3D打印技术概述

1 3D3D 打印技术概述打印技术概述 摘要 摘要 3D 打印技术 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 它无需机械加工或任 何模具 就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件 从而极大地缩短 产品的研制周期 提高生产率和降低生产成本 灯罩 身体器官 珠宝 根据 球员脚型定制的足球靴 赛车零件 固态电池以及为个人定制的手机 小提琴 等都可以用该技术制造出来 关键词 关键词 3D 打印 快速成型 添加制造 增材制造 引言 3D 打印技术是一项革命性技术 其重要性可能与电脑时代相媲美 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 1 1 3D3D 打印技术简介打印技术简介 3D 打印技术是指通过连续的物理 层叠加 逐层增加材料来生成三维实 体的技术 与传统的去除材料加工技 术不同 因此又称为添加制造 AM Additive Manufacturing 作为一 种综合性应用技术 3D 打印综合了数 字建模技术 机电控制技术 信息技 术 材料科学与化学等诸多方面的前 沿技术知识 具有很高的科技含量 3D 打印机是 3D 打印的核心装备 它 是集机械 控制及计算机技术等为一 体的复杂机电一体化系统 主要由高 精度机械系统 数控系统 喷射系统 和成型环境等子系统组成 此外 新 型打印材料 打印工艺 设计与控制 软件等也是 3D 打印技术体系的重要 组成部分 目前 3D 打印技术主要被 应用于产品原型 模具制造以及艺术 创作 珠宝制作等领域 替代这些 领域传统依赖的精细加工工艺 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 与医学 建筑 服装等领域 3D 打印 技术的引入也为创新开拓了广阔的空 间 如 2010 年澳大利亚 Invetech 公 司和美国 Organovo 公司合作 尝试 以活体细胞为 墨水 打印人体的组 织和器官 是医学领域具有重大意义 的创新 2 2 3D3D 打印技术的基本概念打印技术的基本概念 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 这种打印技术 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 X 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 打印技术又被称为 增加材料制造技 术 3D 打印技术或称为增材制造是一系 列技术的组合 即通过一台机器逐次 2 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 其内部可 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 3D 打印技术 增材制造 已经在 消费品 汽车工业及航空工业等领域 部分获得应用 它对于制造新奇廉价 的物品很合适但生产大体积低价格且 有足够强度的部件其能力有限 据估 计到 2023 年 增材制造有望取代一 些传统的规模化生产企业 导致大量 拥有现代生产能力的本地化微工厂出 现 有效缩短生产周期 简化供应链 在这一过程中 发展中国家将是主要 受益者 因为增材制造相对于传统制 造而言 其对工业基础建设的要求更 低 理论上来说 当 3D 打印技术成 熟后 随着打印材料的添加的不同 可以打印任何东西 包括人体器官 原料是细胞 房子 原料是建筑 材料 机械 原料是金属 等 并 且可以按照你想要的一模一样打印出 来 只要你在计算机前把要打印的东 西的形状等设置好即可 3 3 3D3D 打印的发展简史打印的发展简史 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 Charles Hull 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 打印机由 Spectrum Z510 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 打印的比基尼 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 4 4 3D3D 打印过程原理打印过程原理 每一层的打印过程分为两步 首 先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶 水 胶水液滴本身很小 且不易扩散 然后是喷洒一层均匀的粉末 粉末遇 到胶水会迅速固化黏结 而没有胶水 的区域仍保持松散状态 这样在一层 胶水一层粉末的交替下 实体模型将 会被 打印 成型 打印完毕后只要 扫除松散的粉末即可 刨 出模型 而剩余粉末还可循环利用 打印耗材由传统的墨水 纸张转 变为胶水 粉末 当然胶水和粉末都 是经过处理的特殊材料 不仅对固化 反应速度有要求 对于模型强度以及 打印 分辨率都有直接影响 3D 打 印技术能够实现 600dpi 分辨率 每 层厚度只有 0 01 毫米 即使模型表 面有文字或图片也能够清晰打印 受 到喷打印原理的限制 打印速度势必 不会很快 较先进的产品可以实现每 3 小时 25 毫米高度的垂直速率 相比 早期产品有 10 倍提升 而且可以利 用有色胶水实现彩色打印 色彩深度 高达 24 位 由于打印精度高 打印出的模型 品质自然不错 除了可以表现出外形 曲线上的设计 结构以及运动部件也 不在话下 如果用来打印机械装配图 齿轮 轴承 拉杆等都可以正常活动 而腔体 沟槽等形态特征位置准确 甚至可以满足装配要求 打印出的实 体还可通过打磨 钻孔 电镀等方式 进一步加工 同时粉末材料不限于砂 型材料 还有弹性伸缩 高性能复合 熔模铸造等其它材料可供选择 5 5 技术优势技术优势 三维打印技术的魅力在于它不需 要在工厂操作 桌面打印机可以打印 出小物品 而且 人们可以将其放 在办公室一角 商店甚至房子里 而 自行车车架 汽车方向盘甚至飞机零 件等大物品 则需要更大的打印机和 更大的放置空间 3D 打印技术最突出的优点是无需 机械加工或任何模具 就能直接从计 算机图形数据中生成任何形状的零件 从而极大地缩短产品的研制周期 提 高生产率和降低生产成本 与传统技术相比 三维打印技术 还拥有如下优势 通过摒弃生产线而 降低了成本 大幅减少了材料浪费 而且 它还可以制造出传统生产技术 无法制造出的外形 让人们可以更有 效地设计出飞机机翼或热交换器 另 外 在具有良好设计概念和设计过程 的情况下 三维打印技术还可以简化 生产制造过程 快速有效又廉价地生 产出单个物品 三维打印技术还有其他重要的优 点 大多数金属和塑料零件为了生产 而设计 这就意味着它们会非常笨重 并且含有与制造有关但与其功能无关 的剩余物 三维打印技术不是这样的 在三维打印技术中 原材料只为生产 所需要的产品 借用三维打印技术 他的团队生产出的零件更加精细轻盈 当材料没有了生产限制后 就能以最 优化的方式来实现其功能 因此 与 机器制造出的零件相比 打印出来的 产品的重量要轻 60 并且同样坚固 6 6 应用发展应用发展现状现状 如今三维打印技术的精度约为 0 1 毫米 而且打印机本身的售价偏高 不过 随着技术的进步和成本的降低 一台普通三维打印机的成本有望比 1985 年的激光打印机还要低 但生物三维打印机也面临着诸多 挑战 其中之一是其打印出的物体如 何与身体其他器官尤其是大的组织更 好地结合 因为任何打印出来的器官 或身体组织都需要同身体的血管相连 而这可能非常难实现 一旦克服了这 个技术障碍 在未来几十年内 生物 打印技术将成为一项标准技术 现在 3D 打印技术还不够成熟 材 料特定 造价高昂 打印出来的还都 处于模型阶段 也就是说真正用于生 活应用的还并不多 但 3D 打印技术 的前景很好 未来将有可能得到普及 进入我们的生活 4 7 7 发展展望发展展望 3D 打印技术的到来将意味着我们 人人都能成为制造家 世界各地各处 都能成为制造工厂 全民制造的时代 正在向我们招手 它同时也意味着各 种行业将面临巨大变革 传统制造业 和服务业之间的界限将变得越来越模 糊 3D 打印将重塑制造业 随着大企 业对 3D 制造的兴趣日益浓厚 原材 料成本就会随着下降 同时打印机技 术也会不断改进 在不久的将来 3D 打印技术将走 进千家万户 这是制造能力的大众化 有了 3D 打印机后 人人都可以通 过数码设计制造出各种想象中的物体 或者借用不管来自世界哪个角落的某 种设