋，下面我們?cè)谥饕匆幌逻@幾種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)比較：
 

一、SLA

光敏樹脂選擇性固化是采用立體雕刻（Stereolithography）原理的一種工藝，簡(jiǎn)稱SLA，是最早出現(xiàn)的一種快速成型技術(shù)。在樹脂槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，它在紫外激光束的照射下會(huì)快速固化。成型過(guò)程開始時(shí)，可升降的工作臺(tái)處于液面下一個(gè)截面層厚的高度，聚焦后的激光束，在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的要求，沿液面進(jìn)行掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂固化，從而得到該截面輪廓的樹脂薄片。然后，工作臺(tái)下降一層薄片的高度，以固化的樹脂薄片就被一層新的液態(tài)樹脂所覆蓋，以便進(jìn)行第二層激光掃描固化，新固化的一層牢粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)不已，直到整個(gè)產(chǎn)品成型完畢。最后升降臺(tái)升出液體樹脂表面，取出工件，進(jìn)行清洗、去處支撐、二次固化以及表面光潔處理等。光敏樹脂選擇性固化快速成型技術(shù)適合于制作中小形工件，能直接得到樹脂或類似工程塑料的產(chǎn)品。主要用于概念模型的原型制作，或用來(lái)做簡(jiǎn)單裝配檢驗(yàn)和工藝規(guī)劃。

 

SLA快速原型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是： 

1、表面質(zhì)量較好； 

2、成型精度較高，精度在0.1mm（國(guó)內(nèi)SLA精度在0.1—0.3mm之間，并且存在很大的波動(dòng)性）；

3、 系統(tǒng)分辨率較高。

 

SLA快速原型的技術(shù)缺點(diǎn)： 

1、需要專用的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，成型件需要后處理，比如：二次固化，防潮處理等工序。 

2、尺寸穩(wěn)定性差，隨著時(shí)間推移，樹脂會(huì)吸收空氣中的水分，導(dǎo)致軟薄部分的翹曲變形，進(jìn)而極大地影響成型件的整體尺寸精度； 

3、氦-鎘激光管的壽命僅3000小時(shí)，價(jià)格較昂貴，由于需對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描固化，成型時(shí)間較長(zhǎng)，因此制作成本相對(duì)較高。 

4、 可選擇的材料種類有限，必須是光敏樹脂。由這類樹脂制成的工件在大多數(shù)情況下都不能進(jìn)行耐久性和熱性能試驗(yàn)，且光敏樹脂對(duì)環(huán)境有污染，使皮膚過(guò)敏。 

5、 需要設(shè)計(jì)工件的支撐結(jié)構(gòu)，以便確保在成型過(guò)程中制作的每一個(gè)結(jié)構(gòu)部位都能可靠定位，支撐結(jié)構(gòu)需在未完全固化時(shí)手工去除，容易破壞成型件。

 

二、SLS

 

粉末材料選擇性燒結(jié)（Selected Laser Sintering）是一種快速原型工藝，簡(jiǎn)稱SLS。 

粉末材料選擇性燒結(jié)采用二氧化碳激光器對(duì)粉末材料（塑料粉等與粘結(jié)劑的混合粉）進(jìn)行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點(diǎn)一層層堆集成三維實(shí)體的快速成型方法。 

粉末材料選擇性燒結(jié)采用二氧化碳激光器對(duì)粉末材料（塑料粉、陶瓷與粘結(jié)劑的混合粉、金屬與粘結(jié)劑的混合粉等）進(jìn)行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點(diǎn)一層層對(duì)集成三維實(shí)體的工藝方法。

 

在開始加工之前，先將充有氮?dú)獾墓ぷ魇疑郎兀⒈３衷诜勰┑娜埸c(diǎn)一下。成型時(shí)，送料筒上升，鋪粉滾筒移動(dòng)，先在工作平臺(tái)上鋪一層粉末材料，然后激光束在計(jì)算機(jī)控制下按照截面輪廓對(duì)實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié)，使粉末溶化繼而形成一層固體輪廓。第一層燒結(jié)完成后，工作臺(tái)下降一截面層的高度，在鋪上一層粉末，進(jìn)行下一層燒結(jié)，如此循環(huán)，形成三維的原型零件。最后經(jīng)過(guò)5-10小時(shí)冷卻，即可從粉末缸中取出零件。未經(jīng)燒結(jié)的粉末能承托正在燒結(jié)的工件，當(dāng)燒結(jié)工序完成后，取出零件。粉末材料選擇性燒結(jié)工藝適合成型中小件，能直接的到塑料、陶瓷或金屬零件，零件的翹曲變形比液態(tài)光敏樹脂選擇性固化工藝要小。但這種工藝仍需對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描和燒結(jié)，加上工作室需要升溫和冷卻，成型時(shí)間較長(zhǎng)。此外，由于受到粉末顆粒大小及激光點(diǎn)的限制，零件的表面一般呈多孔性。在燒結(jié)陶瓷、金屬與粘結(jié)劑的混合粉并得到原型零件后，須將它置于加熱爐中，燒掉其中的粘結(jié)劑，并在孔隙中滲入填充物，其后處理復(fù)雜。
 

粉末材料選擇性燒結(jié)快速原型工藝適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可視化表現(xiàn)和制作功能測(cè)試零件。由于它可采用各種不同成分的金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)、進(jìn)行滲銅等后處理，因而其制成的產(chǎn)品可具有與金屬零件相近的機(jī)械性能，但由于成型表面較粗糙，滲銅等工藝復(fù)雜，所以有待進(jìn)一步提高。

 

SLS快速原型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是： 

1、 與其他工藝相比，能生產(chǎn)較硬的模具。 

2、 可以采用多種原料，包括類工程塑料、蠟、金屬、陶瓷等。 

3、 零件的構(gòu)建時(shí)間較短，可達(dá)到1in/h高度。 

4、 無(wú)需設(shè)計(jì)和構(gòu)造支撐。

 

SLS快速原型技術(shù)缺點(diǎn)是： 

1、有激光損耗，并需要專門實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，使用及維護(hù)費(fèi)用高昂。 

2、需要預(yù)熱和冷卻，后處理麻煩； 

3、 成型表面粗糙多孔，并受粉末顆粒大小及激光光斑的限制。 

4、 需要對(duì)加工室不斷充氮?dú)庖源_保燒結(jié)過(guò)程的安全性，加工成本高。 

5、 成型過(guò)程產(chǎn)生有毒氣體和粉塵，污染環(huán)境。

 

三、FDM

 

絲狀材料選擇性熔覆（Fused Deposition Modeling）快速原型工藝是一種不依靠激光作為成型能源、而將各種絲材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加熱熔化進(jìn)而堆積成型方法，簡(jiǎn)稱FDM。
 

絲狀材料選擇性熔覆的原理如下：加熱噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)產(chǎn)品零件的截面輪廓信息，作X-Y平面運(yùn)動(dòng)，熱塑性絲狀材料由供絲機(jī)構(gòu)送至熱熔噴頭，并在噴頭中加熱和熔化成半液態(tài)，然后被擠壓出來(lái)，有選擇性的涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成一層大約0.127mm厚的薄片輪廓。一層截面成型完成后工作臺(tái)下降一定高度，再進(jìn)行下一層的熔覆，好像一層層"畫出"截面輪廓，如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品零件。

 

這種工藝方法同樣有多種材料可供選用，如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC、工程塑料PPSF以及ABS與PC的混合料等。這種工藝干凈，易于操作，不產(chǎn)生垃圾，并可安全地用于辦公環(huán)境，沒有產(chǎn)生毒氣和化學(xué)污染的危險(xiǎn)。適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念建模以及產(chǎn)品的形狀及功能測(cè)試。專門開發(fā)的針對(duì)醫(yī)用的材料ABS-i，因?yàn)槠渚哂辛己玫幕瘜W(xué)穩(wěn)定性，可采用伽碼射線及其他醫(yī)用方式消毒，特別適合于醫(yī)用。

 

FDM快速原型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是： 

1、 制造系統(tǒng)可用于辦公環(huán)境，沒有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的污染； 

2、 一次成型、易于操作且不產(chǎn)生垃圾； 

3、 獨(dú)有的水溶性支撐技術(shù)，使得去除支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行，可快速構(gòu)建瓶狀或中空零件以及一次成型的裝配結(jié)構(gòu)件； 

4、 原材料以材料卷的形式提供，易于搬運(yùn)和快速更換。 

5、 可選用多種材料，如各種色彩的工程塑料ABS、PC、PPSF以及醫(yī)用ABS等。

FDM快速原型技術(shù)的缺點(diǎn)是： 

1、 成型精度相對(duì)國(guó)外先進(jìn)的SLA工藝較低，最高精度0.127mm 

2、成型表面光潔度不如國(guó)外先進(jìn)的SLA工藝； 

3、成型速度相對(duì)較慢

 

四、LOM

 

箔材疊層實(shí)體制作（Laminated Object Manufacturing）快速原型技術(shù)是薄片材料疊加工藝，簡(jiǎn)稱LOM。 

箔材疊層實(shí)體制作是根據(jù)三維CAD模型每個(gè)截面的輪廓線，在計(jì)算機(jī)控制下，發(fā)出控制激光切割系統(tǒng)的指令，使切割頭作X和Y方向的移動(dòng)。供料機(jī)構(gòu)將地面涂有熱溶膠的箔材（如涂覆紙、涂覆陶瓷箔、金屬箔、塑料箔材）一段段的送至工作臺(tái)的上方。激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓用二氧化碳激光束對(duì)箔材沿輪廓線將工作臺(tái)上的紙割出輪廓線，并將紙的無(wú)輪廓區(qū)切割成小碎片。

 

然后，由熱壓機(jī)構(gòu)將一層層紙壓緊并粘合在一起。可升降工作臺(tái)支撐正在成型的工件，并在每層成型之后，降低一個(gè)紙厚，以便送進(jìn)、粘合和切割新的一層紙。最后形成由許多小廢料塊包圍的三維原型零件。然后取出，將多余的廢料小塊剔除，最終獲得三維產(chǎn)品。

 

疊層實(shí)體制作快速原型工藝適合制作大中型原型件，翹曲變形較小，成型時(shí)間較短，激光器使用壽命長(zhǎng)，制成件有良好的機(jī)械性能，適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念建模和功能性測(cè)試零件。且由于制成的零件具有木質(zhì)屬性，特別適合于直接制作砂型鑄造模。

 

LOM快速原型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是： 

1、成型速度較快，由于只需要使激光束沿著物體的輪廓進(jìn)行切割，無(wú)需掃描整個(gè)斷面，所以成型速度很快，因而常用于加工內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的大型零件。 

2、無(wú)需設(shè)計(jì)和構(gòu)建支撐結(jié)構(gòu)。

 

LOM快速原型技術(shù)的缺點(diǎn)是： 

1、有激光損耗，并需要專門實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，維護(hù)費(fèi)用高昂； 

2、可實(shí)際應(yīng)用的原材料種類較少，盡管可選用若干原材料，例如紙、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是紙，其他箔材尚在研制開發(fā)中； 

3、必須進(jìn)行防潮處理，紙制零件很容易吸濕變形，所以成型后必須立即進(jìn)行樹脂、防潮漆涂覆等后處 

4、難以構(gòu)建形狀精細(xì)、多曲面的零件，僅限于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零件。 

5、廢料去除困難，所以該工藝不宜構(gòu)建內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。 

6、當(dāng)加工室的溫度過(guò)高時(shí)常有火災(zāi)發(fā)生。因此，工作過(guò)程中需要專職人員職守。

 

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