《D打印技术》doc

1、快速成型技术论文作业三维打印成型技术最新研究进展姓 名：杜延辉 学 号：1000404040 专 业： 材料成型及控制工程 院 系： 机械工程学院 2013年10月27日摘要 采用三维打印成型工艺和反应熔体渗透工艺相结合制备复合材料，可在较大范围内设计材料成分和微结构，并可近尺寸制备复杂形状的部件。该方法为航空领域热结构部件的设计和制造提供了新途径。关键词 三维打印 成型 材料三维打印成型工艺的最新研究进展与成果三维打印成型是一种快速原型技术，可将计算机设计的三维模型构建成三维实体。采用三维打印成型工艺和反应熔体渗透工艺相结合制备复合材料，可在较大范围内设计材料成分和微结构，并可近尺寸制备复杂

2、形状的部件。该方法为航空领域热结构部件的设计和制造提供了新途径。采用三维打印成型工艺和反应熔体渗透工艺相结合制备复合材料，可在较大范围内设计材料成分和微结构，并可近尺寸制备复杂形状的部件。该方法为航空领域热结构部件的设计和制造提供了新途径。三维打印成型工艺三维打印（ThreeDimonsionPrinting,3DP）是一种快速原型技术，可将计算机设计的三维模型数据分为层片模型数据，将特定原材料一层一层堆积成型直至完成整个实体的构建。三维打印后埋在粉体中的三维打印部件。3DP成型具有成本低、工作过程无污染、成型速度快等优点，目前多应用于多孔陶瓷过滤件和医学工程等领域。其中，采用间接三维打印工艺

3、可以控制多孔陶瓷的细观孔隙分布。通过控制打印粉体的预处理工艺，即可调节粉体粒径及粒径分布等参数。调节打印工艺参数（如粉体层厚度和打印液的流变参数），即可改变打印部件的精度、孔隙率、孔隙分布和表面粗糙度等。可通过预烧结等工艺达到提高多孔陶瓷坯体强度和形状稳定的目的。3DP已被证明可以制造各种由金属、陶瓷和聚合物材料组成的复杂形状部件。与聚合物基材料不同，采用三维打印工艺制造金属和陶瓷部件仍然处于研发阶段，需要找到新材料和新方法克服现有工艺的不足。3DP的工艺特点为粉体颗粒堆垛并由粘结剂粘结在一起，3DP坯体的孔隙较多，这导致3DP部件的强度较低。为了提高3DP材料的强度，需要采用后处理工艺，其中

4、常用的后处理工艺为烧结工艺，其烧结温度需要一临界值，既保证提高材料密度又不改变材料组织结构和部件外形结构。但是，烧结后的材料线收缩率很大，例如采用3DP工艺制备的致密Inconel718部件体积收缩高达19.5%21.5%3。对于陶瓷基材料，制备致密部件尤其需要采用合适的后处理工艺，这是近几年研究的一个难点。本文将重点介绍采用三维打印工艺制备新型陶瓷基材料的研究状况。三维打印成型设备的最新产品与技术情况（一）三维打印机的种类。目前有多种快速成形设备被称为三维打印机,但它们在成形原理上却有所差别。三维打印机的成形原理主要有以下几类。1)最早出现的三维打印机是基于MIT的专利,工作方式类似于喷墨打

5、印机,成形时先在工作平面上铺一层粉末材料,喷头对分层截面区域喷洒粘接剂,将材料粘接在一起,完成一层后,工作台下降一个层高,进行下一层的成形,如此往复直至完成零件。采用这种成形方式的主要有ZCorporation公司的ZPrinter系列和ExOne公司的R系列三维打印机,此类成形机能够使用的材料种类比较多,包括石膏、塑料、陶瓷和金属等,而且还可以打印彩色零件,成形过程中没有被粘接的粉末起到支撑作用,能够成形内部具有复杂形状的零件。这类成形机通过采用多打印头和喷嘴来提高成形效率,如ZPrinter450成形机具有2个打印头(604个喷嘴),成形速度为24层/分钟,层厚为0108901203mm,

6、分辨率为300450dpi,成形尺寸为203mm254mm203mm。2)采用喷头直接喷射热塑性材料成形是另一种具有代表性的成形方式,如Solidscape公司的T系列成形机和3DSystems公司的ProJetTMCPX3000成形机。这种方式需要单独的喷头来喷射支撑材料在成形结束后再将支撑去除,成形精度、速度等受喷出微滴尺寸、喷头运动速度等因素的影响。Solidscape公司的T612Benchtop成形机,喷出液滴直径为01076mm,成形层厚为0101301076mm,喷头运动速度最高为50mm/s,成形工作室体积为30418mm15214mm15214mm。3)Objet公司基于其P

7、olyJetTM技术的三维打印机则采用液态光敏树脂材料,在喷头两端装有紫外线灯,树脂被喷洒到工作平面上后,随即被紫外线灯照射固化。该工艺的特点是精度高,每层厚度为01016mm,并可成形厚度小于016mm的薄壁墙等特征。4)Solido公司的SD300三维打印机则采用PVC薄膜层层堆积和切割的方式成形零件,设备大小和普通的喷墨打印机近似,成形尺寸为160mm210mm135mm,X2Y方向精度为011mm,Z向精度则受薄膜厚度限制,为01168mm6。（二）基于3DP的金属零件制造方法利用3DP技术制造金属零件的方法可以分为间接法和直接法两大类,如图1所示。间接法中的成形材料是非金属材料,需要

8、结合传统的工具、模具技术来制造金属零件。直接法则是采用金属材料来直接成形金属零件。图1金属零件的成形方式分类间接法制造金属零件在间接法中,根据三维打印机采用的成形材料又可以分为三种不同的工艺。1)利用3DP成形件代替传统模具的母模来制作铸型、电极等模具和工具。这种方式可以制作形状较为复杂的模具和电加工工具。2)将3DP与熔模铸造相结合。有的3DP生产商开发了专用于熔模铸造的成形材料和成形机,如ZCorpration公司的ZP14就是专用于制作熔模的材料,该材料由纤维素、特殊纤维和其他添加剂构成,制作的成形件通过浸蜡就可以成为熔模,并可保证在吸收蜡时不变形,而且在加热后的残留物非常少7。3DSy

9、stems公司的VisiJetCPX200材料成分为蜡,专用于成形熔模铸造的蜡型。Solidscape公司为其三维打印机开发的InduraCast成形材料,是一种熔点为95110热塑性材料,专用于制作熔模9,图2所示为用该公司三维打印机制作的熔模。InduraCast材料成形的熔模利用3DP可以直接、快速地制造出复杂形状的蜡模,省去了传统的蜡模制造中压型的制造过程,因而可以显著地缩短生产周期,降低成本,这在单件、小批量的生产中显得尤为突出。3)利用3DP直接制造铸模。如ZCorpration公司的ZCast工艺采用了一种由型砂、石膏和其他添加物的混合材料来直接打印出模具和模芯,直接用于有色金属

10、零件的铸造9。所示为ZCast工艺成形的铸模。ZCast工艺制作的铸模及零件ExOne公司的ProMetalRCT技术是一种专门制作砂型铸造铸型的3DP技术,成形材料即为型砂,成形件(铸型)不需要进行特别的后处理工序,进行清扫后就可以用于铸造生产。该公司的S215成形机可成形1500mm750mm700mm的铸型,速度为75秒/层。而采用ProMetalRCT工艺则可以在一次成形中制作出4个完整的模具和型芯,而所花费的时间仅约48h。图4a所示为燃气轮机的静叶片,这种空心的不锈钢叶片对传统的铸造工艺是一大挑战。图4b所示的发动机进气歧管,采用ProMetalRCT工艺也在5个工作日左右就生产出

11、了铸件。由于成形件(铸模)是根据零件的三维CAD模型直接设计、成形的,不但省去了传统砂型铸造过程中模型、砂芯和砂箱制作,极大地缩短了铸件的生产周期,而且与传统制造过程相比其精度也高。此外,由于成形过程中未被粘接的粉末起到支撑的作用,使得3DP技术可以很容易地制作出用传统方法很难制作的、具有内部复杂流道的铸型。直接法制造金属零件直接法是指采用金属材料来成形金属零件。ExOne公司的ProMetal工艺是3DP工艺成形金属零件的代表性技术,零件的制造过程分为三维打印成形和后处理两个阶段。1)三维打印成形。在工作台面铺一层金属粉末后,由喷头对分层截面区域喷洒粘接剂,粘结金属粉末。完成一层后下降一个层

12、高,进行下一层的成形,如此往复直到完成整个零件。成形结束后得到的零件由金属粉末和固化了的非金属粘接剂组成,称为绿件,其致密度(相对密度)约为60%,不是真正意义上的金属零件,还需要进行后续的后处理工序。2)后处理工艺。将绿件放置在热处理炉中进行加热、烧结。粘接剂被烧掉后的零件称为褐件,由于已没有了粘接剂,褐件是具有很多微小孔隙的零件(孔隙率约40%)。浸渗是一种常用的提高褐件致密度的后处理工艺,即将熔化的低熔点金属,利用微小孔隙的毛细作用渗入褐件内部。例如对不锈钢的褐件进行渗铜,最终获得的零件是由60%的不锈钢和40%的青铜构成。直接法的最大优点是可以直接制作出具有内部复杂结构的金属零件。所示

13、为采用这种工艺制作的模具(已被剖开),模具中的曲线冷却流道是用传统的机加工工艺很难实现的。由于成形件的成分限制,其承载能力不能与100%致密度的金属零件相比,因此仅能用于负载不大的场合,如注塑模具制造、小型铝合金冲压模具。三维打印成型技术用材料研究现状（一）材料选择。目前此技术发展的最大阻碍就在于成型所需的材料，主要包括粉末和粘结剂两部分。1.粉末材料选择从三维打印技术的工作原理可以看出，其成型粉末需要具备材料成型性好、成型强度高、粉末粒径较小、不易团聚、滚动性好、密度和孔隙率适宜、干燥硬化快等性质，可以使用的原型材料有石膏粉末、淀粉、陶瓷粉末、金属粉末、热塑材料或者是其他一些有合适粒径的粉末

14、等。成型粉末部分由填料、粘结剂、添加剂等组成。相对其他条件而言，粉末的粒径非常重要。径小的颗粒可以提供相互间较强的范德瓦尔兹力，但滚动性较差，且打印过程中易扬尘，导致打印头堵塞；大的颗粒滚动性较好，但是会影响模具的打印精度。粉末的粒径根据所使用打印机类型及操作条件的不同可从1m到100m810。其次，需要选择能快速成型且成型性能较好的材料。可选择石英砂、陶瓷粉末、石膏粉末、聚合物粉末(如聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚苯乙烯、聚乙烯、石蜡等)，金属氧化物粉末(如氧化铝等)和淀粉等作为材料的填料主体1118，选择与之配合的粘结剂可以达到快速成型的目的。加入部分粉末粘结剂可起到加强粉末成型强度的作用，

15、其中聚乙烯醇、纤维素(如聚合纤维素、碳化硅纤维素、石墨纤维素、硅酸铝纤维素等)、麦芽糊精等可以起到加固作用，但是其纤维素链长应小于打印时成型缸每次下降的高度9，19，20，胶体二氧化硅的加入可以使得液体粘结剂喷射到粉末上时迅速凝胶成型。除了简单混合，将填料用粘结剂(聚乙烯吡咯烷酮等)包覆并干燥可更均匀地将粘结剂分散于粉末中，便于喷出的粘结剂均匀渗透进粉末内部。或者将填料分为两部分包覆，其中一部分用酸基粘结剂包覆，另一部分用碱基粘结剂包覆，当二者通过介质相遇时，便可快速反应成型。包覆方法也可有效减小颗粒之间的摩擦，增加其滚动性，但要注意包覆厚度要很薄，介于0.11.0m之间8，21，22。成型材

16、料除了填料和粘结剂两个主体部分，还需要加入一些粉末助剂调节其性能，可加入一些固体润滑剂增加粉末滚动性，如氧化铝粉末、可溶性淀粉、滑石粉等，有利于铺粉层薄均匀23，24；加入二氧化硅等密度大且粒径小的颗粒增加粉末密度，减小孔隙率，防止打印过程中粘结剂过分渗透；加入卵磷脂减少打印过程中小颗粒的飞扬以及保持打印形状的稳定性等9。另外，为防止粉末由于粒径过小而团聚，需采用相应方法对粉末进行分散25。2.粘结剂选择。用于打印头喷射的粘结剂要求性能稳定，能长期储存，对喷头无腐蚀作用，粘度低，表面张力适宜，以便按预期的流量从喷头中挤出，且不易干涸，能延长喷头抗堵塞时间，低毒环保等。液体粘结剂分为几种类型：本

17、身不起粘结作用的液体，本身会与粉末反应的液体及本身有部分粘结作用的液体。本身不起粘结作用的粘结剂只起到为粉末相互结合提供介质的作用，其本身在模具制作完毕之后会挥发到几乎不剩下任何物质，对于本身就可以通过自反应硬化的粉末适用，此液体可以为氯仿、乙醇等26。对于本身会参与粉末成型的粘结剂，如粉末与液体粘结剂的酸碱性的不同，可以通过液体粘结剂与粉末的反应达到凝固成型。而目前最常用的是以水为主要成分的水基粘结剂，对于可以利用水中氢键作用相互连接的石膏、水泥等粉末适用，粘结剂为粉末相互结合提供介质和氢键作用力，成型之后挥发27。或者是相互之间能反应的，如以氧化铝为主要成分的粉末，可通过酸性粘结剂的喷射反

18、应固化。对于金属粉末，常常是在粘结剂中加入一些金属盐来诱发其反应。对于本身不与粉末反应的粘结剂，还有一些是通过加入一些起粘结作用的物质实现，通过液体挥发，剩下起粘结作用的关键组分。其中可添加的粘结组分包括缩丁醛树脂、聚氯乙烯、聚碳硅烷、聚乙烯吡咯烷酮以及一些其他高分子树脂等。选择与这些粘结剂相溶的溶液作为主体介质可应用，虽然根据粉末种类不同可以用水、丙酮、醋酸、乙酰乙酸乙酯等作为粘结剂溶剂，但目前均以水基粘结剂报道较多。如前所述，要达到液体粘结剂所需条件，除了主体介质和粘结剂外，还需要加入保湿剂、快干剂、润滑剂、促凝剂、增流剂、pH调节剂及其他添加剂(如染料、消泡剂)等，所选液体均不能与打印头

19、材质发生反应。加入的保湿剂如聚乙二醇、丙三醇等可以起到很好的保持水分的作用，便于粘结剂长期稳定储存。可加入一些沸点较低的溶液如乙醇、甲醇等来增加粘结剂多余部分的挥发速度，另外，丙三醇的加入还可以起到润滑作用，减少打印头的堵塞。对于一些以胶体二氧化硅或类似物质为凝胶物质的粉末，可加入柠檬酸等促凝剂强化其凝固效果。添加少量其他溶剂(如甲醇等)或者通过加入分子量不同的有机物可调节其表面张力和粘度以满足打印头所需条件30，31。表面张力和粘度对打印时液滴成型有很大影响，合适的形状和液滴大小直接影响打印过程成型精度的好坏10。为提高液体粘结剂流动性，可加入二乙二醇丁醚、聚乙二醇、硫酸铝钾、异丙酮、聚丙烯

20、酸钠等作为增流剂，加快打印速度11，32。另外，对于那些对溶液pH值有特殊要求的粘结剂部分，可通过加入三乙醇胺、四甲基氢氧化氨、柠檬酸等16调节pH为最优值。加入百里酚蓝指示，以保持粘结剂条件的最优化，对打印头液滴的形状也有影响，挥发剩下的物质还可以起到一定的固化作用。另外，出于打印过程美观或者产品需求，需要加入能分散均匀的染料等9。要注意的是，添加助剂的用量不宜太多，一般小于质量分数的10%，助剂太多会影响粉末打印后的效果及打印头的机械性能。3后处理过程打印过程完成之后，需要一些后续处理措施来达到加强模具成型强度及延长保存时间的目的，其中主要包括静置、强制固化、去粉、包覆等。打印过程结束之后

21、，需要将打印的模具静置一段时间，使得成型的粉末和粘结剂之间通过交联反应、分子间作用力等作用固化完全，尤其是对于以石膏或者水泥为主要成分的粉末。成型的首要条件是粉末与水之间作用硬化，之后才是粘结剂部分的加强作用，一定时间的静置对最后的成形效果有重要影响28。当模具具有初步硬度时，可根据不同类别用外加措施进一步强化作用力，例如通过加热、真空干燥、紫外光照射等方式33。此工序完成之后所制备模具具备较强硬度，需要将表面其他粉末除去，用刷子将周围大部分粉末扫去，剩余较少粉末可通过机械振动、微波振动、不同方向风吹等除去9，22，34。也有报道将模具浸入特制溶剂中，此溶剂能溶解散落的粉末，但是对固化成型的模

22、具不能溶解，可达到除去多余粉末的目的10。对于去粉完毕的模具，特别是石膏基、陶瓷基等易吸水材料制成的模具，还需要考虑其长久保存问题，常见的方法是在模具外面刷一层防水固化胶，增加其强度，防止因吸水而减弱强度34。或者将模具浸入能起保护作用的聚合物中，比如环氧树脂、氰基丙烯酸酯、熔融石蜡等28，最后的模具可兼具防水、坚固、美观、不易变形等特点。4研究现状 3DP技术除了在快速设计方面有很大好处之外，还可用于工业生产(如自行车、小型机械制造等)和医学等方面，结合生物细胞学可应用于人工骨头打印、器官打印等。而在材料的品种方面，可根据所要制备的模具特点用石膏、陶瓷、淀粉、聚合物等多种打印成型材料，并且可

23、以根据材料所需特点开发更多材料，适用性非常强，前景非常广大。但在国内未受重视，国外产品价格较贵，需进一步探索条件降低成型材料所需成本以及三维打印机的成本，改进材料性能，加快模具硬化干燥速度，简化后处理过程，进一步体现“快”的特点，并且将此技术向生产更大规模的产品发展，充分发挥其作用。三维打印成型的应用现状（一）生物医学工程。生物医学工程是本世纪继信息产业之后最重要的科学研究领域,其中生命体的人工合成和人体器官的人工替代成为目前全球瞩目的前沿学科。生命体中的细胞载体框架是一种特殊的结构,从制造的角度来讲,它是由纳米级材料构成的极其精细的复杂非均质多孔结构。这种结构用传统制造技术是无法实现的,但是

24、利用3DP快速成形技术,在计算机的管理与控制下,运用离散/堆积成形原理,却能较容易地制造出这种复杂精细的非均质多孔结构。从无生物活性的假体和支架到可实现生命体全部或部分功能具有生物活性的人工器官是生物医学工程今后发展的重点。在生物活性材料的成形过程中,因其它RP技术要用激光烧结或加热,会影响材料的生物活性,因此3DP快速成形技术是目前进行具有生物活性的人工器官快速制造的唯一可行工艺。如在人工活性骨的快速成形中,可以首先利用3DP快速成形技术,将能参与生命体代谢可降解的组织工程材料制成内部多孔疏松的人工骨,并在疏松孔中填以活性因子,置入人体,即可代替人体骨骼,经过一段时间组织工程材料被人体降解、

25、吸收、钙化形成新骨,这方面的实验已在动物身上获得验证。（二）制药工程。传统的口服药物主要是通过粉末压片和湿法造粒制片两种方法来制造。这些药物经口服后,要么会迅速遭到分解,难以有效地进入血液;要么在血液中的浓度会在短时间内过高,且只有少量的药才能到达需治疗区域,致使药物浪费和毒副作用大。而当前药剂学研究热点之一的可控释放药物通过适当方法,控制药物释放的时间、位置或速度,改善药物在体内的释放、吸收、代谢和排泄过程,以达到维持药物在体内所希望的治疗浓度和减少药物不良反应的目的,因此其可以很好地弥补上述传统口服药的不足。为了实现可控释放药物的功能,需要根据药物在体内的消化、吸收和代谢规律,以及治疗所需

26、要的理想浓度,合理地设计药片的微观结构、组成成分和药物三维空间的分布等。传统的制药技术很难满足这种多种材料精确成形和局部微细结构精确成形的需要,致使可控释放药物长期得不到很好的发展及应用。3DP快速成形技术,因其具有的加工的高度灵活性、可打印材料的多样性和成形过程的精确可控性,可以很容易地实现多种材料的精确成形和局部微细结构的精确成形。首先提出用3DP快速成形技术制造可控释放药物的是MIT的WuBM和BorlandSW等。从材料选择、结构和剂型设计、制造工艺等方面,对用3DP快速成形技术制造可控释放药物的可行性和实用性进行了研究,并成功制造出具有单药和多药复合释药特征的口服可控释放药片。近年来

27、,华中科技大学的余灯广等人利用3DP快速成形技术也成功地制备出了药物梯度控释给药系统7。随着3DP快速成形技术的不断改进和提高,其必将在可控释放药的制备中得到广泛的应用,同时也会促进整个制药工业的发展。（三）微型机电制造。微型机电是指集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路,甚至外围接口通讯电路和电源等于一体的微型器件或系统。其主要特点是体积小、重量轻、耗能低、性能稳定和技术含量高。在信息化时代的今天,微型机电已经使我们在认知和控制世界的方式上出现一次质的飞跃。作为现代机电技术的一个重要发展方向,微型机电在汽车、航空航天、信息通讯、生物化学、医疗、自动控制、国防等领域有着广阔的应用前景。目前微型机电的加工方法主要有:光刻、光刻电铸、精密机械加工、精密放电加工、激光微加工等。这些制造方法要么只适合平面加工,难以加工出3维复杂结构;要么工艺步骤复杂、设备投资大。参考文献1Getteman,KenMo.Stereolithography;FastMaking.Mod,Mach,shap,1989,62(5):1001072继值.桌上制造工艺及其在航宇工业中的应用,航空制造工程,1991,12:20222.BojokeO.Howtomakestereolithographyintoapracticaltooltotoolproduction,AnnaisoftheCI