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什么是三维打印机

三维-小维尼
2021-04-07 10:49:06

三维立体打印机,也称三维打印机(3D Printer,简称3DP)是快速成型(Rapid Prototyping,RP)的一种工艺,采用层层堆积的方式分层制作出三维模型,其运行过程类似于传统打印机,只不过传统打印机是把墨水打印到纸质上形成二维的平面图纸,而三维打印机是把液态光敏树脂材料、熔融的塑料丝、石膏粉等材料通过喷射粘结剂或挤出等方式实现层层堆积叠加形成三维实体。

快速成形技术

快速成形技术(r简称RP)又称快速原型制造技术,是近年来发展起来的一种先进制造技术。快速成形技术20世纪80年代起源于美国,很快发展到日本和欧洲,是近年来制造技术领域的一次重大突破。快速成形是一种基于离散堆积成形思想的数字化成形技术;是CAD、数控技术、激光技术以及材料科学与工程的技术集成。它可以自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件,从而可对产品设计进行快速评价、修改,以响应市场需求,提高企业的竞争能力。

RP将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于一体,依据由CAD构造的产品三维模型,对其进行分层切片,得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓,激光束选择性地喷射,固化一层层液态树脂(或切割一层层的纸,或烧结一层层的粉末材料),或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等,形成各截面,逐步叠加成三维产品。它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工的组合.

工艺流程

(1)三维模型构造 由于RP系统只接受计算机构造的产品三维模型(立体图),然后才能进行切片处理,因而首先应在PC机或工作站上用CAD软件(如UG、Pro/E、I-DEAS等),根据产品要求设计三维模型;或将已有产品的二维三视图转换成三维模型;或在逆向工程中,用测量仪对已有的产品实体进行扫描,得到数据点云,进行三维重构。

(2)三维模型的近似处理 由于产品上往往有一些不规则的自由曲面,加工前必须对其进行近似处理。经过近似处理获得的三维模型文件称为STL格式文件,它由一系列相连空间三角形组成。典型的CAD软件都有转换和输出STL格式文件的接口,但有时输出的三角形会有少量错误,需要进行局部修改。

(3)三维模型的分层(Slicing)处理 由于RP工艺是按一层层截面轮廓来进行加工的,因此加工前须将三维模型上沿成形高度方向离散成一系列有序的二维层片,即每隔一定的间距分一层片,以便提取截面的轮廓。间隔的大小按精度和生产率要求选定。间隔越小,精度越高,但成形时间越长。间隔范围为0.05~0.5 mm,常用0.1 mm,能得到相当光滑的成形曲面。层片间隔选定后,成形时每层叠加的材料厚度应与其相适应。各种成形系统都带有Slicing处理软件,能自动提取模型的截面轮廓。

(4)截面加工 根据分层处理的截面轮廓,在计算机控制下,RP系统中的成形头(如激光扫描头或喷头)由数控系统控制,在x-y平面内按截面轮廓进行扫描,固化液态树脂(或切割纸,烧结粉末材料,喷射粘结剂、热熔剂和热熔材料),得到一层层截面。

(5)截面叠加 每层截面形成之后,下一层材料被送至已成形的层面上,然后进行后一层的成形,并与前一层面相粘结,从而将一层层的截面逐步叠合在一起,最终形成三维产品。

(6) 后处理 成形机成形完毕后,取出工件,进行打磨、涂挂,或者放进高温炉中烧结,进一步提高其强度(如3D-P工艺)。对于SLS工艺,将工件放入高温炉中烧结,使粘结剂挥发掉,以便进行渗金属(如渗铜)处理。

三维打印发展

3D打印,又称三维打印,在维基百科上面是这么解释的:快速成形技术的一种,它是运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过一层又一层的多层打印方式,构造零对象。模具制造、工业设计用 于建造模型,现正发展成产品制造,形成“直接数字化制造”。一些高价值应用(如髋关节或牙齿,或飞机零部件)已经有打印而成的零部件出现。“3D打印”意 味着这项技术的普及。

在20世纪80年代中期,SLS被在美国德州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利,项目由DARPA赞助的。1979年,类似过程由RF Housholder得到专利,但没有被商业化。

1995年,麻省理工创造了“三维打印”一词,当时的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson修改了喷墨打印机方案,变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案,而不是把墨水挤压在纸张上的方案。

说到3D打印,就不得不提3D打印机:

3D打印机又称三维打印机,是一种累积制造技术,通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造样品。 2003年以来三维打印机的销售逐渐扩大,价格也开始下降。

该技术可用于珠宝,鞋类,工业设计,建筑,工程和施工(AEC),汽车,航空航天,牙科和医疗产业,教育,地理信息系统,土木工程,和许多其他领域的。

最早的3D打印出现在上个世纪的80年代,价格极其昂贵且所能打印的产品数量也少得可怜。

过程原理: 3D打印技术每一层的打印过程分为两步,首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水 会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将会被“打印”成型,打印完毕后只要扫除松散的粉末即可 “刨”出模型,而剩余粉末还可循环利用。

3D打印技术使用胶水和粉末都是经过处理的特殊材料,不仅对固化反应速度有要求,对于模型强度以及“打印”分辨率都有直接影响。

技术优势: 3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本。与传统技术相比,三维打印技术还拥有如下优势:

通过摒弃生产线而降低了成本,大幅减少了材料浪费。而且,它还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形,让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器。另外,在具有良好设计概念和设计过程的情况下,三维打印技术还可以简化生产制造过程,快速有效又廉价地生产出单个物品。

另外,与机器制造出的零件相比,打印出来的产品的重量要轻60%,并且同样坚固。

打印试验

2013年10月21日,同济大学航空航天与力学学院教授沈海军透露,该学院微小飞机实验室的几名师生成功放飞了一架他们最新研制的微型飞机,而这架飞机采用了最新的三维打印制造技术。沈海军教授介绍,此次同济大学三维打印微型飞机成功试飞,在国内尚属首例,它展示了3D打印技术在微小飞机设计与制造领域上应用的可行性。

产业发展

三维CAD软件或将助3D打印产业破冰

过去国外三维CAD软件垄断市场的时候,天价般的费用让许多企业望而却步,也使得精通三维CAD软件的设计师占的比例不高。

据介绍,随着国内三维CAD软件品牌的崛起,如中望3D、CAXA等国内软件,整体市场价格开始回落到企业可接受的范围内。同时,三维CAD技术也逐渐呈现简单化、易用化的特点,掌握专业3D设计的人群越来越多。之前举办的中望3D全球圣诞设计比赛,许多第一次使用中望3D的参赛者都能设计出精美的3D作品,中望3D也委托国内3D打印专业资讯机构iCader,将其中的吉他作品打印成迷你的模型,作为比赛纪念品。据悉,中望3D2013版也增加了专门与3D打印机对接的功能。

3D打印技术发展前景不可限量,但基于目前的限制条件,仍需要理性看待。随着国内三维CAD软件与3D打印技术的对接越来越完善,相信3D打印不会只是噱头,而是真正成为第三次工业革命的推动力。

世界记录

2019年11月14日,吉尼斯世界纪录日列举大纪录。美国缅因大学的最大型3D打印机,打印出有史以来体积最大的打印物——一艘巨轮。

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