3D打印机的技术原理

1、工程训练I大作业-3D打印机的技术原理学院名称 专业班级 学 号学生姓名 成 绩 2018年03月18日3D打印机的技术原理?3D打印(3D?printing )，是制造业领域正在迅速发展的一项 新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。运用该技术进 行生产的主要流程是：应用计算机软件，设计出立体的加工样式，然 后通过特定的成型设备(俗称“ 3D打印机”)，用液态、粉末、丝 状的固体材料逐层“打印”出产品。？?？3D打印是“增材制造” (Additive?Manufacturing )的主要实 现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数 控制造一般是在原材料基础上，使用

2、切割、磨削、腐蚀、熔融等办法, 去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。 而“增材制造”与之截然不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算 机图形数据，通过叠加材料的方法生成任何形状的物体，简化产品的(简称am来表示制造程序，缩短产品的研制周期，提咼效率并降低成本。？国际上喜欢用“ Additive?Manufacturing3D打印技术，国内专业术语是增量制造、增材制造或添加制造。2009 年 美 国 ASTM 成 立 了 F42 委 员 会 ， 将 AM 定 义 为 ： “ Process?of?joining?materials?to?make?objects?from

3、?3d?mode l?data,usually?layer?upon?layer,?as?opposed?to?subtractive? manufacturing?methodologies. ”?即：一种与传统的材料去处加工 方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式， 直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模 型的制造方法。 ?目前主流的3D打印技术有：？1、SLS激光粉末烧结成型(Se1ected?Laser?Sintering ) ； ?2、 3DP三维打印(3Dimension?Printer )； ?3、SLA激光光固化(Stereo?lit

4、hography )； ?4、FDM容融沉积造型(Fused?Deposition?Modeling )?3D打印机的用途，能够实现哪些功能?3D打印能够发挥的作用，按照产品设计研发的流程来说：？?3D打印不仅仅可以快速制作设计原型，从最初的概念设计到最 终产品制造， 3D 打印在产品设计制造的各个环节都具备变革性优 势。 ?许多企业在产品设计早期，就会使用3D打印设备快速制作足够多的模型用于评估，不仅节省了时间，而且减少了设计缺陷。随着产 品设计研发的进展，他们会采用3D打印反复制作手板模型用于设计沟通、设计验证、装配测试和宣传展示，以实现产品功能改善、生产成本降低、品质更好、市场接受度提升

5、的目标。在产品小批量试制阶 段，3D打印为快速打样提供了最佳方案，3D打印出来的样品可以用 于宣传展示、市场调查、试销售等。而在产品量产环节，也已经有越 来越多的企业在采用3D打印方式来加快交付周期、降低个性化定制 价格、改善产品交付质量，以及提高生产效率。 ?3D打印能够发挥的作用，按照不同应用行业来说：？近年来， 3D 打印技术发展迅速，通过与数控加工、铸造、金属 冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，该技术已成为现代模型、模具和零 件制造的有效手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学、文 化创意等领域得到了一定应用， 在工程和教学研究等应用领域也占有 独特地位。具体应用领域包括：1、工业制造

6、：产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证； 制作模具原型或直接打印模具，直接打印产品。 3D 打印的小型无人 飞机、小型汽车等概念产品已问世。 3D 打印的家用器具模型，也被 用于企业的宣传、营销活动中； ？2、文化创意和数码娱乐：形状和结构复杂、材料特殊的艺术表 达载体。科幻类电影阿凡达运用3D打印塑造了部分角色和道具， 3D打印的小提琴接近了手工艺的水平；？3、航空航天、国防军工：复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零 部件、机构的直接制造； ？4、 生物医疗：人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等；？5、消费品：珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意 DIY 作品的设计和制造；?6、建筑工程：建筑模型风动实

7、验和效果展示，建筑工程和施工(AEC模拟；？7、教育：模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北 美的一些中学、普通高校和军事院校， 3D 打印机已经被用于教学和 科研； ？8、个性化定制：基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印 定制服务。 ？什么样的三维数据才能够用于 3D打印?3D打印的标准数据格式STL?STL( Stereo?Lithography?Interface?Specification )格式是 目前 3D 打印/增材 制造 设备 使用的 通用 接口 格式， 是由 美国 3Dsystems公司于1988年制定的一个接口协议，是一种为 3D打印/ 增材制造技术服务的三维图

8、形文件格式，目前已成为3D打印/增材制 造的事实上的标准格式。 ?STL格式是存储三维模型信息的一种简单方法，它将复杂的数 字模型以一系列的三维三角形面片来近似表达。STL模型是一种空间 封闭的、有界的、正则的唯一表达物体的模型，具有点、线、面的几 何信息，能够输入给增材制造设备，用于快速制作实物样品。随着增 材制造技术的发展和应用，STL文件格式也得到了各CAD/CAMfc件公 司的广泛支持。在医学、自然科学和工程领域里，STL技术也得到了广泛的应用。 ?利用三维扫描仪等三维数字化工具对物理原型进行多方位三维 扫描，经过点云数据的预处理与优化， 得到物体完整的三维数据模型， 对该数据模型进行

9、表面三角形小平面化处理， 类似于有限元的网格划 分，即用许多空间三角形面片来逼近 CAD模型，当三角形面片小到一 定程度，其近似性可达到工程允许的精度范围内，其数据文件称为STL文件，可以直接输入3D打印/增材制造设备，用于3D打印/增材 制造。 ?STL文件格式化对3D打印/增材制造精度影响？3D 打印时，由于要将复杂的三维加工转化为一系列简单的二维加工的叠加，因此，成型精度主要取决于二维（X，Y）平面上的加工 精度，以及高度（Z）方向上的叠加精度。从3D打印机本身而言，可 以将X、Y、Z三方向的运动位置精度控制在微米级水平，因而能得到 精度相当高的工件。因此，特别在加工复杂的自由曲面及内型

10、腔时， 3D打印/增材制造比传统的加工方法表现出更明显的优势。然而影响 工件最终精度的因素不仅有 3D打印机本身的精度，还有一些其它因 素，其中比较重要的是CAD莫型的前期处理造成的误差。对于绝大多 数增材制造设备而言，开始成型前，必须对工件的三维CAD莫型进行 STL格式化和切片等前期处理，以便得到一系列的截面轮廓。STL格式己成为3D打印行业事实上的通用标准。在计算机数据处理能力足 够的前提下，进行STL格式化时，应选择更小、更多的三角面片，使 之更逼近原始三维模型的表面，这样可以降低由STL格式化所带来的 误差影响。 ？中国 3D 打印前景展望 ?3D 打印机对传统制造业会带来哪些冲击

11、?3D 打印产业上游包括材料技术、控制技术、光机电技术、软件 技术，中游是立足于信息技术的数字化平台，下游涉及国防科工、航 空航天、汽车摩配、家电电子、医疗卫生、文化创意等行业，其发展 将会深刻影响先进制造业、 工业设计业、生产性服务业、 文化创意业、 电子商务业及制造业信息化工程。 ?3D打印机给传统制造业带来的冲击，大致有以下几点：？1、3D打印技术的发展满足了消费者的需求，将导致工业制造模式的 变化？相比生产大规模标准化产品的模具制造，3D打印可以在一定约束下随意生产制作个性化产品，可称之为“大规模定制制造模式”， 是以互联网为支撑的智能化大规模定制的方式，或者是“分散生产， 就地销售”

12、方式，标志着个性化消费时代的到来。从前，消费者都是在店里挑选、购买已经生产好的商品，现在则 可以根据各自的需求，在“ 3D 打印店”定制，边生产边体验，及时 获得自己喜欢的产品。 ？2. ？3D 打印技术具备传统模具制造没有的独特优势 ？3D 打印技术是不受产品结构和形状的限制的，任何复杂的造型 和结构，只要有CAD数据，都可以轻松完成，这样就给个性化、定制 化提供了可能性；而且使用 3D打印技术，是不需要开模具的，实现 了无模化制造，可使新产品研制的成本下降为传统方式的 1/3-1/5？ ，周期缩短为 1/5-1/10? 。再加上 3D 打印设备大部分可以实现无人值 守、 24 小时不间断加

13、工，也就为厂商节约了人工成本，提高了生产 效率。 ?3D 打印的后期辅助加工量大大减小，避免了委外加工的数据泄 密和时间跨度， 尤其适合一些高保密性的行业， 如军工、核电领域。?3D 打印技术“打印”的产品是自然无缝连接的，一体成型，结 构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法。 ?3. ?3D 打印技术符合低碳环保的发展理念 ?“第三次工业革命” 概念的真正兴起和全球化传播， 与全球可持 续发展面临的压力息息相关。具体来说： ?一是至 20世纪 80 年代，石油和其他化石能源的日渐枯竭， 及随 之而来的全球气候变化给人类的持续生存带来了危机。 二是化石燃料 驱动的原有工业经济模式， 不再能

14、支撑全球的可持续发展， 需要寻求 一种使人类进入“后碳”时代的新模式。 3D 打印技术适逢其会，以 绿色、节能、低碳、环保的全新姿态迅速得到了全球政府和机构的认 可和信赖。 ?3D 打印采用的是加法式制造技术，区别与传统的减法式、铣削 式制造方式， 基本上是生产多少重量的东西， 所耗费的也就是同等重 量的材料， 因此所耗费的材料明显减少； 个性化定制以后也不产生产 品库存， 可以在减少碳排放和原材料消耗的前提下， 保持更高的生产 效率。3D打印的原材料使用仅为传统生产方式的1/10，这在如今资源珍贵的时代无疑具备巨大优势。4. 3D 打印能有效促进工业设计产业的发展，而全球制造业未来 的竞争在

15、于高附加值的设计环节原先的制造业是生产、 加工环节制约着研发设计环节， 新产品的 研制从一开始就需要考虑到最终能否被生产出来；而 3D 打印技术对 于产品设计没有限制，只要能设计得出来，完成 CAD建模，任何结构 和形状都可以被生产出来， 如此一来， 工业设计方面的创意和能量将 被无限释放， 谁具备突出的工业设计能力， 谁就将成为未来全球制造 业的领头羊， 创造高额利润。 中国制造业， 如果还是停留在国外设计、 国内制造或者来料加工的阶段， 那么未来只能在低附加值的加工制造 环节上苦苦挣扎， 因此，中国政府和制造业的有识之士都已经开始积 极呼吁和大力传播 3D 打印技术，国内的工业设计教育和产

16、业也得到 了越来越多的关注和重视。国内 3D 打印技术市场现状3D 打印技术在国外已经开始被广泛应用在各领域，帮助人们提 高开发效率，降低生产成本， 3D 打印机已经开始普及开来。而在国内，由于起步较晚，目前还被能够得到广泛普及，主要原 因体现在：1、市场培育还有一长段路要走。目前，我国多数制造企业尚未 接受“数字化设计”、“批量个性化生产”等先进制造理念，对 3D 打印这一新兴技术的战略意义认识不足， 不了解到这种新兴技术能够 做什么，可以创造多大的价值。2、企业级、专业级的3D打印设备及其材料还比较昂贵，客户接 受程度低。虽然目前市面上已经有一些价格低至几千元的 3D打印机， 但是这种入门

17、级的3D打印机更多适合个人、发烧友购买使用，很难 用于工业制造、 建设工程等领域， 更别说航空航天和医疗等专业应用 了。而专业级的3D打印设备动辄几十万乃至上百万，让许多关注 3D 打印技术的企业望而却步。3、材料种类还不是足够丰富，也限制了 3D打印技术的推广。尽 管就塑料材料来说，就已经有上百种之多，从弹性的到刚性的，从遇 热融化的到耐高温的， 从透明的到不透明的， 从生物相容性的到可铸 造的，种类繁多，但是目前依然比不上传统制造所拥有的材料种类。4. 三维数字化技术尚未普及，也限制了 3D打印机的市场空间。 因为 3D 打印的前提是计算机里面有一个三维数据可供打印，而三维 数据的获取和创

18、建对于普通大众来说还是一个技术活。 国内专业数字 化领域实力最强的是杭州先临三维科技股份有限公司， 他们自主研发 了多种面向不同应用领域的三维扫描仪， 可以帮助快速获取物体的三 维数据，输出的STL数字模型就可以用于3D打印，比起CAD建模来 门槛更低、速度更快。目前，现在市面上已经有十几种不同的 3D打印机成型技术，包 括 SLS DMLS FDM SLA DLP FFF MEM LOM EBM SHS 3DP等, 不同技术类型的3D打印机打印出成品所需要的材料是不同的，其中 比较成熟的有 SLS FDM SLA LOM和3DP等。3.1?SLA (Stereo?lithography?Ap

19、pearanee ) ?SLA?即立体光固化成型法，用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料（液态光敏树脂原料）表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高 度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。图2?SLA技术成型原理图3.2?FDM （Fused?Deposition?Modeling ）?FDM即熔积成型法，该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、 低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温 度（约比熔点高1C），在计算机的控制下，喷头作平面运动，将熔 融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后， 喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。图3?FDM技术成型原理图3.3?SLS?（ Selective?Laser?Sintering）?SLS即选择性激光烧结，其整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成, 工作时粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞 （工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光 束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层 面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。 控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零 件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型