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3D打印技术工艺研究分析 Contents 3D打印的定义3D打印即快速成型技术的一种 它是一种以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 3D打印的发展历史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 3D打印汽车Urbee 2011年6月6日 发布了全球第一款3D打印的比基尼 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 世界上第一台3D巧克力打印机 巧克力打印机的作品 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 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 2013年10月 全球首次成功拍卖一款名为 ONO之神 的3D打印艺术品 2013年11月 美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司 固体概念 设计制造出3D打印金属手枪 3D打印金属手枪缺点 仅限于短周期或者是短时间内的使用 没有办法在长时间内满足使用的要求 通过3D打印得到的武器结构强度 需要进一步论证 3D打印过程 三维设计建立模型 完成模型打印 3D打印的优缺点3D打印技术的优点 1 制造复杂物品不增加成本2 产品多样化不增加成本3 无须组装4 设计空间无限 能设计出传统机械难以制造的形状5 减少废弃副产品6 精确的实体复制 3D打印技术的缺点 1 打印能使用的材料有限 现阶段个人级用户使用的3D打印机大部分都使用的是塑料这一载体 打印出来产品的耐用的性不高2 对设备性能要求高 设备比较昂贵 3D打印的应用航空领域在美国太空探索技术公司的不载人飞船 龙 向空间站运送的大量日常物资与科学实验设备中有这台3D打印机 宇航员可以在太空 打印 零部件 制造出国际空间站30 零部件 随 龙 飞船上太空的3D打印机 美国弗吉尼亚大学的学生史蒂芬 伊斯特 StevenEaster 和乔纳森 图尔曼 JonathanTurman 通过3D打印技术制造出一架飞机模型并成功试飞 通用电气航空集团 GEAviation 使用3D打印机制造飞机喷气引擎体育领域耐克抛弃传统制鞋的过程 使用3D打印制造的 VaporLaserTalon 鞋子 医疗领域 3D打印的人体器官 3D打印的第一颗人类心脏 3D打印的配义肢及髋关节 3D打印材料 1 金属 metals 1 黑色金属 ferrousmetals 不锈钢 stainlesssteel 高温合金 superalloy 3D打印的不锈钢饰物 3D打印的IN718镍基高温合金转子 2 有色金属 non ferrousmetals 钛 titanium rvnDSGN团队利用3D打印技术将钛粉快速而高效地打印成精致的手表 英国的Metalysis公司利用钛金属粉末成功打印了叶轮和涡轮增压器等汽车零件 3D打印的钛手表 3D打印的涡轮叶轮 镁铝合金 magnesium aluminumalloy 日本佳能公司利用3D打印技术制造出了顶级单反相机壳体上的镁铝合金特殊曲面顶盖 3D打印的顶级单反相机壳体上的镁铝合金特殊曲面顶盖 镓 gallium 3D打印的液态金属镓 镓 铟合金 gallium indiumalloy 3D打印的镓 铟液态合金 3 稀贵金属 rareandpreciousmetals 金 gold 纯银 sterlingsver 黄铜 brass 3D打印的叶形金戒指 3D打印的菌丝银戒指 3D打印的黄铜戒指 2 聚合物 poymer ABS丙烯腈 丁二烯 苯乙烯EP弹性塑料PLA聚乳酸Endur 一种先进的仿聚丙烯材料 3D打印的ElastoPlastic鞋 3D打印的PLA螺栓和螺母 3D打印的笔筒 3 陶瓷 ceramic 4 复合材料 composite 3D打印的陶瓷茶杯 3D打印的超强聚合物部件 3D打印各项技术的工艺原理及其特点物体成型的方式主要有以下四类 减材成型 受压成型 增材成型 生长成型 3D打印技术从狭义上来说主要是指增材成型技术 LOM 分层实体成型工艺 LOM分层实体成型工艺 LOM分层实体成型工艺设备分层实体成型系统主要包括计算机 数控系统 原材料存储与运送部件 热粘压部件 激光切系统 可升降工作台等部分组成 LOM 分层实体成型工艺 LOM技术的基本原理图 LOM分层实体成型工艺特点优点 1 LOM工艺采用的原料价格便宜 因此制作成本极为低廉2 其适用于大尺寸工件的成型 成型过程无需设置支撑结构 多余的材料也容易剔除 精度也比较理想 缺点 由于LOM技术成型材料的利用率不高 材料浪费比较严重 SLA 立体光固化成型工艺 SLA 立体光固化成型工艺原理 SLA 立体光固化成型工艺 SLA 立体光固化成型工艺特点优点 1 SLA工艺成型效率高 系统运行相对稳定 2 成型精度高 适合制作结构异常复杂的模型 缺点 1 成型尺寸也有较大的限制 不适合制作体积庞大的工件 2 成型过程中伴随的物理变化和化学变化可能会导致工件变形 因此成型工件需要有支撑结构 3 SLA工艺所支持的材料还相当有限且价格昂贵 液态的光敏树脂具有一定的毒性和气味 材料需要避光保存以防止提前发生聚合反应 4 SLA成型的成品硬度很低而相对脆弱 使用SLA成型的模型还需要进行二次固化 后期处理相对复杂 SLS 选择性激光烧结工艺 SLS 选择性激光烧结工艺原理 SLS 选择性激光烧结工艺 SLS特点 优点 1 SLS工艺支持多种材料 2 成型工件无需支撑结构 3 材料利用率较高 4 在成型的过程中 未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂起着支撑的作用 因此SLS成型的工件不需要像SLA成型的工件那样需要支撑结构 缺点 1 SLS设备的价格和材料价格仍然十分昂贵 2 烧结前材料需要预热 烧结过程中材料会挥发出异味 设备工作环境要求相对苛刻 SLS与SLA区别相似之处 都需要借助激光将物质固化为整体 不同之处 1 SLA使用的是紫外激光 SLS工艺使用的是红外激光束 2 材料则由光敏树脂变成了塑料 蜡 陶瓷 金属或其复合物的粉末 SLS工艺使用的材料与SLA相比相对丰富些 主要有石蜡 聚碳酸酯 尼龙 纤细尼龙 合成尼龙 陶瓷甚至还可以是金属 FDM 熔融沉积成型工艺 FDM 熔融沉积成型工艺原理 FDM 熔融沉积成型工艺 FDM 熔融沉积成型工艺特点FDM工艺无需激光系统的支持 所用的成型材料也相对低廉 总体性价比高 熔融沉积成型技术 FDM 中目前常用的打印材料有ABS与PLA两种 两种材料的比较 ABS即丙烯腈 丁二烯 苯乙烯共聚物 它是非晶体 具有强度高 韧性好 熔点高 凝固快 流动性低的特点 是一种易于加工成型的热塑型高分子材料 应用较为广泛 但ABS在加热时会产生刺激性气味且收缩率较大 且成型精度不易控制 PLA是聚乳酸的简称 主要以玉米 木薯等为原料 具有可降解性 加热融化时气味小 成型时收缩率较低 打印大型零件模型时边角不易 且熔点较低 所以在实际中选择PLA作为打印材料 FDM注意要点 采用FDM工艺制作具有悬空结构的工件原型时需要有支撑结构的支持 为了节省材料成本和提高成型的效率 新型的FDM设备会采用了双喷头的设计 一个喷头负责挤出成型材料 另外一个喷头负责挤出支撑材料 一般来说 用于成型的材料丝相对更精细一些 而且价格较高 沉积效率也较低 用于制作支撑材料的丝材会相对较粗一些 而且成本较低 但沉积效率会更高些 支撑材料一般会选用水溶性材料或比成型材料熔点低的材料 这样在后期处理时通过物理或化学的方式就能很方便地把支撑结构去除干净 3DP 三维印刷工艺 3DP 三维印刷工艺原理 3DP 三维印刷工艺 3DP技术特点 3DP技术成型速度非常快 适用于制造结构复杂的工件 也适用于制作复合材料或非均匀材质材料的零件 3DP工艺与SLS工艺比较相同之处 采用的都是粉末状的材料 如陶瓷 金属 塑料 不同之处 3DP使用的粉末并不是通过激光烧结粘合在一起的 而是通过喷头喷射粘合剂将工件的截面 打印 出来并一层层堆积成型的 PolyJet 聚合物喷射技术 PolyJet 聚合物喷射技术 PolyJet 聚合物喷射技术工艺原理PolyJet技术也是当前最为先进的3D打印技术之一 它的成型原理与3DP有点类似 不过喷射的不是粘合剂而是聚合成型材料 PolyJet聚合物喷射系统的结构 PolyJet 聚合物喷射技术特点1 成型的工件精度非常高 2 支持多种不同性质的材料同时成型 能够制作非常复杂的模型 3 工件成型的过程中使用两种不同类型的光敏树脂材料 一种是用来生成实际的模型的材料 另一种是类似胶状的用来作为支撑的树脂材料 最新的打印技术 CLIP技术 CLIP技术 CLIP技术工艺原理 CLIP技术特点 1 采用新材料 比如合成橡胶 硅氧树脂 尼龙 陶瓷和可降解生物材料等 大大扩展了3D打印的材料范围 2 打印速度很快 相比于其他打印技术速度提高了25 100倍 3 不仅能打印许多前所未有的几何形状 而且可以打印非常精细的物品 精度小于20mm CLIP打印的 埃菲尔铁塔 作为Science杂志封面 CLIP与几种3D打印技术的速度比较 3D打印产品精度影响因素及工艺参数的控制1 打印机精度及材料性能打印机本身的制造和装配精度以及工作过程中的振动都会影响其打印精度 比如XY平面误差 X Y轴与导轨垂直度误差及定位误差等 此外 打印机框架结构及所用材料刚度对其稳定性也有着很大影响 同时 不同的材料 其熔点 流动性 收缩率等各不相同 这些也都直接影响制品精度 2 工艺参数 1 挤出压力的影响 不同挤出压力下膏体的挤出情况 2 温度挤出头加热温度主要影响材料的粘结堆积性能及丝材流动性温度过低将使材料难以粘结到热床上或是发生如下图所示的层间剥离 同时易造成喷嘴堵塞 过高则会使材料挤出时偏于液态 不易于控制的丝状 层间剥离接影响打印制品的热应力及其与底板的粘结力 过低会造成翘曲 脱落等现象 层间剥离 3 喷嘴直径与层厚 喷嘴直径决定挤出丝的宽度 进而影响成品精细程度 由于3D打印的材料是一层一层铺起来的 故层厚的设置同样也会影响制品的粗糙度 若选用大直径的喷嘴 层厚设置的厚 则打印耗时短 但成品较粗糙 反之 则耗时长 但得到的成品更精细 打印时需综合模型尺寸 用途来合理选用喷嘴设置层厚 实验证明当分层厚度为挤出头直径的80 90 时 打印出的零件的成形效果较好 不同分层厚度情况下打印的零件 4 打印速度 3D打印是一个打印速度与挤出速度相互配合的过程 二者需要合理匹配才能达到打印要求 若打印远快于挤出 则材料填充不足 导致断丝 反之则会使熔丝堆积在挤出头上 导致材料分布不均 在零件表面形成疙瘩 不同扫描速度下的零件出现的缺陷 5 填充方式不同的填充方式对应的打印速度 制品的收缩应力也不同 例如 直线填充速度较快 而蜂窝状填充产生的收缩应力较小 图 a 所示为直线填充的圆柱 每层均为互相垂直的线 图 b 为蜂窝状填充 其上下两层为直线填充 6 冷却打印PLA等流动性较高的材料时会出现前一层尚未完全成型 后一层便开始在其上打印的情况 这无疑会损害制品精度 所以一般3D打印机都在挤出头边设有下图所示的风扇 以加快固化过程 打印前应设置合适的转速 从而获得较好的成型效果 而有些材料 如ABS 本身流动性较低 因而不需要风扇进行冷却 否则会引起制件翘曲 3D打印机冷却风扇 打印件翘曲原因分析造成翘曲变形主要是由于在分层成型过程中 材料堆积不同步而引起各层间体积收缩不同 进而造成内应力不等而产生的 若新的堆积层能够自由收缩 则不会产生内部应力 但实际上 由于新堆积层底面受到已完成部分的外力作用 不能完全收缩 便会不可避免的产生内应力 3D打印技术减少翘曲变形的措施减缓成形过程中模型尾部尖角部位的热传导和对流散热 降低冷却速度 从而减缓该部位凝固收缩应力 可以从以下三方面进行控制 降低3D打印层厚 这样可以减少打印的新增层冷却时新增层底部与顶部间的温差 减少其收缩的不均匀 加快成形速度这样就减少了同一水平高度上在长轴方向不同部位的温差 减少了不同