3D打印与激光快速成形技术介绍

3D打印技术其实是比较通俗的说法，学术上对这一技术的称呼为：激光堆积型技术或激光快速成型技术。”金属3D打印技术其实就是电脑设计3D图形，利用激光产生的高温烧结金属粉末，产生金属构件。激光快速成形/制造工艺（RapidPrototyping或RapidManufacturing，简称RP或者RM）基于离散-堆积原理，根据三维计算机数字模型，采用逐层堆积的方法成形零件，适合于个性化、小批量、形状复杂、中空等零部件制造。RM工艺具有无模特点，在新产品开发的小批量试制阶段具有无可比拟的优势，缺点是不适合大批量生产，而该工艺在国内尚处于初级试用阶段。 3D打印技术之快速成形原理快速成形原理随着全球市场一体化进程的加速，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为竞争的主要矛盾。同时，制造业需要满足日益变化的用户需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。快速成形(RP-Rapid Prototyping)技术是一种用材料逐层堆积出制件的制造方法。它是基于离散堆积成形思想的新型成形技术，集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。快速原型制造(RPM-Rapid Prototyping Manufacturing)技术是使用RP技术，由CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术的总称。采用该技术能在几小时或几十小时内直接从CAD三维实体模型制作出原型，与图纸和计算机屏幕提供的信息相比，快速成形提供了一个信息更丰富、更直观的实体。特别是在产品开发阶段，利用快速成形技术全面考虑各种因素，力争使开发能够一次获得成功，从而缩短开发周期，提高产品质量，降低成本，避免开发的投资风险。一、快速成形的原理与特点 1．【快速成形原理】　　快速成形是一种离散/堆积的加工技术，其基本过程是首先将计算机生成的零件三维实体沿某一坐标轴进行分层处理（离散），得到每层截面的一系列二维截面数据，按特定的成形方法（LOM、SLS、FDM、SLA等）每次只加工一个截面，然后自动叠加（堆积）一层成形材料，这一过程反复进行直到所有的截面加工完毕生成三维实体原型。（1）C AD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型；（2）将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）；（3）根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码；（4）成形机制造一系列层片并自动将它们堆积起来，得到三维物理实体。 2．快速成形的特点：　　快速成形技术将一个实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，具有如下特点：（1）成形全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场；（2）可以制造任意复杂形状的三维实体；（3）用CAD模型直接驱动，实现设计与制造高度一体化，其直观性和易改性为产品的完美设计提供了优良的设计环境；（4）成形过程无需专用夹具、模具、刀具，既节省了费用，又缩短了制作周期。（5）技术的高度集成性，既是现代科学技术发展的必然产物，也是对它们的综合应用，带有鲜明的高新技术特征。以上特点决定了快速成形法主要适合于新产品开发，快速单件及小批量零件制造，复杂形状零件的制造，模具与模型设计与制造，也适合于难加工材料的制造，外形设计检查，装配检验和快速反求工程等。二、快速成形的基本工艺方法　　快速成形技术始于20世纪80年代初期，至今已有十几种不同的快速成形方法和系统，目前，SLA、LOM、SLS和FDM四种技术是快速成形技术的主流。各种快速成形工艺的基本原理是一致的，其差别仅在于堆积成三维工件的薄片所采用的原材料、由原材料构成的截面轮廓的方法和截面层间的连接方式不同。下表为快速成形常用的原材料。材料形态液态固态粉末固态片材固态丝材材料品种光固化树脂蜡粉尼龙粉覆膜陶瓷粉钢粉覆膜钢粉覆膜纸覆膜塑料覆膜陶瓷箔覆膜金属箔蜡丝 ABS丝快速成形材料种类 1、【光固化成形(SLA——Stereo Lithography Apparatus)法】　　SLA是最早实用化的快速成形技术，采用液态光敏树脂原料，工艺原理如图所示。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后，当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；然后升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。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要求的产品。　　SLA技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，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。 2．【分层实体制造（LOM——Laminated Object Manufacturing）法】　　LOM又称层叠法成形，它以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，其成形原理如图所示，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。该方法的特点是原材料价格便宜、成本低。 1-激光器2-铺粉滚筒3-激光窗 4-加工平面5-原料粉末6-生成零件SLS快速成形原理　　SLS法采用各种固态粉末（金属、陶瓷、蜡粉、塑料等）为材料，如图所示，先在工作台上铺上一薄层均匀的粉末，利用加热装置将其加热至略低于熔点的温度，然后用激光束在计算机的控制下，按照零件截面轮廓信息进行有选择的扫描，对粉末进行加热，直至熔化，使粉末颗粒相互粘结而形成工件的实体部分。在非扫描区，粉末仍是松散的。这样一层层烧结后，去除未烧结的粉末，即得到三维工件。该方法可以加工出能直接使用的金属、塑料、陶瓷件，但制品的强度不高。主要用于生产塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。 4.【熔积成型（FDM——Fused Deposition Modeling）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1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y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。该方法污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。下图为FDM成形原理图。 FOM成形原理　　RP技术已经在许多领域里得到了应用，其应用范围主要在设计检验、市场预测、工程测试(应力分析、风道等)、装配测试、模具制造、医学、美学等方面。RP技术在制造工业中应用最多（达到67%），说明RP技术对改善产品的设计和制造水平具有巨大的作用。　　目前快速成形技术还存在许多不足，下一步研究开发工作主要在以下几方面：（1）改善快速成形系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高快速成形系统的制作精度；（2）开发经济型的快速成形系统；（3）快速成形方法和工艺的改进和创新；（4）快速模具制造的应用；（5）开发性能良好的快速成形材料；（6）开发快速成形的高性能软件等。据国外媒体报道，虽然“3D打印”这一说法已经存在了25年之久，但直到目前为止该技术的应用领域还十分有限。不过，这一情况有可能在不久的未来迎来改变。据悉，已计划利用该技术打造出一块完整的飞机机翼。据腾讯科技报道，之外，本届美国政府也将3D打印技术放在了十分重要的地位上。奥巴马政府认为3D打印技术可以帮助美国更好的同人力成本更低的国家进行竞争。因此，奥巴马政府斥资3000万美元成立了一家专注研究3D打印技术的学院。据悉，该学院将于8月中旬正式投入运作。根据Businesweek报道，一家跟踪3D打Wohlers Associates称，如今3D打印机的市场规模在17亿美元左右。随着销售量的迅猛增长，公司预测，到2015年该市场的规模将达37亿美元。著名的《经济学人》最近描述了3D打印技术的前景——这是一种新型的生产方式，能够促成第三次工业革命。在人们的认知中，工业革命以往发生过两次。第一次工业革命以蒸汽机的发明为标志，认为新的技术革命产生了流水式作业的方式，单一大批量的生产某种产品，这催生了工厂与工人，也让制造业从原始的手工制造转为机械制造。第二次工业革命同样也是一次技术革命，以电力、无线电、钢铁和化学等领域的巨大发展为标志，在各个不同领域进步的影响下，人们的生产方式也发生了变化，这一次工厂不再满足于单一产品的生产，而是转为大规模生产。(证券时报网快讯中心那么第三次工业革命与前两次工业革命相比，有何不同之处?《经济学人》指出，在3D打印技术得到广泛运用的情况下，制造业也许不再运用工厂这种将人力、资金、设备等生产要素大规模集中化的生产方式，而转变为一种以3D打印机为基础的，更加灵活、所需要投入更少的生产方式。《经济学人》将这种趋势称之为“社会化制造(Social Manufacturing)”，当这种方式得到广泛的运用，那么每个人都可以是一家工厂。从事着建筑和设计行业的人，对3D打印技术其实并不陌生，因为他们经常需要用到一种叫“快速成型”的技术，将设计的原型给制作出来，展示给客户看。在从前，这种原型的制作非常麻烦，因为工厂首先需要制作一个模具，然后把原料浇铸在里面，这样才能把原型制作出来。但当工厂制作完成之后，模具就变得没有用处——这种生产方式浪费原料，生产成本自然比较高，所需要的生产周期自然也比较长。与这种先制作模具，然后才能把设计原型制作出来的生产方式相比，3D打印机拥有相当的优异性，它能够一次性、直接地把客户所需要的设计原型给制作出来。由于无需经过制作模具这一步骤，客户能够节约时间，工厂能够节约成本，同时所制作出来的物体，也将和设计图纸一样，能够更加精确。原因在于，3D打印机能够直接将物体“打印”出来——首先人们能够通过电脑创建一个三维设计图，然后打印机对这个立体原型进行“切片”，分成一层一层的，然后打印机开始工作，将原材料按照设计图一层又一层的叠加上去，直到最终成型。当然，3D打印机所使用的材料，自然不是喷墨打印机里面的墨水，而是一些可以发生固化反应的材料，现在可以作为原材料的东西已经多种多样，包括树脂、塑料、陶瓷、金属等等。 3D打印技术的部署成本越来越低，以现在的价格，几乎每个人都可以拥有一台3D打印机。而随着选材范围越来越广，3D打印机可制作的物品越来越多，从汽车、飞机零件，到食物，到人体器官等等。