快速成型3d打印原理技術(shù)論文
3D快速打印技術(shù)在近年來(lái)得到了快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的增加。下面是小編為大家精心推薦的快速成型3d打印技術(shù)論文，希望能對(duì)大家有所幫助。
快速成型3d打印技術(shù)論文篇一：《試論3D打印技術(shù)》
摘 要：3D打印又稱(chēng)為增材制造，近年來(lái)得到了快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷增加。本文對(duì)3D打印的原理及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對(duì)3D打印在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用模式進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：3D打印;應(yīng)用現(xiàn)狀;教學(xué)領(lǐng)域
1 引言
3D打印，又稱(chēng)為增材制造，是快速成型技術(shù)的一種，被譽(yù)為 “第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志”，以其 “制造靈活”和“節(jié)約原材料”的特點(diǎn)在制造業(yè)掀起了一股浪潮。近年來(lái)，隨著3D打印技術(shù)的逐步成熟、精確，打印材料種類(lèi)的增加，打印價(jià)格的降低，3D打印得到了快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷增加，不僅在機(jī)械制造、國(guó)防軍工、建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，也逐漸進(jìn)入了公眾視野，走進(jìn)學(xué)校、家庭、醫(yī)院等大眾熟悉的場(chǎng)所，在教育、生物醫(yī)療、玩具等行業(yè)也得到了廣泛關(guān)注及應(yīng)用，作為教育工作者，本文將在介紹3D打印的原理、優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討3D打印在教育領(lǐng)域的角色及應(yīng)用模式。
2 3D打印概述
2.1 3D打印原理
3D打印(3D printing，又稱(chēng)三維打印)，是利用設(shè)計(jì)好的3D模型，通過(guò)3D打印機(jī)逐層增加塑料、粉末狀金屬等材料來(lái)制造三維產(chǎn)品的技術(shù)[1]。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)3D打印獲得物品需要經(jīng)歷建模、分割、打印、后期處理等四個(gè)環(huán)節(jié)[2]，其中3D虛擬模型，可以是利用掃描設(shè)備獲取物品的三維數(shù)據(jù)，并以數(shù)字化方式生成三維模型，或者是利用AutoCAD等工程或設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建的3D模型，有些應(yīng)用程序甚至可以使用普通的數(shù)碼照片來(lái)制作3D模型，比如123D Catch[3]。
2.2 3D打印的優(yōu)勢(shì)
與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印不需事先制模，也不必鑄造原型，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，減少了產(chǎn)品從研發(fā)到應(yīng)用的時(shí)間，降低了企業(yè)因開(kāi)模不當(dāng)可能導(dǎo)致的高成本風(fēng)險(xiǎn)，使得特殊和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型的制作也變得相對(duì)簡(jiǎn)單，產(chǎn)品也更能凸顯個(gè)性化。另外，3D打印是增材制造，使用金屬粉或其他材料，使部件從無(wú)到有制造出來(lái)，大大減少了原材料和能源的消耗，生產(chǎn)上實(shí)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
2.3 3D打印的應(yīng)用現(xiàn)狀
近年來(lái)，3D打印得到了快速發(fā)展，幾乎應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在模具加工和機(jī)械制造領(lǐng)域，使用3D打印相對(duì)快速地進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)與定制，打印復(fù)雜形狀的各種零件，打印具有足夠強(qiáng)度的個(gè)性化幾何造型的物件。在航空航天、國(guó)防軍工領(lǐng)域，3D打印應(yīng)用于外形驗(yàn)證、關(guān)鍵零部件的原型制造、直接產(chǎn)品制造等方面。如空客公司從打印飛機(jī)小部件開(kāi)始，逐步發(fā)展，計(jì)劃在2050年左右打印出整架飛機(jī)。生物醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)工作者利用3D打印技術(shù)打印出患者的心臟模型，缺損下頜骨模型，患者外傷性腦內(nèi)血腫顱腦模型等，用于輔助診斷并制定術(shù)前手術(shù)方案，降低了手術(shù)難度，減少了手術(shù)時(shí)間，為患者帶來(lái)了精準(zhǔn)化的治療。人工椎體和人體氣管軟骨的打印讓人體器官的3D打印成為可能。3D打印的處方藥產(chǎn)品SPRITAM(左乙拉西坦)片劑可用于各種癲癇疾病的治療。建筑工程領(lǐng)域，3D打印建筑不需使用模板，打印的建筑物重量輕，強(qiáng)度大，時(shí)間短，產(chǎn)生的建筑垃圾及建筑粉塵少，且可以循環(huán)使用，綠色環(huán)保。3D打印在首飾、食品、玩具和日常用品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中也有廣泛應(yīng)用，可以很好地彰顯用戶(hù)的個(gè)性化特點(diǎn)和需求。3D打印在太陽(yáng)能電池板和特殊材料的制造方面的應(yīng)用也有突破。
3 3D打印在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用
3D打印在教學(xué)方面的探索性活動(dòng)也已經(jīng)展開(kāi)，并應(yīng)用在數(shù)學(xué)、航空、電子、設(shè)計(jì)、機(jī)電工程、生物醫(yī)學(xué)、天文等大部分學(xué)科中，取得了良好的教學(xué)效果?；?D打印的快速生成能力，使得數(shù)字化模型能快速轉(zhuǎn)化為立體實(shí)物，借助立體實(shí)物的生成過(guò)程及使用可以提高教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生合作、設(shè)計(jì)、創(chuàng)新等能力。
3.1打印三維教具學(xué)具輔助教學(xué)
在課程教學(xué)中，借助于多媒體教學(xué)手段，一些抽象的圖像可以相對(duì)直觀的顯示出來(lái)，但針對(duì)的是群體，形成的是暫時(shí)的視覺(jué)感受，印象并不是很深刻，也不易理解。借助3D打印，可以把數(shù)字化的圖像轉(zhuǎn)化成實(shí)物的教具和學(xué)具，每個(gè)同學(xué)都有機(jī)會(huì)親手感受，而且還可以親自設(shè)計(jì)、策劃，無(wú)疑對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，知識(shí)的掌握及應(yīng)用有很大的促進(jìn)作用。比如：數(shù)學(xué)課可以打印出幾何曲面、剖面立體實(shí)物;動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)可以打印出3D人物，動(dòng)物角色模型，且可以根據(jù)實(shí)效及時(shí)修改;語(yǔ)文課可以把要講解的地域打印出來(lái)，如北京的胡同，同學(xué)們可以拿著模型理解胡同的特點(diǎn)，體驗(yàn)胡同文化，講述胡同的來(lái)龍去脈;機(jī)械制造課可以根據(jù)課程內(nèi)容打印相關(guān)的零件、齒輪、連桿等。
3.2 實(shí)習(xí)實(shí)踐過(guò)程中輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)
職業(yè)學(xué)校實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)較多，鉗工實(shí)習(xí)、數(shù)控機(jī)床實(shí)習(xí)、電子電工實(shí)習(xí)、動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)等，都需要借助相應(yīng)的模型，并設(shè)計(jì)出一定的模型。借助于3D打印，同學(xué)們對(duì)需要設(shè)計(jì)的模型有一個(gè)大體的認(rèn)識(shí)，然后經(jīng)過(guò)集體分組的討論、設(shè)計(jì)、修改等過(guò)程，不僅能增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生交互學(xué)習(xí)，協(xié)作學(xué)習(xí)，且能提高學(xué)生的設(shè)計(jì)水平、思維能力和實(shí)踐能力。比如在模具設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)中，采用項(xiàng)目式教學(xué)法，應(yīng)用3D打印，學(xué)生分組設(shè)計(jì)、分組打印，學(xué)生在親眼目睹自己的設(shè)計(jì)零件打印成型的過(guò)程及成品后，學(xué)習(xí)興趣大增，多次討論修改的過(guò)程也大大提升學(xué)生的設(shè)計(jì)水平。在CAD課程實(shí)踐環(huán)節(jié)中，使用3D打印機(jī)，可以根據(jù)教學(xué)需要來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)作品3D打印出來(lái)進(jìn)行評(píng)比并組裝，不僅使學(xué)生熟練掌握設(shè)計(jì)軟件建模的基本思路和流程，而且對(duì)如何從設(shè)計(jì)作品到具體的實(shí)物的生成有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)，有利于日后學(xué)生進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和發(fā)展。
3.3 就業(yè)創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)
近年來(lái)，大學(xué)畢業(yè)生人數(shù)急劇增加，就業(yè)壓力增大，國(guó)家大力提倡大學(xué)生創(chuàng)業(yè)，整個(gè)社會(huì)也興起了一股自主創(chuàng)業(yè)的熱潮。對(duì)于職業(yè)學(xué)校的學(xué)生來(lái)說(shuō)，有一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，有較強(qiáng)的動(dòng)手操作能力，有創(chuàng)業(yè)的熱情與激情。借助于3D打印設(shè)備，創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)老師可以指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)辦創(chuàng)意設(shè)計(jì)3D打印工作室，利用所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)出相關(guān)產(chǎn)品并打印出來(lái)進(jìn)行銷(xiāo)售，同時(shí)也可為社會(huì)客戶(hù)提供DIY服務(wù)，收取一定的培訓(xùn)費(fèi)和制作費(fèi)，也可以在校企合作的基礎(chǔ)上為合作企業(yè)提供設(shè)計(jì)和3D打印服務(wù)。通過(guò)3D打印的上述創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)，加深學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的鞏固、對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的了解，并培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)和能力。
3.4 圖書(shū)館應(yīng)用
圖書(shū)館引入3D打印服務(wù)是圖書(shū)館從文獻(xiàn)服務(wù)走向創(chuàng)新服務(wù)的途徑。國(guó)外很多圖書(shū)館都開(kāi)展3D打印服務(wù)，國(guó)內(nèi)的綜合圖書(shū)館，如上海圖書(shū)館、蘇州圖書(shū)館也開(kāi)展3D打印服務(wù)，高校中的上海交通大學(xué)圖書(shū)館也開(kāi)展3D打印服務(wù)，并且通過(guò)舉辦3D打印設(shè)計(jì)大賽積極推廣此項(xiàng)服務(wù)，通過(guò)比賽普及3D打印知識(shí)，讓同學(xué)們了解3D打印前沿科技，啟發(fā)學(xué)生們用創(chuàng)新思維發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、智慧解決問(wèn)題。學(xué)校圖書(shū)館可以配備一兩臺(tái)3D打印機(jī)，并在保證健康和安全的基礎(chǔ)上，充分考慮費(fèi)用、提交步驟、等待和篩選時(shí)間等、制定詳細(xì)的3D打印制度或政策，并鼓勵(lì)學(xué)生打印原創(chuàng)作品，以發(fā)揮學(xué)生的專(zhuān)業(yè)特長(zhǎng)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力。
4 結(jié)束語(yǔ)
3D打印正從工業(yè)領(lǐng)域，走向各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。不久的將來(lái)，也會(huì)像電腦、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)一樣進(jìn)入我們的社會(huì)和每個(gè)家庭。教育工作者應(yīng)積極利用這項(xiàng)新技術(shù)，促進(jìn)教學(xué)模式和教學(xué)活動(dòng)的創(chuàng)新，更好地提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新水平。
參考文獻(xiàn)
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快速成型3d打印技術(shù)論文篇二：《淺議3D打印成型技術(shù)對(duì)模具制造技術(shù)的沖擊》
摘 要：近年來(lái)，3D打印市場(chǎng)如火如荼，在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大的作用，尤其是在產(chǎn)品制造方面。隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)和普及，必將會(huì)沖擊以模具制造為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈條。文章通過(guò)對(duì)比3D打印成型技術(shù)與傳統(tǒng)模具制造技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，客觀地分析了3D打印成型技術(shù)對(duì)模具制造技術(shù)的沖擊。
關(guān)鍵詞：3D打印;模具制造;沖擊
1 概述
3D打印技術(shù)(增材制造技術(shù))是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實(shí)物的新興制造技術(shù)。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。3D打印技術(shù)綜合了信息技術(shù)、數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。
傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)是在接單后還需對(duì)接單項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)審，在確定了開(kāi)發(fā)要求及工藝路線(xiàn)后，開(kāi)始模具設(shè)計(jì)。加工之前需要按照設(shè)計(jì)的圖紙備料。接著是粗加工，最后是試模驗(yàn)證。其加工流程如圖1所示。采用傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)制造加工出一個(gè)合格的模具所需要的人力、物力較多，生產(chǎn)時(shí)間也較長(zhǎng)。
2 3D打印制造模具的優(yōu)點(diǎn)
3D打印成型技術(shù)與傳統(tǒng)模具制造業(yè)的最大區(qū)別在產(chǎn)品成型的過(guò)程上。在傳統(tǒng)的模具制造業(yè)中，模具制造一般需要經(jīng)過(guò)開(kāi)模具、鑄造或鍛造、切割、部件組裝等過(guò)程成型。而3D打印則免去了那些復(fù)雜的過(guò)程，不用模具，一次成型。可以節(jié)約很多成本。還可以克服一些傳統(tǒng)制造上無(wú)法達(dá)成的設(shè)計(jì)，從而制作出更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模具。
2.1 模具生產(chǎn)周期縮短
3D打印模具縮短了整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，并成為驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新的源頭。在以往，由于考慮到還需要投入大量資金制造新的模具，公司有時(shí)會(huì)選擇推遲或放棄產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更新。通過(guò)降低模具的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，以及使現(xiàn)有的設(shè)計(jì)工具能夠快速更新，3D打印使企業(yè)能夠承受得起模具更加頻繁的更換和改善。它能夠使模具設(shè)計(jì)周期跟得上產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的步伐。
2.2 模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)為終端產(chǎn)品增加了更多的功能性
通常，金屬3D打印的特殊冶金方式能夠改善金屬微觀結(jié)構(gòu)，并能產(chǎn)生完全致密的打印部件，與那些鍛造或鑄造的材料(取決于熱處理和測(cè)試方向)相比，其機(jī)械和物理性能一樣或更好。增材制造為工程師帶來(lái)了無(wú)限的選擇以改進(jìn)模具的設(shè)計(jì)。此外，它能夠整合復(fù)雜的產(chǎn)品功能，使高功能性的終端產(chǎn)品制造速度更快、產(chǎn)品的缺陷更少。3D打印可以實(shí)現(xiàn)任意形狀的冷卻通道，以確保實(shí)現(xiàn)隨形冷卻，更加優(yōu)化且均勻，最終導(dǎo)致更高質(zhì)量的零件和較低的廢品率。
2.3 定制模具幫助實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的定制化
更短的生產(chǎn)周期、制造更為復(fù)雜幾何形狀、以及降低最終制造成本的能力，使得企業(yè)能夠制造大量的個(gè)性化工具來(lái)支持定制部件的制造。3D打印模具非常利于定制化生產(chǎn)，比如醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)療行業(yè)，它能夠?yàn)橥饪漆t(yī)生提供3D打印的個(gè)性化器械，比如，外科手術(shù)導(dǎo)板和工具，使他們能夠改善手術(shù)效果，減少手術(shù)時(shí)間。
3 3D打印成型技術(shù)對(duì)模具制造技術(shù)的沖擊
工業(yè)產(chǎn)品的更新?lián)Q代非?？欤粋€(gè)新產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)后，如果沒(méi)有銷(xiāo)路，那就得不償失。傳統(tǒng)模具制造技術(shù)開(kāi)發(fā)一套模具需要幾十萬(wàn)，甚至幾百萬(wàn)元。而利用3D打印技術(shù)，可以把產(chǎn)品先開(kāi)發(fā)出來(lái)，直接打印。使用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以大大縮短生產(chǎn)的周期、節(jié)約生產(chǎn)成本。比如，一套手機(jī)模具，采用傳統(tǒng)的制造技術(shù)，須經(jīng)過(guò)大約12個(gè)工作日才能完成，有時(shí)還會(huì)造成材料的浪費(fèi)。但利用3D打印技術(shù)幾個(gè)小時(shí)就可以完成，而且還具有高精密度的特點(diǎn)，這樣就能夠不斷提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，在發(fā)展中搶得先機(jī)。
3D打印的優(yōu)勢(shì)很明顯：可免除制造刀具、夾具和模具的過(guò)程，直接進(jìn)行產(chǎn)品加工，解決了生產(chǎn)工藝難以解決的問(wèn)題，還節(jié)約材料、縮短時(shí)間。
4 3D打印成型技術(shù)短期內(nèi)無(wú)法替代傳統(tǒng)模具制造技術(shù)
3D打印誕生近三十年了，但產(chǎn)業(yè)化遠(yuǎn)未形成。雖然3D打印名氣很大，但到今天還處于科普階段。3D打印作為一項(xiàng)前沿的、先導(dǎo)性較強(qiáng)的技術(shù)，可以滿(mǎn)足個(gè)性化、定制化、復(fù)雜、高難度產(chǎn)品的需求，但不具有批量化、規(guī)?；膬?yōu)勢(shì)。
4.1 傳統(tǒng)工業(yè)的成熟給3D打印制造門(mén)檻
傳統(tǒng)工業(yè)大生產(chǎn)在過(guò)去200多年可以說(shuō)非常成功，發(fā)展到今天，分工也非常細(xì)，配套非常充沛，可以說(shuō)是環(huán)環(huán)相扣，形成了巨大的利益攸關(guān)體，形成了巨大的慣性。如果要打破這種慣性，成本非常高。這些3D打印無(wú)論是顛覆或者融入，門(mén)檻都特別高。
4.2 目前3D打印不適合批量生產(chǎn)
3D打印目前并不適合批量生產(chǎn)，例如3D打印技術(shù)生產(chǎn)1件產(chǎn)品和生產(chǎn)1萬(wàn)件產(chǎn)品的成本單價(jià)基本接近，而且3D打印需要更長(zhǎng)的時(shí)間。一個(gè)噴頭就對(duì)應(yīng)生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品，而且產(chǎn)品體積大了，成型速度幾何性降低，幾個(gè)小時(shí)才成型一個(gè)東西，粗糙度不滿(mǎn)足，還要打磨，還要精加工。傳統(tǒng)模具制造技術(shù)在我國(guó)大批量生產(chǎn)中占據(jù)明顯的優(yōu)勢(shì)，在非批量、精密要求不是很高的產(chǎn)品制造領(lǐng)域，傳統(tǒng)模具制造暫時(shí)不具備替代性。
4.3 3D打印技術(shù)的材料種類(lèi)較少，而且價(jià)格較貴
盡管現(xiàn)在已有幾百種材料能夠被3D打印，但是高溫塑料和一部分常用金屬依舊不能被打印。尤其金屬由于熱處理的問(wèn)題，很容易出現(xiàn)打印后變性的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)EOS的代表提出的比如invar，就不能被打印，而這個(gè)材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中卻是相當(dāng)重要的材料。而且國(guó)內(nèi)有能力生產(chǎn)3D打印材料的企業(yè)很少，特別是金屬材料主要依賴(lài)進(jìn)口，價(jià)格高。
4.4 3D打印技術(shù)的速度、效率、質(zhì)量還有待提高
3D打印本身的技術(shù)原理就決定了制造精度和制造速度存在矛盾。3D打印是一層層來(lái)制作物品。如想提高打印精度就得增加打印層數(shù)，但是自然而然地降低了打印速度。而提高速度的話(huà)就會(huì)有精度問(wèn)題：因?yàn)?D打印采用的是逐層堆積制造的方式，這種方式本身就存在“階梯效應(yīng)”，特別是所制造工件表面曲度較大的時(shí)候，階梯效應(yīng)就尤為明顯，這會(huì)影響工件的精度。
3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)都存在優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，目前3D打印技術(shù)還不能替代傳統(tǒng)制造技術(shù)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)打印效率不斷的提高及生產(chǎn)成本的降低，3D技術(shù)對(duì)模具行業(yè)的影響將不容小覷。
參考文獻(xiàn)
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快速成型3d打印技術(shù)論文篇三：《試談3D打印技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展》
【摘要】本文通過(guò)分析3D打印機(jī)的原理，總結(jié)了幾種典型的3D打印技術(shù)，分析其市場(chǎng)應(yīng)用和發(fā)展方向，得出3D打印技術(shù)的發(fā)展會(huì)引領(lǐng)第三次工業(yè)革命的發(fā)展。
【關(guān)鍵詞】3D;打印機(jī);3D打印技術(shù)
1.前言
近來(lái)，三維(3D)打印技術(shù)[1]在發(fā)達(dá)國(guó)家興起，前不久在網(wǎng)上流傳的3D打印手槍?zhuān)齺?lái)許多網(wǎng)友圍觀。3D打印現(xiàn)在已不再只是概念產(chǎn)物，全球已有不少公司推出了個(gè)人3D打印機(jī)，它已在平常生活中開(kāi)始普及。2012年4月，英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》刊文認(rèn)為，3D打印技術(shù)將與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起，推動(dòng)第三次工業(yè)革命的實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)制造技術(shù)是“減材制造技術(shù)”，3D打印則是“增材制造技術(shù)”，它具有制造成本低、生產(chǎn)周期短等明顯優(yōu)勢(shì)。
2.3D打印機(jī)的原理及技術(shù)
2.1 3D打印機(jī)
3D打印機(jī)是近年來(lái)在民用市場(chǎng)出現(xiàn)的一個(gè)新詞。在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域有另一個(gè)名稱(chēng)叫“快速成形技術(shù)”[2]?？焖俪尚渭夹g(shù)誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種全新制造技術(shù)。它集分層制造技術(shù)、機(jī)械工程、數(shù)控技術(shù)、CAD、激光技術(shù)、逆向工程技術(shù)、材料科學(xué)于一體，可以直接、快速、自動(dòng)、精確地將設(shè)計(jì)電子模型轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種低成本而高效的實(shí)現(xiàn)手段。快速成形技術(shù)就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過(guò)快速成型機(jī)，將一層層的材料堆積成實(shí)體原型。
不同種類(lèi)的快速成型系統(tǒng)因所用成形材料不同，成形原理和系統(tǒng)特點(diǎn)也各有不同。但是基本原理一樣，那就是“分層制造，逐層疊加”[3]，類(lèi)似于數(shù)學(xué)上的積分過(guò)程。形象地講，快速成形系統(tǒng)就像是一臺(tái)“立體打印機(jī)”，因此得名。
2.2 3D打印機(jī)的原理
3D打印機(jī)根據(jù)零件的形狀，每次制做一個(gè)具有一定微小厚度和特定形狀的截面，然后再把它們逐層粘結(jié)起來(lái)，就得到了所需制造的立體的零件。
每個(gè)截面數(shù)據(jù)相當(dāng)于醫(yī)學(xué)上的一張CT像片;整個(gè)制造過(guò)程就像一個(gè)“積分”的過(guò)程。
整個(gè)過(guò)程是在電腦的控制下，由3D打印系統(tǒng)自動(dòng)完成的。不同公司3D打印使用的成形材料不同，系統(tǒng)的工作原理也有所區(qū)別，但其基本原理都是一樣的，那就是“分層制造、逐層疊加”。這種工藝可以形象地叫做“增長(zhǎng)法”。
2.3 3D打印技術(shù)
2.3.1 SLA技術(shù)
光固化成型法(SLA)是用特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線(xiàn)，由線(xiàn)到面順序凝固，完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度，再固化另一個(gè)層面。這樣層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。SLA是最早實(shí)用化的快速成形技術(shù)，采用液態(tài)光敏樹(shù)脂原料。其工藝過(guò)程是，首先通過(guò)CAD設(shè)計(jì)出三維實(shí)體模型，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)掃描路徑，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將精確控制激光掃描器和升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng);激光光束通過(guò)數(shù)控裝置控制的掃描器，按設(shè)計(jì)的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹(shù)脂表面，使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層樹(shù)脂固化后，當(dāng)一層加工完畢后，就生成零件的一個(gè)截面;然后升降臺(tái)下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹(shù)脂，再進(jìn)行第二層掃描，第二固化層牢固地粘結(jié)在前一固化層上，這樣一層層疊加而成三維工件原型。將原型從樹(shù)脂中取出后，進(jìn)行最終固化，再經(jīng)打光、電鍍、噴漆或著色處理即得到要求的產(chǎn)品。
SLA技術(shù)主要用于制造多種模具、模型等;還可以在原料中通過(guò)加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)！LA技術(shù)成形速度較快，精度較高，但由于樹(shù)脂固化過(guò)程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。因此開(kāi)發(fā)收縮小、固化快、強(qiáng)度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢(shì)。
2.3.2 SLS技術(shù)
選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層，層層疊加生成所需形狀的零件。其整個(gè)工藝過(guò)程包括CAD模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。
整個(gè)工藝裝置由粉末缸和成型缸組成，工作時(shí)粉末缸活塞(送粉活塞)上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均勻鋪上一層，計(jì)算機(jī)根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末材料以形成零件的一個(gè)層面。粉末完成一層后，工作活塞下降一個(gè)層厚，鋪粉系統(tǒng)鋪上新粉。控制激光束再掃描燒結(jié)新層。如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加，直到三維零件成型。最后，將未燒結(jié)的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。對(duì)于金屬粉末激光燒結(jié)，在燒結(jié)之前，整個(gè)工作臺(tái)被加熱至一定溫度，可減少成型中的熱變形，并利于層與層之間的結(jié)合。
與其它3D打印機(jī)技術(shù)相比，SLS最突出的優(yōu)點(diǎn)在于它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上說(shuō)，任何加熱后能夠形成原子間粘結(jié)的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。目前，可成功進(jìn)行SLS成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復(fù)合粉末材料。由于SLS成型材料品種多、用料節(jié)省、成型件性能分布廣泛、適合多種用途以及SLS無(wú)需設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜的支撐系統(tǒng)，所以SLS的應(yīng)用廣泛。
2.3.3 PDM技術(shù)
熔積成型(FDM)法，該方法使用絲狀材料(石蠟、金屬、塑料、低熔點(diǎn)合金絲)為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度(約比熔點(diǎn)高1℃)，在計(jì)算機(jī)的控制下，噴頭作x-y平面運(yùn)動(dòng)，將熔融的材料涂覆在工作臺(tái)上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進(jìn)行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。
該技術(shù)污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。成形材料：固體絲狀工程塑料;制件性能相當(dāng)于工程塑料或蠟?zāi)?主要用于塑料件、鑄造用蠟?zāi)！蛹蚰Ｐ汀?/p>
2.3.4 LOM技術(shù)
分層實(shí)體制造法(LOM)，又稱(chēng)層疊法成形，它以片材(如紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料)為原材料，其成形原理如圖所示，激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓線(xiàn)數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的紙用激光切割出工件的內(nèi)外輪廓。切割完一層后，送料機(jī)構(gòu)將新的一層紙疊加上去，利用熱粘壓裝置將已切割層粘合在一起，然后再進(jìn)行切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維工件。LOM常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結(jié)構(gòu)件或功能件。 LOM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點(diǎn)是前、后處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不能制造中空結(jié)構(gòu)件。成形材料主要是涂敷有熱敏膠的纖維紙;制件性能相當(dāng)于高級(jí)木材;主要用途是快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。
3.3D打印技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用及發(fā)展方向
3.1 建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域
建筑模型的傳統(tǒng)制作方式，漸漸無(wú)法滿(mǎn)足高端設(shè)計(jì)項(xiàng)目的要求。全數(shù)字還原不失真的立體展示和風(fēng)洞及相關(guān)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)如今眾多設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的大型設(shè)施或場(chǎng)館都利用3D打印技術(shù)先期構(gòu)建精確建筑模型來(lái)進(jìn)行效果展示與相關(guān)測(cè)試[4]，3D打印技術(shù)所發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)和無(wú)可比擬的逼真效果為設(shè)計(jì)師所認(rèn)同。
3.2 磨具制造領(lǐng)域
玩具制作等傳統(tǒng)的模具制造領(lǐng)域[5]，往往模具生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，成本高。將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相結(jié)合，可以大大縮短模具的開(kāi)發(fā)周期，提高生產(chǎn)率，是解決模具設(shè)計(jì)與制造薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑。3D打印技術(shù)在模具制造方面的應(yīng)用可分為直接制模和間接制模兩種，直接制模是指采用3D打印技術(shù)直接堆積制造出模具，間接制模是先制出快速成型零件，再由零件復(fù)制得到所需要的模具。
3.3 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用近幾年來(lái)，人們對(duì)3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究較多。以醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用3D打印技術(shù)制作人體器官模型，對(duì)外科手術(shù)有極大的應(yīng)用價(jià)值，近年來(lái)許多醫(yī)院推出3D打印胎兒服務(wù)。
3.4 航空航天領(lǐng)域
在航空航天領(lǐng)域中，空氣動(dòng)力學(xué)地面模擬實(shí)驗(yàn)(即風(fēng)洞實(shí)驗(yàn))是設(shè)計(jì)性能先進(jìn)的天地往返系統(tǒng)(即航天飛機(jī))所必不可少的重要環(huán)節(jié)。該實(shí)驗(yàn)中所用的模型形狀復(fù)雜、精度要求高、又具有流線(xiàn)型特性，采用3D打印技術(shù)，根據(jù)CAD模型，由3D打印設(shè)備自動(dòng)完成實(shí)體模型，能夠很好的保證模型質(zhì)量。
3.5 家電和食品領(lǐng)域
3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)的家電行業(yè)上得到了很大程度的普及與應(yīng)用，使許多家電企業(yè)走在了國(guó)內(nèi)前列。美的、華寶、小天鵝、海爾等都先后采用3D打印技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的效果。
3D打印在食品領(lǐng)域也有成功的應(yīng)用。做成的鮮肉特別有彈性，而且烹飪后肉質(zhì)松散有嚼頭，絲毫不遜于真正的肉，就連肉里的微細(xì)血管都能打印出來(lái)。人們吃到“3D肉”的日子不會(huì)太遠(yuǎn)，因?yàn)槊绹?guó)泰爾基金會(huì)近日已投資成立了“鮮肉3D打印技術(shù)公司”，希望能夠?yàn)榇蟊娞峁┌踩判牡呢i肉產(chǎn)品。這種利用糖、蛋白質(zhì)、脂肪、肌肉細(xì)胞等原材料打印出的肉具有和真正的肉類(lèi)相似的口感和紋理，就連肉里的微細(xì)血管都能打印出來(lái)。
4.總結(jié)
3D打印是產(chǎn)業(yè)界自主創(chuàng)新的過(guò)程，政府主要負(fù)責(zé)引導(dǎo)方向，要讓民營(yíng)企業(yè)有充分的自主發(fā)展空間，同時(shí)對(duì)一些敏感行業(yè)或者產(chǎn)品要加強(qiáng)監(jiān)管。3D打印技術(shù)市場(chǎng)潛力巨大，勢(shì)必成為引領(lǐng)未來(lái)制造業(yè)趨勢(shì)的眾多突破之一。這些突破將使工廠徹底告別車(chē)床、鉆頭、沖壓機(jī)、制模機(jī)等傳統(tǒng)工具，改由更加靈巧的電腦軟件主宰，這便是第三次工業(yè)革命的到來(lái)的標(biāo)志[6]。在這種勢(shì)頭下，傳統(tǒng)的制造業(yè)將逐漸失去競(jìng)爭(zhēng)力。
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