三维打印成型技术最新研究进展撰写要求资料(共15页)

1、快速成型技术(jsh)论文作业题目(tm):三维打印成型(chngxng)技术最新研究进展撰写要求姓 名：冶福山 学 号： 专 业：材料成型及控制工程 院 系：机械学院 2013年10月日摘要(zhiyo) 快速成型制造技术是制造业发展的一个重要方向，也是当前各大学、研究机构和企业竞相开发的前沿制造技术。在这领域美国(mi u)一直处于领先地位，而欧洲国家、日本、中国也取得了丰硕的成果。目前，快速成型技术成本相对较高，主要应用在一些大企业，因此，研究的热点问题重要集中在较低成本、开发新型能源、新型材料和新的成型工艺与方法上，以加快快速成型技术的推广。在这种形式下，三维打印快速成型机诞生了。三维

2、打印技术无需激光系统，造价和使用成本低，且可靠性高，设备体积小，形成速度快，是一种能够被普及的快速成型系统。本文(bnwn)对三维打印成型工艺的最新研究进展与成果、三维打印成型设备的最新产品与技术情况、三维打印成型技术用材料研究现状、三维打印成型的应用现状做了详细的讨论和介绍。关键词 快速成型三维打印一、引言当今时代，制造业市场需求不断向多样化、高质量、高性能、低成本、高科技的方向发展，一方面表现为消费者兴趣的短时效和消费者需求日益主体化、个性化和多元化；另一方面则是区域性、国际市场壁垒的淡化或打破，要求制造业的厂商必须着眼于全球市场的激烈竞争。因此快速地将多样化、性能好的产品推向市场成为了制

3、造业厂商把握市场先机的关键，由此导致了制造价值观从面向产品到面向顾客的重定位，制造战略重点从成本与质量到时间与响应的转移，也就是各国致力于并行工程、敏捷制造等现代制造模式的研究与实践的原因。快速成型（Rapid Prototyping）技术正是在这种时代的需求下应运而生的。它是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。它集成了CAD 技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。基于材料累加原理的快速成型操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。为了形象化这种操作，可以(ky)想象一整条面包的结构是一片面包落在另一片面包之上一层层累积而成的。

4、快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。三维打印成型工艺(gngy)的最新研究进展与成果三维打印成型工艺制备陶瓷(toc)基材料的新进展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。在1972年，Nickl等人采用化学气相沉积（CVD）法制备单晶时8，发现了特别软的碳化物Ti3SiC2。其硬度表现为各向异性，垂直于基面的硬度是平行于基面硬度的三倍。近年来，Ti3SiC2三元层状碳化物因其兼具陶瓷

5、和金属的优异性能而成为研究热点。与超合金相比，Ti3SiC2具有优异的高温性能和疲劳损伤性能。在Ti3SiC2晶胞中，共棱的Ti6C八面体被紧密堆积的Si原子层所分隔，其中Ti与C之间为典型的强共价键，而Si原子层平面与Ti之间为类似于石墨层间的弱结合9。Ti3SiC2熔点高达3000，在1700以下真空及惰性气氛中不分解。Ti3SiC2结构中存在的层间弱结合力价键使其具有平行于基面的开裂能力，在断裂时表现出R曲线行为，韧性可达16MPam1/210。体；Ti3SiC2粉体与水溶基粘结剂混合干燥后球磨过筛，Ti3SiC2粉体颗粒表面被粘结剂包覆，过筛后的颗粒直径为40m；在三维打印过程中，水基

6、溶液喷射在包覆粘结剂的Ti3SiC2颗粒粉体上，Ti3SiC2颗粒被粘结成具有特定形状的颗粒预制体；在冷等静压过程中，Ti3SiC2颗粒预制体被致密化；烧结过程中，致密化的Ti3SiC2颗粒预制体被烧结成致密的陶瓷。以上(yshng)复合工艺具有显著的优点，在制备新型陶瓷部件方面极具潜力。但是这种工艺的线收缩率较大，高达27%32%4。因此，如何(rh)克服三维打印工艺制备材料孔隙率大以及后处理工艺线收缩率大的不足成为研究的重点。三维打印技术在粉末材料快速(kui s)成形中的研究进展与成果、金属粉末3DP快速成形。金属材料是目前用量最大使用最广的材料，随着现代工业技术的快速发展，业界对金属结

7、构零部件的成形工艺也提出了更加严格的要求，要求成形工艺具有低成本、高度柔性化、自动化、快速化、数字化等特点，由于传统成形工艺的局限性，三维打印成形技术因能很好地适合以上工艺要求而得到迅速发展。目前，金属粉末三维打印成形的研究主要集中在成形工艺参数控制与优化、制件后处理强化工艺改进等方面，其目的是解决制件的精度和强度偏低问题。最新的研究结果表明，制件的精度除了受粉末粒径、数据处理误差、装置定位误差和控制误差等因素的影响外，粘结剂的饱和度也是影响精度的主要因素。图1所示为TiNiHf形状记忆合金粉末在粘结剂饱和度不同（分别为55%、110%、170%）的条件下制备的宽度为300m的线条试样12。由

8、图可知，图1（b）的外形最完整，且尺寸误差也最小。从图1中还可发现，3个试样的边缘都有不同程度的“结瘤”和“粘渣”现象，这是由于粘结剂从轮廓边界溢出而粘结非截面轮廓区域的粉末形成的。这种现象的产生对制件表面粗糙度和尺寸偏差都有很大的影响，所以，消除“结瘤”和“粘渣”现象的发生可有效提高制件精度，而控制粘结剂的饱和度并不是减少或消除这种现象的有效方法。有报道提出，采用精细激光束和慢速扫描对轮廓边缘进行烧结可大幅度提高SLS工艺的精度，有研究人员在3DP工艺中采用类似的方法来达到提高精度的目的，即在喷头扫描轮廓边缘时，减小喷嘴直径并降低扫描速度，但这种方法对精度的提升效果并不明显，这主要是由于3D

9、P工艺中喷射的粘结剂微滴在粉末中有一个固化过程，喷射在轮廓边缘的粘结剂微滴在没有固化前会向周围产生不规则扩散，这个扩散过程会增大粘结剂微滴的粘结范围，从而使实际粘结范围与理论粘结范围产生偏差，影响制件精度。因此，要解决3DP工艺成形制件的精度问题还需深入研究粘结剂微滴大小、喷射方向、喷射速度和粘结剂固化速度等因素对粘结范围的影响规律。、陶瓷(toc)粉末3DP快速成形。新型陶瓷结构材料由于具有高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温等优异性能而被广泛使用，但是其本身硬而脆的特性使其普通加工成形异常困难。3DP工艺的出现为陶瓷和陶瓷基材料的直接快速成形成为可能，相关的研究报道也较多。如Moon对陶瓷粉末材

10、料三维打印粘接成形的过程进行了研究，他发现除了粘结剂溶液的粘度和表面张力外，成形粉末的表面粗糙度和孔隙尺寸对粘结渗透动力学也有显著的影响18。Grau等采用三维打印技术制备了用于浆料浇注的Al2O3陶瓷模具，该模具与传统的石膏(shgo)模具相比，具有强度高、干燥时间短等优点19。Scosta等采用3DP工艺对覆膜Ti3SiC2陶瓷粉末进行预成形，通过冷等静压工艺提高其致密度，经烧结后制件的致密度从50%60%提高到99%6。目前陶瓷粉末3DP直接成形工艺研究的重点主要集中在陶瓷坯件的致密化处理、制件性能测试和分析等方面，尤其是陶瓷坯件经烧结后进行浸渗处理间接制备陶瓷基复合材料已成为该领域的研

11、究热点。Melcher等采用3DP工艺间接获得Al2O3/Cu合金复合材料坩埚制品9。首先通过三维打印技术获得Al2O3陶瓷预成形坩埚坯件，然后将坩埚坯件进行烧结处理，再将烧结后的坩埚下渗铜合金，获得所需的坩埚制品。最后将坩埚底部的板料用于力学性能测试，并对断裂韧性进行了分析，结果表明裂纹桥接和裂纹偏转是主要的增韧机理。WeiZhang等也采用类似的工艺路线制备了Al2O3/玻璃复合材料(f h ci lio)20，对复合材料的组织和轴。向（x轴、y轴、z轴方向）性能进行了观察和测试，研究了分层厚度与复合材料组织和性能之间的关系，最小的分层厚度可获得最致密的材料和较好的力学性能，材料的y轴方向

12、的力学性能优于另外2个方向。采用3DP工艺间接成形陶瓷基复合材料制件的报道都是基于简单形状制品的成形和浸渗，而成功获得具有复杂结构和内腔表面的复合材料制件的研究却未见有报道。这主要是由于浸渗材料难以从成形件的表面剥离，且成形件的薄壁结构在剥离过程中容易变形甚至损毁。另外，由于陶瓷材料的熔点很高，3DP工艺成形的陶瓷制件若经高温烧结达到完全致密化所需的时间较长，对烧结炉的性能要求会很高，而且延长了制造周期，不利于实际应用的理论指导。因此，开发简单经济的后处理致密化工艺是当前研究陶瓷粉末3DP快速成形工艺的重要课题。三、三维打印成型设备的最新产品与技术(jsh)情况（一）典型(dinxng)行业-

13、电子消费品（二）典型(dinxng)行业-制鞋（三）典型行业-汽车制造（四）典型(dinxng)行业-医疗三维打印成型技术用材料(cilio)研究现状（一）国外研究(ynji)现状基于液滴喷射技术的三维打印快速(kui s)成型出现仅十余年，受到国内外研究者的广泛关注。1992年，美雪麻省理工学院Sachs等率先采用喷墨技术实现粘接溶液的选择性喷射，逐层粘接粉末，最终获得三维实体；以胶体二氧化碳溶液作为粘接剂，对铝粉进行粘接，每层粉末的厚度为0。127mm，最小成型尺寸为0。432mm，成型完成后进行烧结以提高制件的强度。美国Z Corporation公司在得到美困麻省理工学院的三维打印快速成

14、型的授权(shuqun)后，自1997年以来陆续推出了一系列三维打印快速成型机，主要以淀粉掺蜡或环氧树脂为粉末原料，将粘接溶液喷射到粉末层上，逐层粘接成型所需原型制件。Crau等(1998年)采用三维打印快速成型法制备了用于粉浆浇注的A1203陶瓷模具，与传统的石膏模具相比，其强度高，干燥时闻短，浇淀速度可控。美国Specific Surface公司则采用三维打印快速成型技术制造复杂的陶瓷过滤器。3(00等(1998年)采用三维印快速成型法将松散的A1203陶瓷粉末粘接预成型，通过热等静压工艺提高胚料的致密度，再进行烧结得到陶瓷制l牛性能与传统加工方法相当。Scosta等(2002年)对覆膜T

15、i3Sic2陶瓷粉末进行三维打印快速成型预成型，接着采用冷等静压工艺提高其致密度，经烧结后制件的致密度从50-60提高到99。英囡Brunel大学的Evans等(1990年)将纳米陶瓷粉末配置必分散均匀的悬浮液，逐层喷射成型，得到三维陶瓷零件，所研究的陶瓷材料包括ZrO，TiOL，A1203等。Teng等(1998年)对陶瓷悬浮液的沉积和粘度进行了全面的优化研究，采用连续液滴喷射装臀获得了清晰的陶瓷图案。Mott等(1998年)用石墨为临时支持物，采用按需落下喷射装置成型了1200层带有方洞和悬臂的陶瓷坯体。Moon等(2002年)对陶瓷粘接成型的过程进行的实验(shyn)和理论研究，发现粘接

16、剂的分子量需小于15000才能满足喷射和粘接的要求；除了粘接溶液的粘度和表面张力，粉末的性能如表面粗糙度、孔隙尺寸等对粘接渗透动力学都有显著的影嚼。Griffith等(1997年)将氯仿液滴喷射到PLLA和PLGA粉末上，逐层粘接将得到肝脏组织工程的支架实体，其孔隙直径(zhjng)可达800pro，PLGA粉末中含有氯化钠，用去离子水进行过滤后可在支架中产生细胞生长所需要的微孔结构。Lam等(2002年)用水作为粘接溶液成型淀粉基聚合物支架(zhji)，再浸入PLLA和PCL的二氯甲烷溶液以增加支架的机械强度。Lee等(2005年)先用三维打印快速成型颧骨支架的石膏模具，荐采用溶剂浇铸一颗粒

17、滤沥的方法得到最终支架，其孔隙均匀，连通性好，平均孔径约为1001509m，克服了直接成型支架的局限性。Sachs等(1992年)等还研究了直接金属液滴喷射成型工艺，其原理是将金属熔化盾，采用某种方式(如超声波)振动熔腔，在喷嘴处得到金属液滴，然后在电场的作用下定点定时喷射出来，堆积成型，其红宝石喷嘴直径为509m，试件层厚1009m，可制造复的注塑模等。美国加州大学Orme M等(2000年)通过实验分析了影响液滴运动和定位的豳素，并对液滴成型样件的微观结构和性能进行了入研究，所开发的设备样机可应用于电子封装、电路扳印霉l等半导体工业。美国MicroFab公司(1995年)也对金属液滴喷射成

18、型展开了研究，其生产的JetLab成型系统通过改变压电系统的振动频率来控制喷头中气泡的状态，从而决定是否喷出焊滴，均匀焊滴随着喷头在平面上的运动被准确地喷射到基板上，成型微细结构件或应用于印刷电路板，目前该设备只能采用聚合物和低熔点焊丝材料，且价格昂贵。美国Sanders公司(2000年)则通过压电晶体挤压熔腔从丽喷射热熔性材料液滴，并通过电场使部分带电金属液滴偏转聚焦，使液滴精确地喷射到基板上，逐层堆积成型金属原型制件，喷嘴直径为0。lmm，喷射液滴直径为0。3-0。4mm，成型精度为圭O。025mm，使用材料为聚合物或低熔点金属。美国3D Systems公司的选择性液滴喷射采用呈线性排列的

19、多个热喷头，有选择性地一层层喷射熔化的热塑性塑料，其喷射液滴的直径为O。076mm，分辨率可达300dpi，价格便宜，使用方便。以色列Objet Geometries公司开发的Objet Quadra=维打印快速成型设备(shbi)，逐层喷射光敏聚合物液滴，并采用紫外线进行固化。其喷嘴共有1536个，层厚可以达No。02 mln，熊够建立光滑的表面，并实现细小特征的成型，对具有复杂几何形状和复杂内部型腔的制件，还能够喷射第二种材料，以便建立支撑。（二）国内研究(ynji)现状基于喷射技术的三维打印快速成型同样受到国内学者的关注，并在一些领域形成了自己的特点。华中理工大学马如震、刘进等强6(19

20、98年)阐述了基于微小熔滴快速成型技术的加工工艺和成型方法，并对振幅、温度、飞行距离、压电晶体的振动频率、扫描速度和喷射频率等参数进行分折。天津大学陈松(1999年)等将液滴喷射技术应用到化工造粒过程，生产粒径在l一3nun的粒状产品，并对喷射过程中射流断裂现象进行观察，对射流断裂形成均匀液漓的流速、频率范围及喷头形状、材料特性、振动方向等因素影响进行探讨。西安交通大学卢秉恒等(2001年)研制出一种基于压电喷射机理三维打印快速成型机喷头，通过实验分析喷头形状，驱动电压，工作频率等参数对喷头流量的影响。清华大学颜永年等(2002年)提出一种低温冰型快速成型技术，以水作为成型材料，冰点较低的盐水

21、作为支撑材料，通过选择性喷射和快速冰冻(bngdng)制造成型零件。颜永年等(2002年)还以纳米晶轻基磷灰石胶原复合材料和复合骨生长因子作为成型原料，采蔫液滴喷射成型的方式制造出非均质、多孔结构的细胞载体支架结构，植入人体藤，在体液和复合骨生长因子的共同作用下，依靠细胞载体支架结构诱导新骨生成，原有支架在新骨长成之后逐步降解。中圈科技大学(2004年)自行研制了八喷头组合液滴喷射装置，有望在微制造、光电器件以及材料科学中得到应用。五、三维打印成型的应用(yngyng)现状由于快速(kui s)成型的技术在各方面的应用比较广泛，本小节主要介绍三维打印快速成型技术在各个领域的应用。(一)原型(y

22、unxng)制作三维打印快速成型可以用于产品模型的制作，以提高设计速度，提高设计交流的能力，成为强有力的与用户交流的工具，进行产品结构设计及评估，样品功能测评。除了一般工业模型，三维打印快速成型可以成型彩色模型，特别适合生物模型，产品模型以及建筑模型等【221。此外，彩色原型制件可通过不同的颜色来表现三维空间内的温度、应力分布情况，这对于有限元分析是非常好的辅助作用。(二)快速模具三维打印快速成型可用于制作母模、直接制模和间接制模，对正在迅速发展和具有广阔应用前景的快速模具领域起到积极的推动作用。将三维打印快速成型制件经后处理作为母模，浇注出硅橡胶模，然后在真空浇铸机中浇注聚亚胺酯复合物，可复

23、制出一定批量的实际零件。直接制作模具型腔是真正意义上的快速制造，可以采用混合用金属的树脂材料制成，也可以直接采用金属材料成型。三维打印快速成型直接制模能够制作带有工形冷却道的任意复杂形状模具，甚至在背衬中构建任何形状的中空散热结构以提高模具的性能和寿命。美国Z Corporation公司开发一种由铸造砂，石膏和一些添加剂组成的ZCast粉术材料，直接用三维打印快速成型模具型腔，可用于直接浇注低熔点金属，如铝，锌、镁等，成型时间从几个星期降至几小时到几天，大大降低制造的时间和成本。(三)快速(kui s)制造快速成型技术的发展目标是快速经济地制造金属、陶瓷或其他功能材料零件。美国Extrude

24、Hone公司采用金属和树脂粘接剂粉末(fnm)材料，逐层喷射光敏树脂粘接剂，并通过紫外光照射进行固化，成型制件经二次烧结和渗铜，最后形成60钢和40铜的金属制件。其金属粉末材料的范围包括低碳钢、不锈钢、碳化钨、以及上述材料的混合物等。美国ProMetal公司通过喷射液滴逐层粘接覆膜金属合金粉末，成型后再进行烧结，直接生产金属零件。美国Automated Dynamics公司则生产喷射铝液滴的快速成型设备，每小时可以喷射lkg的铝滴。(四)医学(yxu)模型三维打印快速成型可以应用在假肢与植物的制作，利用模型预制个性假肢，提高精确性，缩短手术时间，减少病人的痛苦。此外，三维打印快速成型制作医学模

25、型可以辅助手术策划，有助于改善外科手术方案，并有效的进行医学诊断，大幅度减少手术前、手术中和手术后的时间和费用，其中包括上颌修复、膝盖、骨盘的骨折，脊骨的损伤，头盖骨整形等手术，给人类到来巨大的利益【23241。美国加利福尼亚大学的Mattel儿童医院于2002年8月对危地马拉年仅l岁的头部联体女婴成功地进行分离手术，利用Objet公司QuadraTempo快速成型设备逐层喷射丙烯酸光敏树脂建立地颅骨模型进行手术策划，起到了很好的效果。(五)制药工程(gngchng)缓释药物可以使药物维持再希望的治疗浓度，减少副作用，优化治疗，提法病人的舒适度，是目前研究的热点。缓释药物具有复杂内部孔穴和薄壁

26、部分，麻省理工学院采用多喷嘴三维打印快速成型，用PMMA材料制备了支架结构，将几种用量相当精确的药物打印入生物相融的，可水解的聚合物基层中，实现可控释放药物的制作。美国Therics公司使用三维打印快速成型生产这种可控释放药物，其药剂偏差量小于1，而当前制药方法的药剂含量偏差约为15t251。三维打印快速成型避免了采用激光成型所会产生的的大量热量(rling)，对保证有机物的活性具有重要的意义；此外粉末粘接成型能够形成精度不高等缺点，但是药物的制造中，这些都不是问题，因此三维打印快速成型在可控释放药物的制作上有着独特的优势。目前三维打印快速成型能够快速地、无浪费(lngfi)地制造具有复杂药物

27、释放曲线，精确药量控制的药物。（六）组织工程目前组织工程的研究热点是获得由细胞及生物物质和基质材料所组成的组织器官。在组织器官的制造过程中，生物因子根据设计要求的可控缓释对于组织器官的生长起着重要的调控作用，用三维打印快速成型器官组织的支架结构可以对其孔隙率以及孔径的分布进行控制，得到所需的孔隙梯度结构，从而控制组织器官的降解速率，实现组织缺损的修复。此外，细胞直接装也是研究的热点，液滴喷射能够实现包括细胞在内的各种生命单元和物质的复杂空间排布。美国Clemson大学基于热敏材料固化工艺，对热可逆凝胶和仓鼠卵巢细胞的悬浮培养液采用液滴喷射成型。清华大学采用基于液滴喷射的成型技术，提出分层原位不

28、完全交联固化工艺，把细胞基质材料复合单元作为成型对象的细胞基质材料液滴受控组装技术，初步实现了类组织前体的成型制造。(七)微纳制造液滴喷射技术能够在微观尺寸上精度控制反应物，能够逐层制造任意形状的微细部件。例如：Ago等在n型硅片上喷射Co纳米颗粒悬浮液，然后以析出的纳米Co作为化学气相沉积生长碳纳米管的位置选择催化剂，制成了场发射用的多层碳纳米管陈列。近年来，随着高分子功能材料的发展，以聚合物材料制作半导体器件已成为热门研究课题。同制作聚合物光电器件的其他方法相比，液滴喷射具有在柔性基底上大面积直接喷射部件的潜力，喷射过程中原料的浪费小于2，优势明显。Jambson等采用液滴喷射技术将CdS

29、e纳米晶嘧啶悬浮液喷射在原、漏电极之间，再经加热、封装后得到场效应晶体管。Yang等则将聚乙烯二氧噻吩水溶液喷射在ITO透明电极上，再旋涂一层电致发光聚合物，聚对苯乙烯和阴极(ynj)材料，制成了聚合物电致发光徽标。Sirringhaus等在聚酰亚胺玻璃上，利用玻璃和聚酰亚胺不同的亲水、疏水特性，控制喷射聚一聚苯乙烯磺酸液滴，并使之自组装成源、漏和栅极，制成了全聚合物场效应三极管。参考文献【1】卢清萍快速原型制造(zhzo)技术高等教育出版社，2001：111【2】虞钢，虞和济集成化激光(jgung)智能加工工程冶金工业出版社，2001：l15【3】腾功勇，王从军，陈学彬，黄树槐影响SLS技术

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