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3D打印技术知识普及
日期:2015-05-30   |   编辑:科研学报部    

3D打印技术和3D打印机

3D打印技术即:三维打印(英语:3D printing),即快速成形技术的一种,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。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。特别是一些高价值应用(比如髋关节或牙齿,或一些飞机零部件)已经有使用这种技术打印而成的零部件。“三维打印”意味着这项技术的普及。

三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长,其价格也正逐年下降。[1]

该技术珠宝,鞋类,工业设计,建筑,工程和施工(AEC),汽车,航空航天[2],牙科和医疗产业,教育,地理信息系统,土木工程,枪支以及其他领域都有所应用。

历史

早期的三维打印的例子发生在20世纪80年代,虽然那时的三维打印机是大型的,昂贵的,所能制造的产品可能非常有限。[3]

? 在1980年代,热溶解积压成形(Fused Deposition Modeling,FDM)技术由S. Scott Crump开发成功,并在1990年代商业化。[4]

? 在1980年代中期,SLS被在美国德州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利,项目由DARPA赞助的[5]。1979年,类似过程由RF Housholder得到专利,但没有被商业化。[6]

? 在1987年,Chuck Hull发明的Stereolithography(立体光刻工艺)被授予了专利。

? 1995年在麻省理工学院创造了“三维打印”术语,当时的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson修改了喷墨打印机方案,变为把约束溶剂挤压到粉末床,而不是把墨水挤压在纸张上的方案。该专利随之而来的是现代的三维打印企业Z公司(Bredt和Anderson创立)和ExOne公司

术语

由于物品通过材料一层层的累积被打印出来,该技术也被称为累积制造(Additive manufacturing)。

一般原理

三维模型的分区

三维设计

三维打印的设计过程是:先通过计算机辅助设计(CAD)或计算机动画建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,从而指导打印机逐层打印。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器,其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

打印过程

打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的。一般的厚度为100微米,即0.1毫米,也有部分打印机如Objet Connex 系列还有三维 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。 用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天,根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时,当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品,而三维打印技术则可以以更快,更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

完成

目前三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够(在弯曲的表面可能会比较粗糙,像图像上的锯齿一样),要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法:先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体,再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物,比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西(如可溶的东西)作为支撑物。

技术

 世界范围的快速原型成型技术

 奥迪公司(Audi)使用快速成型技术的KUKA机器人来制造的Audi RSQ汽车

许多相互竞争的技术是可用的。它们的不同之处在于以不同层构建创建部件,并且以可用的材料的方式。一些方法利用熔化或软化可塑性材料的方法来制造打印的“墨水”,例如:选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)和混合沉积建模(fused deposition modeling,FDM),还有一些技术是用液体材料作为打印的“墨水”的,例如:立体平板印刷(stereolithography,SLA)、分层实体制造(laminated object manufacturing,LOM)。每种技术都有各自的优缺点,因而一些公司会提供多种打印机以供选择。一般来说,主要的考虑因素是打印的速度和成本,三维打印机的价格,物体原型的成本,还有材料以及色彩的选择和成本。

可以直接打印金属的打印机价格昂贵。有时候人们会先使用普通的三维打印机来制作模具,然后用这些模具制作金属部件。

累积技术

基本材料

选择性激光烧结(selective laser sinteringSLS

热塑性塑料金属粉末、陶瓷粉末

直接金属激光烧结(Direct metal laser sinteringDMLS

几乎任何合金

熔融沉积成型(fused deposition modelingFDM

热塑性塑料共晶系统 金属、可食用材料

立体平版印刷(stereolithographySLA

光硬化树脂(photopolymer

数字光处理DLP

液态树脂

熔丝制造(Fused Filament FabricationFFF

聚乳酸(PLAABS树脂

融化压模(Melted and Extrusion ModelingMEM

金属线、塑料线

分层实体制造(laminated object manufacturingLOM

金属膜、塑料薄膜

电子束熔化成型(Electron beam meltingEBM

合金

选择性热烧结(Selective heat sinteringSHS

Thermoplastic powder

粉末层喷头三维打印(en:Powder bed and inkjet head 3d printingPP

石膏

打印机

家用打印机

有几个项目和公司努力开发在很多家庭可以负担得起的价格的适合台式机使用的三维打印机,其中有许多是相关的。这项工作的推动,并有针对性地DIY/发烧友/早期采用者社区的学术和黑客社区的链接。

RepRap三维打印机是一个在桌面类的运行时间最长的项目。 RepRap项目的目的是产生一个自由和开放源码软件(FOSS)的三维打印机,其规格在GNU通用公共许可证下发布的,并可以打印自己的部分(打印件),以创造更多的机器。截至201011月,RepRap可以打印塑料件,并要求电机,电子和一些金属支撑棒来完成。[来源请求]打印印刷电路板,以及金属部件的设备正在研究中。一些公司和个人出售部分创建不同的RepRap设计,开始于2012年的价格约€400 / US$500[7]

由于RepRap具有的开放源码软件的目的,许多相关的项目都用它的设计中获取灵感,创造一个生态系统的许多相关的或派生的三维打印机,其中大部分也是开源设计。这些开源设计的可用性意味着,发明三维打印机的变体很容易。但是,不同的打印机设计的质量和复杂性不同,包或成品的质量也良莠不齐。这种快速发展的开源三维打印机的正在得到越来越多的关注,无论是发达国家和发展中国家都在大量定制和设计,因为它可以通过管道在公共领域使用,如Thingiverse制作的适当开源的技术。这项技术也可以协助在可持续发展,这种技术很容易在当地取得资源,因此十分经济,以满足他们的需求。

开放源码的Fab@Home项目一般使用的打印机,可以使用一个喷嘴做出任何产品,从巧克力到硅密封剂和化学反应物。打印机可以从供应商的工具包项目的设计或组装的形式,在2012年该地区的价格是2000美元。[7]

许多这些打印机以包形式提供的,还有一些是完全组装好的形式。 完全组装好的Solidoodle2,一个6x6x6英寸的打印机的价格为US$499。打印机包的价格从400美元为开源SeeMeCNC H-1500美元的Printrbot,这两者都是来自以前的RepRap打印机的派生模型,到超过2000美元的Fab@Home2.0双注射器系统。

商用和家用打印机

开发和能超级自定义的的基于RepRap的三维打印机制作了一类新的打印机,适用于住宅及商业用途。最便宜的组装打印机是Solidoodle 2,而RepRapPro的的DIY包售价为680美元左右,是最便宜的和最可靠的。还有其他的高端工具包和完全组装好的机器,是基于RepRap的机器增强型号,能以高速和高清晰度来打印。根据不同的应用,打印分辨率和速度的的程度介乎个人打印机和工业打印机之间。打印机的价格和其他信息的清单被人维护[7]。大部分最近的delta robots已经用于三维打印来进一步的增加制造的速度。[8]

应用

 

模型 (被三维 scanner数字化扫描的数据经过MeshLab处理并且用三维 model生成快速原型机器制造树脂复制品()

三维打印的限量版首饰的例子。这个项链是由玻璃纤维填充的染色尼龙。它具有的旋转链接和其他部件都用了相同的制造步骤。摄影: Atelier Ted Noten

工业应用

快速成型

主条目:快速成型

20世纪80年代初以来,工业的三维打印机已经存在,并已广泛用于快速成型设计和研究目的。这些通常是较大的机器,使用专有的金属粉末,铸造介质(如沙子),塑料或磁带,并用于许多快速原型使用的大学和商业公司。制造工业用三维打印机的公司包括 Objet GeometriesStratasys,三维 SystemZ Corporation公司。

[编辑快速制造

在快速成型技术的进步所带来的使用材料用于最终制造的能力。在材料的使用这些技术进步带来的直接生产成品组件的前景。三维打印技术的优势在于相对廉价的生产少量的零件快速制造。

民用和爱好者用

三维打印服务

有些公司提供网上在线的三维打印服务,既对消费者也对工业界开放。人们上传自己的三维设计到三维打印服务公司网站,设计被通过工业的三维打印机打印后运到客户。三维打印服务公司的一些例子是ShapewaysKraftwurxi.materialise 和 Freedom Of Creation。 MakerBot工业的Thingiverse允许共享的三维打印文件和作为一个社区资源。

新应用的研究

其他应用程序将包括创造开放源码的科学设备[9] ,或用于其他科学为基础的应用程序,例如重建的古生物化石,复制古老而珍贵文物,重建骨骼和身体各部位的法医病理学,和重建严重受损的来自于犯罪现场调查的证据。

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