《3D打印技术》全套教学课件

3D打印技术全套可编辑PPT课件模块13D打印技术概述.pptx模块23D打印机概述.pptx模块33D打印成型技术.pptx模块43维数据的获取及处理.pptx模块53D打印机控制软件及打印操作.pptx模块63D打印基本建模方法.pptx模块一3D打印技术概述全套可编辑PPT课件学习单元一3D打印的历史学习单元一一、国外3D打印的历史1984年，CharlesHull发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术。1986年，Hull发明了立体光刻工艺，利用紫外线照射将树脂凝固成型，以此来制造物体，并获得了专利。随后他成立一家名为3DSystems的公司，专注发展3D打印技术。1988年，3DSystems开始生产第一台3D打印机SLA-250，体型非常庞大。学习单元一一、国外3D打印的历史1988年，ScottCrump发明了熔融沉积成型技术，随后成立了一家名为Stratasys的公司。1989年，C.R.Dechard博士发明了选择性激光烧结技术，利用高强度激光将尼龙、蜡、ABS树脂、金属和陶瓷等材料的粉末烧结，直至成型。1993年，麻省理工学院教授EmanualSachs创造了三维打印（3DP）技术，将金属、陶瓷的粉末通过黏结剂粘在一起成型。1995年，麻省理工学院的毕业生JimBredt和TimAnderson修改了喷墨打印机方案。学习单元一一、国外3D打印的历史1996年，3DSystems、Stratasys、ZCorporation分别推出了三款3D打印机产品，第一次使用了“3D打印机”的称谓。2005年，ZCorporation推出世界上第一台高精度彩色3D打印机SpeCTRum2510。2011年8月，世界上第一架3D打印飞机由英国南安普顿大学的工程师创建完成。2012年8月，美国政府宣布首个3D打印研究所将建在俄亥俄州。2013年2月，美国康奈尔大学研究人员发表报告称，他们利用牛耳细胞通过3D打印机打印出人造耳朵，可以用于先天畸形儿童的器官移植。学习单元一二、中国3D打印的历史1991年，华中科技大学在时任校长、已故著名机械制造专家黄树槐的主持下，成立快速制造中心，研发基于纸材料的快速成型设备。1994年，华中科技大学快速制造中心研制出国内第一台基于薄材纸的LOM样机，1995年参加北京机床博览会时引起轰动。1992年，西安交通大学卢秉恒教授发现了快速成型技术在汽车制造业中的应用，回国后随即转而研究这一领域，1994年成立先进制造技术研究所。1997年，卢秉恒团队卖出了国内第一台光固化快速成型机。学习单元一二、中国3D打印的历史2015—2017年，中国3D打印产业规模实现了翻倍增长，年均增速超过25%。2017年，中国3D打印领域相关企业超过500家，产业规模已达100亿元，增速略微放缓至25%左右，但仍高于全球4个百分点。2018年上半年，中国3D打印产业维持25%以上增速，2018年整体规模达18.3亿美元。2020年5月，完成首次飞行的长征五号B运载火箭上搭载了一台3D打印机，这是我国首次“太空3D打印”实验，也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。学习单元二3D打印技术的发展学习单元二一、3D打印：第三次工业革命2012年4月21日，英国《经济学人》刊文《第三次工业革命》，认为3D打印技术将与其他数字化生产模式一起，推动第三次工业革命的实现。2012年8月16日，美国国家增材制造创新中心作为其首个“样板示范”创新中心成立。作为新技术研究、开发、示范、转移和推广的基础平台，它号称要成为增材制造技术全球卓越中心，并提升美国制造业的全球竞争力。学习单元二二、3D打印的发展现状1.3D打印规模化发展近年来，我国3D打印市场呈现出稳中向好的态势。目前中国3D打印相关企业中，约有46.9%是2016年以后进入3D打印市场的。2017年，中国3D打印相关专利申请量达到7402件，其中华南理工大学、西安交通大学排名前两名。2019年1月11日，中国第一座使用3D打印技术制作的高分子材料观景桥正式亮相。学习单元二二、3D打印的发展现状2.3D打印个人消费3D打印个人消费将成为亮点。3D打印技术会像计算机和网络一样进入普通家庭，价格越来越便宜，性能越来越好，将融入甚至改变人们的生活。在硬件方面，自动化控制系统与国外相比还有较大差距，运行稳定性有待提高。另外，我国3D打印在软件方面与国外也有很大差距。用材料到市场渠道，我国3D打印产业链与国外的差距还很大。学习单元三3D打印常用材料学习单元三一、工程塑料工程塑料指被用作工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。工程塑料是当前应用最广泛的一类3D打印材料，常见的有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（acrylonitrilebutadienestyrene，ABS）类材料、聚碳酸酯类材料、尼龙类材料等。ABS材料是熔融沉积成型快速成型工艺常用的热塑性工程塑料，具有强度高、韧性好、耐冲击等优点，正常变形温度超过90℃，可进行机械加工（钻孔、攻螺纹）、喷漆及电镀。学习单元三二、光敏树脂光敏树脂即UV（ultravioletray）树脂，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外光）引发剂（或称为光敏剂）。在一定波长的紫外光（250～300nm）照射下能立刻引起聚合反应，完成固化。光敏树脂一般为液态，可用于制作高强度、耐高温材料。常见的光敏树脂有SomosNEXT材料、Somos11122材料、Somos19120材料和环氧树脂。学习单元三三、金属材料近年来，3D打印技术逐渐应用于实际产品的制造，其中金属材料的3D打印技术发展尤其迅速。在国防领域，欧美发达国家非常重视3D打印技术的发展，投入巨资加以研究，而3D打印金属零部件一直是研究和应用的重点。3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和镍合金材料等，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。学习单元三四、陶瓷材料陶瓷材料具有强度高、硬度高、耐高温、密度低、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。但由于陶瓷材料硬而脆的特点，其加工成型尤其困难，特别是复杂陶瓷件需通过模具来成型。模具加工成本高，开发周期长，难以满足产品不断更新的需求。目前，陶瓷直接快速成型工艺尚未成熟，国内外正处于研究阶段，没有实现商品化。学习单元四3D打印技术的应用学习单元四一、航空航天航空航天是3D打印技术应用最广泛的领域之一，国内外均已有成功的应用案例。2011年8月1日，英国南安普敦大学的工程师设计并试飞了世界上第一架“打印”出来的名为SULSA的无人机（图1-2），这标志着无人机制造进入3D打印时代。学习单元四一、航空航天在航天领域，3D打印技术的应用案例也越来越多。美国航空航天局采用3D打印技术制造了电子器件的冷却板、封装板、防护板等类似零件。如戈达德太空飞行中心发射的首件3D打印的电池安装板（图1-3）就是采用3D打印技术制备的热塑性塑料聚醚酮，该器件已经用于一项测试热控器件性能的探空火箭任务。2015年2月26日，在澳大利亚墨尔本市举行的阿瓦隆国际航空展上，莫纳什大学一个研究团队的研究人员发布了世界首款3D打印喷气式飞机引擎，如图1-4所示。学习单元四一、航空航天国内方面，北京航空航天大学王华明教授团队的“飞机钛合金大型复杂构件激光成型技术”。该技术在我国已投入工业化应用，使我国成为继美国之后第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成型技术的国家。华中科技大学的曾晓雁教授带领的团队在2012年研发出的选择性激光烧结成型设备，工作台面达到1.2m×1.2m，远远超过德国、美国等国公司的同类产品，使我国在3D打印制造领域达到世界领先水平。该团队自主研制的NRD-SLM-Ⅱ设备的成型尺寸可达320mm×250mm×250mm，成型材料包括铝基、铁基、镍基、钛基合金等。学习单元四二、生物医学3D打印在生物医学领域的应用更是令人称奇，正在探索的应用除了义齿和义肢外，在生物材料引领下，还将在组织工程方面大有用武之地。每个人的身体构造、病理状况都存在特殊性和差异化，当3D打印技术与医学影像建模、仿真技术结合之后，就能够在人工假体、植入体、人工组织器官的制造方面产生巨大的推动效应。2010年，美国康奈尔大学的研究人员使用牛耳细胞打印出人造耳朵，3个月后观察发现，3D打印的耳膜（图1-5）和传统人造耳几乎与人耳完全一致。学习单元四二、生物医学国内方面，清华大学器官制造中心2004年自主研发出国内第一台细胞3D打印机，确定了几乎适合所有细胞组装的通用基质材料，并通过了教育都组织的成果鉴定，如图1-6所示。2013年8月11日，在杭州电子科技大学“生物3D打印机”鉴定会上，中国3D打印技术产业联盟副理事长、杭州电子科技大学教授徐铭恩展示了一款能直接打印出活体器官的生物3D打印机。这也是国内首款生物3D打印机。学习单元四三、机械制造3D打印技术即“增材制造”，它完全不同于传统的零部件加工方法，在机械零部件制造领域引发了重大改变。过去开发一个产品，尤其是具有复杂形状的零部件，需要较多的生产设备和专业的生产人员等，如此才能完成一个零部件的加工生产，并且产品还不一定能满足市场的需求。需要经过市场的长时间检验，对所设计的产品进行多次修改，才能满足市场需求。这样的生产过程周期较长，然而3D打印技术使加工人员节省了时间，也摆脱了对加工设备的束缚，一台3D打印机即可完成所有的制造工序，进而完成零件的生产。学习单元四四、文化教育英国教育部开展了一项为期一年的试验项目，以21个学校为试点，将3D打印技术应用到数学、物理、计算机科学、工程和设计等课程中，探索3D打印的教学应用，推动教学创新。美国国防高级研究计划局（DARPA）制作实验和拓展（MENTOR）项目计划在美国高中推广3D打印机。上海市将3D打印引入基础教育领域。静安区青少年活动中心创意梦工厂配置了3D打印机及配套的3D扫描仪，定期开设相关课程，免费供有兴趣的学生学习三维设计和计算机辅助制造，打印自己设计的产品。学习单元四五、其他1.建筑图1-7所示为3D打印房屋，其“建造者”是一台高6.6m、宽10m、长150m的打印机。这台打印机用一种特殊的“油墨”、一台计算机、一个按键，便可以轻松打印出一栋真实的可供居住的房子，让3D打印建筑从此不再只是一个概念。2014年3月29日，上海盈创装饰设计工程有限公司在同济大学逸夫楼举办了一场别开生面的建筑3D打印技术全球首发新闻发布会，宣告了这项新技术横空出世。学习单元四五、其他2.文物保护博物馆用替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的破坏。陕西历史博物馆打印了长11cm、高11.5cm的国宝级文物“金怪兽”。通过3D打印制作的复制品和文物原件几乎一模一样。学习单元四五、其他3.食品产业美食爱好者已经用3D打印机打印出巧克力和曲奇饼干。以合肥工业大学学生为主的DOD团队研制出3D蛋糕造型打印机，半小时即可打印一个15cm高的蛋糕造型，成本比手工制作还低。未来，营养师还会考虑根据个人的基础代谢量和每天的活动量，利用3D打印机打印每日所需的食物，以此来控制肥胖、糖尿病等问题。学习单元五3D打印的未来学习单元五一、3D打印的发展前景1.3D打印应用领域会继续扩展延伸3D打印的优势在2011年被应用于生物医药领域，利用3D打印进行生物组织直接打印的概念日益受到推崇。随着3D打印材料的多样化发展及打印技术的革新，3D打印不仅在传统的制造行业体现出非凡的发展潜力，同时其魅力更延伸至食品、服装奢侈品、影视传媒及教育等多个与人们生活息息相关的领域。相信未来更多的领域会与3D打印进行结合。学习单元五一、3D打印的发展前景2.3D打印速度、尺寸及技术日新月异在打印速度上，个人使用3D打印机的速度已突破送丝速度300mm/s的极限，达到350mm/s。在体积上，3D打印机为适合不同行业的需求，也呈现“轻盈”和“大尺寸”的多样化选择。学习单元五一、3D打印的发展前景3.设计平台革新基于3D打印民用化普及的趋势，3D打印的设计平台正从专业设计软件向简单设计应用发展，其中比较成熟的平台有基于Web的3D设计平台3DTin。微软、谷歌等软件行业巨头也相继推出了基于各种开放平台的3D打印应用，大大降低了3D设计的门槛，甚至有的应用已经可以让普通用户通过类似玩乐高积木的方式设计3D模型。学习单元五一、3D打印的发展前景4.色彩绚烂，形态逼真用3D打印机打印出来的产品除了色彩丰富外，也相当精美。打印出色彩逼真且没有任何毛刺的物体，不仅会受到3D打印发烧友的喜爱，也会受到普通消费者的欢迎。学习单元五一、3D打印的发展前景5.3D打印大规模生产社会化3D打印进入制造业已经有段时间了，但现阶段，很多工厂里面的零部件制造还在使用传统的制造方式。已有小规模使用3D打印机帮助工厂提高效率，大规模使用3D打印机进行工厂部件制造已成当务之急。随着性能的不断提高，3D打印机被整合进生产线和供应链的机会更多，经验也会变得更加丰富，在不久的将来，有望看到集成了3D打印零部件的混合制造工艺。学习单元五二、各种不同种类打印机的发展趋势1.桌面级3D打印机（1）变得更为小巧、便于携带，外表看起来更时尚。（2）触屏功能、摄像功能、上网功能、自动修复功能一应俱全。（3）打印的精度非常高，打印的材料非常便宜。（4）价格大多控制在3000元人民币以内，成本大概在1000元人民币。（5）市场空间非常巨大，预计国内市场保有量在2亿台以上，3D打印机进入家庭、学校将变为常态。学习单元五二、各种不同种类打印机的发展趋势2.工业级3D打印机（1）平台化、智能化、系统化。（2）对传统制造业的全面渗透和覆盖，但仅仅是生产流程和生产工艺中某个环节的应用。（3）随着技术的进步，稳定性、精密度将不再困难，材料可以全面突破。（4）成本降低后，将率先在铸造、模具等行业全面渗透，并在其他领域得到广泛推进。（5）打印速度将显著提高，激光头数量将不再是影响速度的主要因素。学习单元五二、各种不同种类打印机的发展趋势3.生物3D打印机（1）应用面将大大提高，不再仅仅停留在牙齿、骨骼修复等方面，打印部分人体器官将成为常态。（2）整个应用推广的进程相对缓慢，主要取决于各个国家的政策支持程度。（3）复杂的细胞组织和器官的打印还有很多技术难题需要突破。学习单元五二、各种不同种类打印机的发展趋势4.建筑3D打印机（1）对于一些特殊环境下的建筑需求，将有逐步试行的可能。（2）虽然个性化建筑使用面最广，但是成本方面并不一定具有较大优势。（3）对未来的市场保持谨慎乐观，作为一项新技术，还需要不断尝试，不断去总结和发现。学习单元五三、3D打印材料的发展（1）目前，国际上处于垄断地位的材料企业还将保持3～5年优势。（2）随着相关技术的进步和3D打印技术的不断优化，材料问题将不再是困扰行业发展的难题。（3）智能材料将异军突起。智能材料其实也是功能性材料的一种，可以随着时间、温度等外部环境的改变而发生变化。（4）可降解的环保材料将占据主流，其他材料将被淘汰。（5）材料的成本将显著降低。感谢聆听3D打印机模块二3D打印技术概述学习单元一3D打印机的基本工作原理及工作流程学习单元一一、3D打印机的基本工作原理3D打印技术是基于“离散/堆积成型”的思想，用层层加工的方法将成型材料“堆积”而形成实体零件，也称为快速成型技术或叠加制造技术。从原理上说，3D打印需要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“切片”成逐层的截面数据，并把这些信息传送到3D打印机上。3D打印机会把这些切片堆叠起来，直到一个固态物体成型。学习单元一一、3D打印机的基本工作原理3D打印机层层印刷的原理和喷墨打印机类似，打印机内装有液体或粉末等打印材料，与计算机连接后，通过计算机控制，采用分层加工、叠加成型的方式来造型，将设计产品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，一层一层叠加起来，最终将计算机上的蓝图变为实物。学习单元一一、3D打印机的基本工作原理普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的打印材料，是实实在在的原材料。3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，如打印机器人、玩具车、各种模型，甚至是食品等。之所以通俗地称其为“打印机”，是参照了普通打印机的技术原理，因为其分层加工的过程与喷墨打印十分相似。学习单元一二、3D打印机的工作流程3D打印技术是以3D模型为蓝本，通过软件将3D模型进行分层离散化处理，由数控成型系统利用激光束、紫外线、热熔等方式将树脂、陶瓷粉末、塑料等特殊材料在X-Y平面进行逐层成型扫描，并在Z轴进行堆积黏结，最终叠加成实体产品，如图2-1、图2-2所示。学习单元一二、3D打印机的工作流程在操作上，普通打印机打印一份文件，单击计算机屏幕上的“打印”按钮，数字文档就会被输送到喷墨打印机里，打印机在一张纸的表面留下一层油墨，从而创造出一个二维图像。在3D打印机的打印过程中，通过一台计算机的辅助设计，3D打印软件把图像分解为一系列数字切片，并把描述这些数字切片的信息输送到3D打印机中，打印机便连续不断地增加薄层，直到一个坚固的物体出现为止。这两种打印机最大的区别是，3D打印机所使用的“墨水”是一种粉末状或者丝状的材料。学习单元二3D打印机的分类学习单元二一、按照打印机的大小分类按照大小，可以将3D打印机分为工业级3D打印机和桌面级3D打印机。工业级3D打印机（图2-3）一般比较大，可以打印的物体也偏大，一般用于工业产品的制造，如打印一些零部件和模具。工艺不同，其使用的材料也各不相同。学习单元二一、按照打印机的大小分类桌面级3D打印机（图2-4）一般比较小，就像普通打印机一样可以直接放置在桌面上打印物体。这种打印机基本上采用的是FDM工艺，更多地应用于日常生活中，如打印一些小零件或小玩具。这种打印机因为简单轻便，很受设计师的欢迎，很多设计师会购置3D打印机来印证自己的设计是否可行。图2-4桌面级3D打印机学习单元二二、按照打印机的成型原理分类打印机的成型原理，可分为熔融沉积成型、立体光固化成型、三维印刷成型、选择性激光烧结成型、薄材叠层制造成型等。（1）熔融沉积成型。熔融沉积成型工艺的材料一般是热塑性材料。（2）立体光固化成型。立体光固化成型工艺用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之按由点到线、由线到面顺序凝固。（3）三维印刷成型。三维印刷成型即threedimensionprinting。（4）选择性激光烧结成型。选择性激光烧结技术与3DP技术相似。（5）薄材叠层制造成型。薄材叠层制造成型又称层叠法成型，它以片材为原材料。学习单元二三、按照打印机打印物体的颜色分类有些打印机只能支持一种颜色的物体的打印，而有的打印机可以支持多种颜色的打印。只有一种颜色的3D打印机称为单色3D打印机（图2-5），只有两种颜色的3D打印机称为双色3D打印机（图2-6），支持彩色打印的3D打印机称为全彩3D打印机（图2-7）。目前只有3DP技术的打印机是支持全彩的。学习单元二四、按照打印机的打印喷头的数量分类按照打印机的打印喷头的数量可以将3D打印机分为单头打印机、双头打印机和多头打印机。这是相对于FDM工艺进行分类的，因为FDM打印机是使用喷头将打印材料的丝从喷头挤出层层堆叠的。目前单头打印机比较多，因为相对而言，单头打印的物体精度要更高一些。虽然双头打印机起步较晚，但是已得到了普及。学习单元二五、按照材料薄层结合的方式不同分类按照3D打印机打印时材料的薄层结合的方式不同，可以将3D打印机分为喷墨3D打印机、粉剂3D打印机和生物3D打印机。1.喷墨3D打印机部分3D打印机使用喷墨打印机的工作原理进行打印（图2-8）。喷墨3D打印机利用喷墨头在一个托盘上喷出超薄的液体塑料层，并经过紫外线照射而凝固。此时，托盘略微降低，在原有薄层的基础上添加新的薄层。另一种方式是熔融沉积成型，具体过程是在一个（打印）机头里将塑料熔化，然后喷出丝状材料，从而构成一层层薄层。学习单元二五、按照材料薄层结合的方式不同分类2.粉剂3D打印机大多数工业3D打印机利用粉剂作为打印材料（图2-9）。这些粉剂在托盘上被分布成一层薄层，然后通过喷出的液体黏结剂而凝固。在激光烧结的处理程序中，通过激光的作用，这些粉剂可以熔融成想要的样式。现在，能够用于3D打印的材料范围非常广泛，塑料、金属、陶瓷及橡胶等材料都可用于打印。有些机器可以把各种材料结合在一起。学习单元二五、按照材料薄层结合的方式不同分类3.生物3D打印机生物3D打印机（图2-10）其实就是使用3D打印机去复制一些简单的生命体组织，如皮肤、肌肉及血管等。未来，大的人体组织（如肾脏、肝脏甚至心脏）也可能通过打印制造。如果生物打印机能够使用病人自己的干细胞进行打印，那么在进行器官移植后，其身体就不会对打印出来的器官产生排斥。学习单元二五、按照材料薄层结合的方式不同分类3D打印机还可以有很多的分类，如按照应用领域的不同，可以分为工业3D打印机、人像3D打印机（图2-11）、食品3D打印机（图2-12）等；按照打印的精度不同，可以分为个人3D打印机和专业3D打印机等。其实，了解3D打印机主要就是关注打印机的应用技术、耗材（类别和颜色）、成型尺寸、精度、应用领域等这几个会影响到打印效果的方面。学习单元三3D打印机的体系结构和组装方法学习单元三一、3D打印机的体系结构基于FDM工艺的3D打印机从控制结构上看，分为上位机和底层控制两层，如图2-13所示。上位机主要运行三维设计软件、切片软件、控制程序等。底层控制包括嵌入式微控制器、主板、步进电机、电机驱动器、限位开关、热塑材料挤出机、打印平台、温度传感器等。学习单元三一、3D打印机的体系结构上位机可以是笔记本或PC，三维设计软件、切片软件、控制程序都运行在上位机上。底层控制主要负责打印的执行，控制器主板连接3D打印机所需要的所有不同的硬件到微控制器。主板特别需要能承受大负载的转换硬件，以便转换到打印平台和挤出器加热端的高电流环境。主板要能读入温度传感器的输入信号，也要能从大电流电源生成整个系统的能源集线器。主板与每个轴的限位开关进行交互，并对打印头在打印前进行精准定位。微控制器可以和主板集成在一起，也可以分离开来。学习单元三二、3D打印机的组装方法FDM型3D打印机的机械部分最为复杂，涉及的零部件比较多。要制作一台完整的FDM型3D打印机，首先要制作3D打印机的外部基本框架结构，在此框架上才能安装搭建其他零部件。框架组装完成后，需要在框架上搭建一个三轴联动的平台，即控制打印头在X、Y方向（前后、左右）的运动（图2-14），以及打印台在Z方向的运动。X、Y轴分别采用两个步进电机驱动。通过光杠的导向作用同步带动支架运动，进而带动打印头在X、Y轴的运动。学习单元三二、3D打印机的组装方法挤出头是3D打印机的核心部件（图2-15），市面上比较有名的FDM型3D打印机大多采用加热棒对铝块进行加热，通过挤出机将塑料丝从进口端挤入，通过喉管导向，到达铝块，经过熔化进入喷嘴，最后由喷嘴挤出。在挤出头外加散热片和风扇，主要是为了降低喉管上部的温度。学习单元三二、3D打印机的组装方法加热熔化后的塑料丝由喷嘴挤到打印台上，为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良的现象，将打印台做成加热床（图2-16），床内有热敏电阻与电路板相连来控制加热床的温度。最后将打印材料安装在打印机上。具体的操作因为机器的不同会有区别，可以参考学校提供的3D打印机进行学习。感谢聆听3D打印模块三3D打印成型技术学习单元一光固化快速成型技术学习单元一一、光固化快速成型概述光固化快速成型即立体光固化成型（SLA），属于液态树脂光固化成型这一大类。SLA用的是紫外光源，其耗材一般为液态光敏树脂。世界上第一台3D打印机采用的是SLA工艺，该技术最早由美国麻省理工学院的CharlesHull在1986年研制成功，并于1987年获得专利。SLA是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的3D打印技术，Hull由此于1986年创办了3DSystems公司。SLA的材料是液态的，不存在颗粒的东西，因此可以做得很精细，不过它的材料比SLS贵得多，目前用于打印薄壁的、精度较高的零件，适用于制作中小型工件，能直接得到塑料产品。学习单元一二、光固化快速成型的工作原理SLA技术采用液态光敏树脂原料，其工艺过程是：首先通过CAD设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化，当一层加工完毕后，生成零件的一个截面。然后，升降台下降一定高度，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地黏结在前一固化层上。这样一层层叠加就形成了三维工件原型，如图3-1所示。学习单元一二、光固化快速成型的工作原理将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到满足要求的产品。具体的工作步骤如下：（1）将液态的光敏树脂材料注满打印池。（2）打印平台升起，直到距离液体表面一个层厚的位置时停下。（3）水平刮板沿固定方向移动，将液体表面刮成水平面。（4）激光器生成激光束，通过透镜进行聚焦后照射在偏振镜上，此时偏振镜根据切片截面路径自动产生偏移，这样光束就会持续地依照模型数据有选择性地扫描在液面，由于树脂的光敏特性，被照射到的液态树脂逐渐固化。（5）在固化完成后，打印平板自动降低一个固定的高度，水平刮板再次将液面刮平，激光再次照射固化，如此反复，直至整个模型打印完成。学习单元一三、光固化快速成型的特点光固化快速成型的优势在于成型速度快、原型精度高，非常适合制作精度要求高、结构复杂的小尺寸工件。在使用光固化快速成型的工业级3D打印机领域，比较著名的是Object公司。该公司为SLA3D打印机提供100种以上的感光材料，是目前支持材料最多的3D打印设备。同时，Object系列打印机支持的最小层厚已达16μm在所有3D打印技术中，SLA打印成品具备最高的精度、最好的表面光洁度等优势。学习单元一三、光固化快速成型的特点但是光固化快速成型也有两个不足。首先，光敏树脂原料具有一定的毒性，操作人员在使用时必须采用防护措施。其次，光固化快速成型的成品在整体外观方面表现非常好，但是其材料强度方面尚不能与真正的制成品相比，这在很大程度上限制了该技术的发展，使得其应用领域限制于原型设计验证方面，后续需要通过一系列处理工序才能将其转化为工业级产品。此外，SLA技术的设备成本、维护成本和材料成本都远远高于熔融沉积成型（FDM）等技术。因此，基于SLA技术的3D打印机主要应用于专业领域，桌面级应用尚处于启动阶段，相信不久的将来会有更多低成本的SLA桌面3D打印机面世。学习单元一三、光固化快速成型的特点1.SLA技术的优势具体来讲，SLA技术的优势主要有以下几个方面：（1）SLA技术出现时间早，经过多年的发展，技术成熟度高。（2）打印速度快，光敏反应过程便捷，产品生产周期短，无须切削工具与模具。（3）打印精度高，可以表现准确的表面和平滑的效果，精度可达到每层厚度0.05～0.15mm，可打印外形结构复杂或传统技术难以制作的原型和模具。（4）上位机软件功能完善，可联机操作及远程控制，有利于生产的自动化。学习单元一三、光固化快速成型的特点2.SLA技术的缺陷相比其他打印技术而言，SLA技术的主要缺陷有以下几个方面。（1）SLA设备普遍价格高昂，使用和维护成本很高。（2）需要对毒性液体进行精密操作，对工作环境要求苛刻。（3）可以使用的材料有限并且不能多色成型，可使用的材料多为树脂类，使得打印成品的强度、刚度及耐热性能都非常有限，并且不利于长时间保存。（4）由于树脂固化过程中会产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变，因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。（5）核心技术被少数公司所垄断，技术和市场潜力未能全部被挖掘。学习单元一四、光固化快速成型技术的最新进展当前SLA技术的进展主要体现在以下几个方面：1.软件技术随着越来越多的原型要在快速成型机上加工，RP软件的性能在提高工作效率、保证加工精度等方面变得越来越重要。因为虽然快速成型机的加工过程是自动进行的，不需要人工干预，但RP的数据处理却要由人来完成，特别是由于目前通行的STL文件总存在这样那样的问题。当操作员手中有大量的原型要在短时间内加工出来时，数据处理就成了瓶颈，并且稍有疏漏，可能导致一批零件的加工失败。学习单元一四、光固化快速成型技术的最新进展数据处理软件应具备如下基本功能：（1）STL文件的修补。（2）多个加工文件的定位、定向。（3）支撑设计。（4）切片操作。成型机生产厂商自行开发的数据处理软件已很难满足要求，一些通用的RP软件应运而生，其中最著名的是比利时Materialise公司开发的MagicsRP。学习单元一四、光固化快速成型技术的最新进展2.激光技术的进步使成型速度大幅度提升RP技术走出实验室后，就必须不断提高成型速度，才能逐步符合“快速”二字。从设备的角度而言，激光功率是影响成型速度的主要因素。光固化的成型速度一般用每小时成型的原型质量来衡量。初期采用325nm的氦镉激光器的光固化成型设备激光功率较低（50mW左右），一般的成型速度为20～30g/h。351nm的氩离子紫外激光器虽然能输出较高功率的激光，但却有体积大，对水、电需求严格等缺点。学习单元一四、光固化快速成型技术的最新进展3.成型材料的进展对于光固化快速成型设备来说，光敏树脂材料是至关重要的，目前进口材料已解决了收缩变形的问题，向性能多样化、功能材料方向发展。光固化材料供应商主要有DSMSomos、VANTICO、RPC等公司。以DSMSomos公司为例，该公司提供多种型号的光敏树脂材料，能满足多种需求。例如，Somos11120是一种低黏度的光敏树脂，固化后的性能类似于ABS塑料，并且燃烧后残留灰分很少，特别适合于消失模铸造。学习单元一四、光固化快速成型技术的最新进展4.稳定性、加工质量和效率不断提高成型机电控制系统不断完善，使稳定性、加工质量和效率不断提高。在光固化快速成型工艺过程中，局部的加工缺陷会造成整个加工过程的失败，具有天然的脆弱性，因而设备的稳定性至关重要。提高设备的稳定性要从光、机、电、软件各部分着手。上海联泰的最新光固化快速成型设备采用先进的真空吸附涂层系统，使得大平面的涂层可靠性大大提高，并且完全消除了气泡，整个涂层时间也大大缩短；成型机的电气系统采用PLC控制，稳定性和可靠性得到保证；控制软件可根据激光功率的变化自动调节工艺参数，因而整机性能得到大幅提升。学习单元一五、光固化快速成型技术的应用与展望因为快速成型符合加工过程数字化这一潮流，因此从长远来讲，它必将从原型的加工转变成产品的加工，并可能成为未来一个主要的3D打印加工手段。在未来几年内，3D打印设备技术会出现一个相对的平稳阶段，发展主要体现在生产效率的提高和材料的改进上。随着人们对RP的不断了解，各种RP工艺将在最适合自己的领域内发挥自己的作用。作为RP百花园中的一朵“奇葩”，光固化快速成型以其出色的精度，在非金属材料的高端快速成型领域内将继续领先。学习单元一六、数字光处理技术概述数字光处理（digitallightprocessing，DLP）技术也属于液态树脂光固化成型这一大类。DLP技术和SLA技术比较相似，它使用高分辨率的数字处理器投影仪来固化液态聚合物，逐层进行光固化。由于每次成型一个面，因此在理论上也比同类的SLA快得多。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面粗糙度方面可媲美注塑成型的耐用塑料部件。DLP技术利用投射原理成型，无论工件大小都不会改变成型速度。此外，DLP技术不需要激光头去固化成型，而是使用极为便宜的灯泡照射。整个系统没有喷射部分，所以不存在传统成型系统喷头堵塞的问题，大大降低了维护成本。学习单元二选择性激光烧结技术学习单元二一、选择性激光烧结技术概述选择性激光烧结（SLS）技术最早由美国人CarlDechard于1989年提出，美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备。选择性激光烧结技术成型原理最为复杂，成型条件最高，是设备及材料成本最高的3D打印技术，但也是目前对3D打印技术发展影响最为深远的技术。目前，SLS技术材料可以是尼龙、蜡、陶瓷、金属等，成型材料的种类多元化。目前，我国在RP成型系统、SLS成型机、金属粉末及烧结理论、扫描路径等方面取得了许多重大成果。学习单元二二、SLS工艺原理SLS技术使用的是粉状材料，从理论上讲，任何可熔的粉末都可以用来制造模型，而且制造出的模型可以用作真实的原型元件。粉末材料选择性烧结采用二氧化碳激光器对粉末材料进行选择性烧结，是一种由离散点一层层堆集成三维实体的工艺方法。在开始加工前，先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点以下。成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激光束在计算机的控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末熔化，继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，再铺上一层粉末，进行下一层烧结。如此循环，形成三维的原型零件。最后经过5～10h冷却，即可从粉末缸中取出零件。未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件，当烧结工序完成后，取出零件。学习单元二二、SLS工艺原理如图3-2所示，工作时粉末缸活塞上升，由铺粉滚筒将粉末均匀地在成型缸活塞（工作活塞）上铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制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。在烧结前，整个工作台被加热至稍低于粉末熔化温度，以减少热变形，并利于与前一层的结合。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺设新粉，控制激光束扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，就得到三维零件。学习单元二二、SLS工艺原理具体来说，其工作过程可概括为以下几个步骤（图3-3）：（1）粉末颗粒存储在左侧的供粉仓内，打印时，供粉仓升降平台向上升起，将高于打印平面的粉末通过铺粉滚筒推压至打印平板上，形成一个很薄的粉层。（2）此时，激光束扫描系统会依据切片的二维CAD路径在粉层上选择性扫描，被扫描到的粉末颗粒会由于激光焦点的高温而烧结在一起，生成具有一定厚度的实体薄片，未扫描的区域仍然保持原来的松散粉末状。（3）一层烧结完成后，打印平台根据切片高度下降，水平滚筒再次将粉末铺平，然后开始新一层的烧结，此时层与层之间也同步地烧结在一起。（4）如此反复，直至烧结完所有层面。移除并回收未被烧结的粉末，即可取出打印好的实体模型。学习单元二三、典型SLS设备与原料SLS设备（图3-4）主要由机械系统、光学系统和计算机控制系统组成。机械系统和光学系统在计算机控制系统的控制下协调工作，自动完成制件的加工成型。机械系统主要由机架、工作平台、铺粉机构、两个活塞缸、集料箱、加热灯和通风除尘装置组成（图3-5）。1—激光室；2—铺粉机构；3—供料缸；4—加热灯；5—成型料缸；6—排尘装置；7—滚珠丝杠螺母机构；8—料粉回收箱。学习单元二三、典型SLS设备与原料SLS技术的成型材料很多，包括多种不同力学性能的粉末材料和多种尼龙混合材料，如适用于模具的铝粉与尼龙的混合材料；质量超轻、力学性能强的碳纤维与尼龙的混合材料；硬度极高，耐磨、耐热、能承受高温烤漆和金属喷涂的玻璃纤维和尼龙混合材料。此外，还有多种塑料混合材料、陶瓷材料等。SLS工艺中所使用的原料主要有三种不同的类型，如表3-1所示。学习单元二四、SLS工艺的优点与缺点1.SLS工艺的优点（1）成型材料多样，价格低廉。这是SLS工艺最显著的特点。（2）对制件形状几乎没有要求。由于下层的粉末自然成为上层的支撑，故SLS具有自支撑性，可制造任意复杂的形体，这是许多RP技术所不具备的。（3）材料利用率高。未烧结的粉末可以重复利用。（4）适合成型中小件，能直接得到塑料、陶瓷或金属零件，零件的翘曲变形比液态光敏树脂选择性固化工艺要小。（5）实现设计制造一体化。配套软件可自动将CAD数据转化为分层STL数据，根据层面信息自动生成数控代码，驱动成型机完成材料的逐层加工和堆积，无须人为干预。学习单元二四、SLS工艺的优点与缺点2.SLS工艺的缺点（1）设备成本高昂。（2）由于受到粉末颗粒大小及激光点的限制，零件的表面一般呈多孔性，表面粗糙度较大，机械性能不高。（3）制件质量受粉末的影响较大，提升不易。（4）可制造零件的最大尺寸受到限制。（5）通过烧结陶瓷、金属与黏结剂的混合粉末得到原型零件后，须将它置于加热炉中，烧掉其中的黏结剂，并在孔隙中渗入填充物，其后处理复杂。（6）需对整个截面进行扫描和烧结，加上工作室需要升温和冷却，成型时间较长。学习单元二五、SLS工艺应用示例SLS工艺已经成功应用于汽车、造船、航天、航空、通信、微机电系统、建筑、医疗、考古等诸多领域，为许多传统制造业注入新的创造力，也带来了信息化的气息。概括来说，SLS工艺可以应用于以下场合：（1）快速原型制造。（2）新型材料的制备及研发。（3）小批量、特殊零件的制造加工。（4）快速模具和工具制造。（5）在逆向工程上的应用。（6）在医学上的应用。学习单元二六、SLS技术展望针对当前存在的SLS系统的速度、精度和表面粗糙度不能满足工业生产要求、SLS设备成本较高以及激光工艺参数对零件质量影响敏感，需要较长时间摸索等问题，国内外专家的研究热点集中在以下几个方面：（1）新材料的研究。（2）SLS连接机理研究。（3）SLS工艺参数优化研究。（4）SLS建模与仿真研究。学习单元三熔融沉积成型技术学习单元三一、熔融沉积成型技术概述1988年，美国人ScottCrump发明了熔融沉积成型（FDM）技术，其又称熔融挤压成型、熔化堆积法和熔融挤出成模等。同年，他成立了生产FDM工艺主要设备的Stratasys公司。FDM工艺是将热塑性聚合物材料加热熔融成丝，采用热喷头，使半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤压并沉积在指定位置凝固成型，逐层沉积，凝固后形成整个原型或零件。FDM是一种不依靠激光作为成型能源，而将各种丝材加热熔化的成型方法。FDM工艺方法干净、易于操作，不产生废料和污染，可以安全地用于办公场所，适合进行产品设计的建模并对其形状及功能进行测试。学习单元三二、熔融沉积成型的工作原理熔融沉积成型工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等。以丝状供料，材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料黏结。其基本原理如图3-6所示。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化。当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构对后续层提供定位和支撑，以保证成型过程的顺利实现。学习单元三二、熔融沉积成型的工作原理为了节省熔融沉积成型工艺的材料成本，提高工艺的沉积效率，在原型制作时需要同时制作支撑，因此，新型FDM设备采用了双喷头，如图3-7所示。一个喷头用于沉积模型材料，另一个喷头用于沉积支撑材料。采用双喷头不仅能降低模型制作成本，提高沉积效率，还可以灵活地选用具有特殊性能的支撑材料，方便在后处理中去除支撑材料。学习单元三三、熔融沉积成型技术的优点与缺点由于FDM工艺具有一些显著优点，其发展极为迅速，FDM系统在全球已安装快速成型系统中的比重大约为30％。FDM工艺的优点是材料利用率高，可选材料种类多，工艺简洁，成型实物强度更高，并且可以彩色成型。其缺点是精度低，复杂构件不易制造，悬臂件需加支撑，而且成型后表面粗糙。该工艺适合于产品的概念建模及形状和功能测试、中等复杂程度的中小原型，不适合制造大型零件。学习单元三三、熔融沉积成型技术的优点与缺点1.FDM工艺的优点（1）系统构造原理和操作简单。FDM工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低，系统运行安全。（2）可以使用无毒的原材料，设备可在办公环境中安装使用。（3）用蜡成型的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。（4）可以成型任意复杂的零件，常用于成型具有很复杂的内腔、孔等的零件。（5）原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。学习单元三三、熔融沉积成型技术的优点与缺点1.FDM工艺的优点（6）原材料利用率高，且材料寿命长。（7）采用塑料丝材，清洁，更换容易。（8）快速塑料零件制造。材料性能一直是FDM工艺的主要优点，其ABS原型强度可以达到注塑零件的1/3。（9）后处理简单，支撑去除简单，无须化学清洗，分离容易。（10）成型速度较快。一般来讲，FDM工艺相对于SLA、SLS、3DP工艺来说，速度是比较慢的。学习单元三三、熔融沉积成型技术的优点与缺点2.FDM工艺的缺点（1）成型件的表面有较明显的条纹。（2）沿成型轴垂直方向的强度比较弱。（3）需要设计与制作支撑结构。（4）需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。（5）原材料价格昂贵。学习单元三三、熔融沉积成型技术的优点与缺点3.FDM与SLA、SLS的比较FDM与SLA、SLS在特性和工艺方法等方面的比较见表3-2。学习单元三四、气压式熔融沉积快速成型系统气压式熔融沉积成型系统的工作原理如图3-8所示。被加热到一定温度的低黏性材料通过空气压缩机提供的压力由喷头挤出，涂覆于工作平台或前一沉积层之上。喷头按当前层的层面几何形状进行扫描堆积，实现逐层沉积凝固。工作台由计算机系统控制做X、Y、Z三维运动，可逐层制造三维实体和直接制造空间曲面。学习单元三五、熔融沉积式打印机的成型材料熔融沉积成型制造技术的关键在于热熔喷头，适宜的喷头温度能使材料挤出时既保持一定的形状，又具有良好的黏结性能。但成型材料的相关特性（如材料的黏度、熔融温度、黏结性及收缩率等）也会大大影响整个制造过程。一般来说，熔融沉积工艺使用的材料分别为成型材料和支撑材料。学习单元三五、熔融沉积式打印机的成型材料1.熔融沉积成型对成型材料的要求FDM工艺对成型材料的要求是黏度低、熔融温度低、黏结性好、收缩率小。（1）黏度低。（2）熔融温度低。（3）黏结性好。（4）收缩率小。学习单元三五、熔融沉积式打印机的成型材料2.熔融沉积成型对支撑材料的要求FDM工艺对支撑材料的要求是能承受一定的高温、与成型材料不浸润、具有水溶性或酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性好。（1）能承受一定的高温。（2）与成型材料不浸润。（3）具有水溶性或酸溶性。（4）具有较低的熔融温度。（5）流动性好。学习单元三五、熔融沉积式打印机的成型材料2.熔融沉积成型对支撑材料的要求FDM工艺成型材料的基本信息及特性指标分别如表3-3和表3-4所示。学习单元三六、熔融沉积成型技术展望FDM在日本丰田公司的应用丰田公司采用FDM工艺制作右侧镜支架和4个门把手的母模，通过快速模具技术制作产品而取代传统的CNC制模方式，制造成本显著降低，右侧镜支架模具成本降低20万美元，4个门把手模具成本降低30万美元。FDM工艺已经为丰田公司在轿车制造方面节省了约200万美元。学习单元三六、熔融沉积成型技术展望2.FDM在美国快速原型制造公司的应用从事模型制造的美国快速原型制造（RapidModels&Prototypes）公司采用FDM工艺为生产厂商LaramieToys制作了玩具水枪模型。借助FDM工艺制作该玩具水枪模型，通过将多个零件一体制作，减少了传统制作方式制作模型的部件数量，避免了焊接与螺纹连接等组装环节，显著提高了模型制作的效率。学习单元三六、熔融沉积成型技术展望3.FDM在Mizuno公司的应用Mizuno是世界上较大的综合性体育用品制造公司。1997年1月，Mizuno美国公司开发一套新的高尔夫球杆通常需要13个月。FDM工艺的应用大大缩短了这个过程，设计出的新高尔夫球头用FDM制作后，可以迅速得到反馈意见并进行修改，大大加快了造型阶段的设计验证过程。一旦设计定型，最后制造出的ABS原型就可以作为加工基准在CNC上进行钢制母模的加工。新的高尔夫球杆整个开发周期在7个月内全部完成，缩短了40%以上的时间。学习单元三六、熔融沉积成型技术展望4.FDM在韩国现代公司的应用韩国现代公司采用美国Stratasys公司的FDM系统，用于检验设计、空气动力评估和功能测试。FDM系统在起亚的Spectra车型设计上得到成功的应用，现代汽车公司自动技术部的首席工程师TaeSunByun说，空间的精确和稳定对设计检验来说至关重要，采用ABS工程塑料的FDMMaxum系统满足了两者的要求，在1382mm的长度上，其最大误差只有0.75mm。学习单元四黏结剂喷射成型技术学习单元四一、黏结剂喷射成型技术概述黏结剂喷射成型技术是由美国麻省理工学院的EmanualSachs等人发明的。EmanualSachs教授于1989年申请了三维印刷成型（3DP）技术的专利，该专利是非成型材料微滴喷射成型范畴的核心专利之一。3DP打印机使用标准喷墨打印技术，通过将液态连接体铺放在粉末薄层上，以打印横截面数据的方式逐层创建各部件，最终形成三维实体模型。与2D平面打印机在打印头下送纸不同，3D打印机是在一层粉末的上方移动打印头，打印横截面数据。学习单元四二、黏结剂喷射的工作原理黏结剂喷射的工作原理如图3-9所示。上一层黏结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚0.013～0.10mm），供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机的控制下，依据下一组建造截面的成型数据有选择地喷射黏结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射黏结剂，最终完成一个三维粉体的黏结。未被喷射黏结剂的地方为干粉，在成型过程中起支撑作用，且成型结束后比较容易去除。学习单元四二、黏结剂喷射的工作原理其工艺过程（图3-10）如下。（1）利用三维CAD软件完成所需制作的3D模型设计。（2）在计算机中将模型生成STL文件，利用专用软件将其切成薄片。（3）转换成矢量数据，控制黏结剂喷射头移动的走向和速度。（4）采用专用的铺粉装置，将陶瓷等粉末铺在活塞台面上。（5）用校平辊将粉末滚平，粉末的厚度等于计算机切片处理中片层的厚度。学习单元四二、黏结剂喷射的工作原理其工艺过程（图3-10）如下。（6）按照步骤（3）的要求，利用计算机控制的喷射头进行扫描喷涂黏结。（7）计算机控制活塞使之下降一个层片的高度。（8）重复步骤（4）、（5）、（6）、（7），一层层地将整个零件坯体制作完成。（9）取出零件坯体，去除未黏结的粉末，并将这些粉末回收。（10）在温控炉中对零件坯体进行焙烧等后续处理。学习单元四三、黏结剂喷射技术的特点3DP技术的优势主要是成型速度快、无须支撑结构，而且能够打印出全彩色产品，这是目前其他技术都比较难以实现的。当前采用3DP技术的设备不多，比较典型的是ZCorporation公司（已被3DSystems公司收购）的ZPrinter系列，这也是当前一些高端3D照相馆所使用的设备。ZPrinter系列高端产品Z650已支持39万色的产品打印，色彩方面非常丰富，基本接近传统喷墨二维打印的水平。在3D打印技术各大流派中，3DP技术也被公认为在色彩还原方面是最有前景的，基于该技术的设备所打印的产品在实际体验中最接近原始设计效果。学习单元四三、黏结剂喷射技术的特点与其他打印技术相比，3DP技术的主要优点如下：（1）打印速度快，无须添加支撑。（2）技术原理同传统工艺相似，可以借鉴很多二维打印的成熟技术和部件。（3）可以在黏结剂中添加墨盒以打印全彩色的原型。但是3DP技术的不足也同样非常明显。首先，打印出的工件只能通过粉末黏结，受黏结剂材料限制，其强度很低，基本只能作为测试原型。其次，原材料为粉末，导致工件表面远不如光固化快速成型等工艺成品的光洁度，并且精细度方面也差很多。学习单元四四、黏结剂喷射式3D打印机喷头喷头是黏结剂喷射式3D打印机的关键部件，按照喷头的动力驱动形式，可将其分为气动式喷头、电动式喷头等。1.气动式喷头采用气动式喷头的3D打印机，按照喷头结构的不同又分为活塞开关型、时间压力型、容积型、膜片型和雾化型等。图3-11所示为活塞开关型气动式喷头。当控制系统使压缩空气通过入口进入喷头时，活塞和与其相连的针阀克服弹簧压力向上运动，开启阀口，自流体入口进入的流体材料（“墨水”）通过阀口和空心针头（标准针头的最小内径为60μm）射出。学习单元四四、黏结剂喷射式3D打印机喷头图3-12所示为采用活塞开关型气动式喷头的3D打印机的原理。采用活塞开关型气动式喷头虽然能控制喷头喷射的流体的启停动作，但难以控制流过喷头的流体的流速等特性参数。另外，由于受喷头中机械运动零件惯性的影响，这种喷头的灵敏度、工作频率和喷射液滴的体积精度不够高。学习单元四四、黏结剂喷射式3D打印机喷头2.电动式喷头电动式喷头按照喷头结构的不同又分为电磁阀操控型、微注射器型、电流体动力型、电场偏转型、电动螺杆型和复合型等。图3-13所示为电磁阀操控型电动式喷头。采用电磁阀的开关动作操控“墨水”的输送与喷射，喷嘴内径为50～500μm，平均喷射速度约为10m/s，最大流量为2mL/s。学习单元四五、黏结剂喷射成型技术的优点与缺点黏结剂喷射3D打印工艺具有成本低、材料广泛、成型速度快、安全性好、应用范围广泛等优点；但该工艺的特点也决定了其所制作件具有模型精度不高、表面较粗糙、易变形、易出现裂纹、模型强度低等缺点。学习单元四六、黏结剂喷射式打印机的成型材料1.使用的成型粉末使用的成型粉末有以下几种：（1）石膏粉。（2）淀粉。（3）陶瓷粉。（4）铸造用砂的粉末，如硅石粉、合成石粉等。（5）金属粉，如不锈钢粉、青铜粉、工具钢粉、钛合金粉等。（6）玻璃粉，如乳白色磨砂玻璃粉、高光泽黑色玻璃粉、高光泽白色玻璃粉等。（7）塑料粉，如聚甲基丙烯酸甲酯粉等。学习单元四六、黏结剂喷射式打印机的成型材料2.成型粉末应满足的要求用于黏结剂喷射式打印机的粉末应满足以下几点基本要求：（1）粒度足够细，一般应为30～100μm，以保证成型件的强度和表面品质。（2）能很好地吸收所喷射的黏结剂，形成工件截面。（3）低吸湿性，以免从空气中吸收过量的湿气而导致结块，影响成型件的品质。（4）易于分散，性能稳定，可长期储存。学习单元四六、黏结剂喷射式打印机的成型材料3.黏结剂应满足的要求使用的黏结剂是水溶性混合物，包括聚合物，如甲氧基聚乙二醇、聚乙烯醇（PVA）、胶体状二氧化硅、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等；碳水化合物，如阿拉伯胶、刺槐豆胶等；糖和糖醇，如蔗糖、葡萄糖、果糖、乳糖、山梨糖醇、木糖醇等。学习单元四六、黏结剂喷射式打印机的成型材料3.黏结剂应满足的要求对黏结剂喷射式3D打印机使用的黏结剂有以下基本要求：（1）具有较高的黏结能力。（2）具有较低的黏度且颗粒尺寸小（10～20μm），能顺利地从喷嘴中流出。（3）能快速、均匀地渗透粉末层并使其黏结，即黏结剂应具有浸渗剂的性能。采用的黏结剂应与粉末材料相匹配，例如，陶瓷粉最好采用有机黏结剂（如聚合树脂）或胶体状二氧化硅。学习单元四六、黏结剂喷射式打印机的成型材料4.添加物为改善粉材与黏结剂的性能，还可在其中添加下列物质：（1）填充物。（2）增强纤维。（3）打印助剂。（4）活化液。（5）润湿剂。（6）增流剂。（7）染料。学习单元四七、黏结剂喷射成型技术的应用与展望1.黏结剂喷射成型技术的应用3DP材料来源广泛，包括尼龙粉末、ABS粉末、金属粉末、陶瓷粉末、塑料粉末和干细胞溶液等，也可以是石膏、砂子等无机材料。胶黏剂液体有单色和彩色，可以像彩色喷墨打印机打印出全彩色产品。3DP技术可用于打印彩色实物、模型、立体人像、玩具等，尤其是塑料粉末打印物品具有良好的力学性能和外观。成型材料向各个领域的材料发展，不仅可以打印粉末塑料类材料，也可以打印食物类材料。学习单元四七、黏结剂喷射成型技术的应用与展望1.黏结剂喷射成型技术的应用三维打印成型可以用于产品模型的制作，以提高设计速度和设计交流的能力，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，以及样件功能测评。除了一般工业模型，三维打印可以成型彩色模型，特别适合生物模型、化工管道及建筑模型等。此外，彩色原型制件可通过不同的颜色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工具。三维打印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前景的快速模具领域起到积极的推动作用。学习单元四七、黏结剂喷射成型技术的应用与展望1.黏结剂喷射成型技术的应用聚亚胺酯复合物与大多数热塑性塑料的性能大致相同，生产出的最终零件可以满足高级装配测试和功能验证。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，延长寿命。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。学习单元四七、黏结剂喷射成型技术的应用与展望2.黏结剂喷射成型技术的展望目前，国外对3DP各种类型技术展开研究和开发工作并商业化的企业较多，其中以美国的3DSystems公司、Solidscape公司和以色列的OBJETGeometries公司等为主要代表。学习单元四七、黏结剂喷射成型技术的应用与展望随着三维打印成型技术的不断发展和完善，其发展趋势可以归纳为以下几个方面：（1）研究喷头技术。（2）软件开发。（3）成型材料。（4）快速成型（RP）的发展应该是向快速制造（RM）的转变，从非功能部件逐渐变成功能部件。（5）体积小型化、桌面化。（6）新工艺的开发和设备的改进。（7）随着技术的发展，直接喷射出成型材料在外场下固化，成为这种工艺的新发展趋势。学习单元五薄材叠层制造成型技术学习单元五一、3D打印的发展前景一、薄材叠层制造成型技术概述薄材叠层制造成型（LOM）又称层叠法成型、分层实体制造。它由美国Helisys公司的MichaelFeygin于1986年发明，后来由于技术合作被引入中国。薄材叠层制造成型也成为众多快速成型技术中唯一由中国企业掌握的关键技术，基于该技术的商业3D打印机于2010年成功推出。薄材叠层制造成型方法和设备自问世以来，得到了迅速发展。研究LOM工艺的公司和机构除了Helisys公司外，还有日本的Kira公司、瑞典的Sparx公司、新加坡的Kinergy精技私人有限公司，以及中国的清华大学、华中科技大学等。学习单元五二、薄材叠层制造成型技术工艺原理图3-14所示是一种最先出现的LOM分层实体成型工艺原理。这种成型机由原材料储存及送进机构、热黏压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统等组成。原材料储存及送进机构将存于其中的底面涂覆热熔胶的纸，逐步送至工作台的上方。热黏压机构将一层层纸黏合在一起。激光切割系统按照计算机提取的工件横截面轮廓线，逐一在工作台上方的纸上刻出轮廓线，并将无轮廓区切割成小网格，以便在成型之后能剔除废料。学习单元五二、薄材叠层制造成型技术工艺原理LOM成型机的工作过程如图3-15所示。成型结束后得到包含成型件和废料的叠层块，成型件被废料小网格包围，剔除这些小网格后，便可得到成型件。显然，用这种成型机成型时，不必另外设置支撑结构，废料小网格本身就能起到支撑结构的作用。学习单元五二、薄材叠层制造成型技术工艺原理LOM原型经过废料去除后，为了提高原型的性能和便于表面打磨，经常需要对原型进行表面涂覆处理。表面涂覆的好处如下：（1）提高强度。（2）提高耐热性。（3）改进抗湿性。（4）延长原型的寿命。（5）易于表面打磨等处理。（6）经涂覆处理后，原型可更好地用于装配和功能检验。学习单元五三、薄材叠层实体制造技术的优点和缺点目前，薄材叠层实体制造技术能成熟使用的打印材料相比熔融沉积成型（FDM）设备而言少很多，最为成熟和常用的还是涂有热敏胶的纤维纸。由于原材料的限制，打印出的最终产品在性能上仅相当于高级木材，这在一定程度上限制了该技术的推广和应用。该技术具备工作可靠、模型支撑性好、成本低、效率高等优点，但缺点是打印前准备和后处理都比较麻烦，并且不能打印带有中空结构的模型。在具体使用中多用于快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。学习单元五三、薄材叠层实体制造技术的优点和缺点1.LOM技术的优点LOM技术的优点主要有以下几个方面：（1）成型速度较快。由于LOM本质上并不属于增材制造，无须打印整个切面，只需要使用激光束将物体轮廓切割出来，所以成型速度很快，因而常用于加工内部结构简单的大型零部件。（2）模型精度很高，并可以进行彩色打印，同时打印过程造成的翘曲变形非常小。（3）原型能承受高达200℃的温度，有较高的硬度和较好的力学性能。（4）无须设计和制作支撑结构，并可直接进行切削加工。（5）原材料价格便宜，原型制作成本低，可用于制作大尺寸的零部件。学习单元五三、薄材叠层实体制造技术的优点和缺点2.LOM技术的缺点LOM技术的缺点也非常显著，主要包括以下几个方面：（1）受原材料限制，成型件的抗拉强度和弹性都不够好。（2）打印过程有激光损耗，并需要专门的实验室环境，维护费用高昂。（3）打印完成不能直接使用，必须手工去除废料，因此不宜构建内部结构复杂的零部件。（4）后处理工艺复杂，原型易吸湿膨胀，需进行防潮等处理流程。（5）Z轴精度由材质和胶水层厚度决定，实际打印成品普遍有台阶纹理，难以直接构建形状精细、多曲面的零件，因此打印后还需进行表面打磨等处理。学习单元五四、提高薄材叠层制造成型精度的措施（1）在进行STL转换时，可以根据零件形状的不同复杂程度来确定精度。在保证成型件形状完整平滑的前提下，尽量避免过高的精度。（2）STL文件输出精度的取值应与相对应的原型制作设备上切片软件的精度相匹配。（3）模型的成型方向会对工件品质、材料成本和制作时间产生很大的影响。（4）切碎网格的尺寸有多种设定方法。（5）处理湿胀变形的一般方法是涂漆。学习单元五四、提高薄材叠层制造成型精度的措施从表3-5可以看出，未经任何处理的叠层块对水十分敏感，在水中浸泡10min，叠层方向便涨高45mm，水平方向的尺寸也略有增长，吸入水分达164g。这说明未经处理的LOM原型是无法在水中进行使用的，或者在潮湿环境中不宜存放太久。为此，将叠层块涂上薄层油漆进行防湿处理。从实验结果看，涂装起到了明显的防湿效果。在相同浸水时间内，叠层方向仅增长3mm，吸水仅4g。学习单元五四、提高薄材叠层制造成型精度的措施纸材的最显著缺点是对湿度极其敏感，LOM原型吸水后叠层方向尺寸增长，