三维打印成型技术最新研究进展

快速成型技术论文作业题目:三维打印成型技术最新研究进展姓名：山海明学号：1000404042专业：材料成型与控制工程院系：机械工程学院2013年10月28日摘要三维打印成形技术不同工艺的工作原理、最新研究现状和主要的三维打印机性能特点,列举一些三维打印应用例子,三维打印成型设备的最新产品与技术情况，最后展望三维打印成形技术的发展前景.关键词快速成型三维打印喷射术技三维打印成型是一种快速原型技术，可将计算机设计的三维模型构建成三维实体。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。３ＤＰ技术与ＳＬＡ，ＳＬＳ，ＦＤＭ和ＬＯＭ技术一样，都是基于离散／堆积制造思想的快速成形技术。３ＤＰ成形技术是一种基于喷射技术，从喷嘴喷射出液态微滴或连续的熔融材料束，按一定路径逐层堆积成形的ＲＰ技术。三维打印也称粉末材料选择性黏结，其工艺原理［５］如图１所示。喷头在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，在铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射黏结剂，使部分粉末黏结，形成截面层。一层完成后，工作台下降一个层厚，铺粉，喷黏结剂，再进行后一层的黏结，如此循环形成三维产品。黏结得到的制件要置于加热炉中，作进一步的固化或烧结，以提高黏结强度。黏结成形３ＤＰ工艺原理图Ｆｉｇ．１Ｂｏｎｄ３ＤＰｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍ２．２３ＤＰ成形工艺的工作流程３ＤＰ技术是一个多学科交叉的系统工程，涉及ＣＡＤ／ＣＡＭ技术、数据处理技术、材料技术、激光技术和计算机软件技术等，其成形工艺过程包括模型设计、分层切片、数据准备、打印模型及后处理等步骤。在采用３ＤＰ设备制件前，必须对ＣＡＤ模型进行数据处理。由ＵＧ，Ｐｒｏ／Ｅ等ＣＡＤ软件生成ＣＡＤ模型，并输出ＳＴＬ文件，必要时需采用专用软件对ＳＴＬ文件进行检查并修正错误。但此时生成的ＳＴＬ文件还不能直接用于三维打印，必须采用分层软件对其进行分层。层厚大，精度低，但成形时间快；相反，层厚小，精度高，但成形时间慢。分层后得到的只是原型一定高度的外形轮廓，此时还必须对其内部进行填充，最终得到三维打印数据文件。３ＤＰ具体工作过程如下：１）采集粉末原料；２）将粉末铺平到打印区域；３）打印机喷头在模型横截面定位，喷黏结剂；４）送粉活塞上升一层，实体模型下降一层以继续打印；５）重复上述过程直至模型打印完毕；６）去除多余粉末，固化模型，进行后处理操作。一、三维打印成型工艺的最新研究进展与成果３ＤＰ技术是美国麻省理工学院ＥｍａｎｕａｌＳａ－ｃｈｓ［３］等人开发的。３ＤＰ技术改变了传统的零件设计模式，真正实现了由概念设计向模型设计的转变。近几年来，３ＤＰ技术在国外得到了迅猛的发展。美国ＺＣｏｒｐ公司与日本ＲｉｋｅｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ于２０００年研制出基于喷墨打印技术的、能够作出彩色原型件的三维打印机。该公司生产的Ｚ４００，Ｚ４０６及Ｚ８１０打印机是采用ＭＩＴ发明的基于喷射黏结剂黏结粉末工艺的３ＤＰ设备。２０００年底以色列的ＯｂｊｅｃｔＧｅｏｍｅｔｒｉｅｓ公司推出了基于结合３ＤＩｎｋ－Ｊｅｔ与光固化工艺的三维打印机Ｑｕａｄｒａ。美国３ＤＳｙｓｔｅｍｓ、荷兰ＴＮＯ以及德国ＢＭＴ公司等都生产出自己研制的３ＤＰ设备。目前清华大学、西安交通大学、上海大学等国内高校和科研院所也在积极研发此类设备。３ＤＰ技术在国外的家电、汽车、航空航天、船舶、工业设计、医疗等领域已得到了较为广泛的应用，但在国内尚处于研究阶段。自美国麻省理工学院提出基于喷射黏接剂黏接粉末工艺的３ＤＰ成形技术以来，经过十几年的发展，国外已经开发出多种新材料新工艺的成形技术，并已生产出相应的三维打印机。根据其使用的不同材料类型，３ＤＰ成形技术可分为黏接材料三维打印成形、光敏材料三维打印成形和熔融材料三维打印成形３种工艺。二、三维打印成型设备的最新产品与技术情况三维打印前商品化的高端ＲＰ系统价格昂贵，运行成本高，对环境要求较高，且需专门人员操作和日常维护。因此，基于喷射技术的三维打印成形（ＴｈｒｅｅＤｉｍｅｎ－ｓｉｏｎａｌＰｒｉｎｔｉｎｇ，３ＤＰ）技术由于其设备和材料便宜、运行成本低、操作简单、成形无污染、适合办公室环境，且打印速度快，可制作精细、复杂的零件［２］，已成为近年来ＲＰ行业研究和应用的热点。１３ＤＰ成形技术的发展现状３ＤＰ技术是美国麻省理工学院ＥｍａｎｕａｌＳａ－ｃｈｓ［３］等人开发的。３ＤＰ技术改变了传统的零件设计模式，真正实现了由概念设计向模型设计的转变。近几年来，３ＤＰ技术在国外得到了迅猛的发展。美国ＺＣｏｒｐ公司与日本ＲｉｋｅｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ于２０００年研制出基于喷墨打印技术的、能够作出彩色原型件的三维打印机。该公司生产的Ｚ４００，Ｚ４０６及Ｚ８１０打印机是采用ＭＩＴ发明的基于喷射黏结剂黏结粉末工艺的３ＤＰ设备。２０００年底以色列的ＯｂｊｅｃｔＧｅｏｍｅｔｒｉｅｓ公司推出了基于结合３ＤＩｎｋ－Ｊｅｔ与光固化工艺的三维打印机Ｑｕａｄｒａ。美国３ＤＳｙｓｔｅｍｓ、荷兰ＴＮＯ以及德国ＢＭＴ公司等都生产出自己研制的３ＤＰ设备。目前清华大学、西安交通大学、上海大学等国内高校和科研院所也在积极研发此类设备。３ＤＰ技术在国外的家电、汽车、航空航天、船舶、工业设计、医疗等领域已得到了较为广泛的应用，但在国内尚处于研究阶段。自美国麻省理工学院提出基于喷射黏接剂黏接粉末工艺的３ＤＰ成形技术以来，经过十几年的发展，国外已经开发出多种新材料新工艺的成形技术，并已生产出相应的三维打印机。根据其使用的不同材料类型，３ＤＰ成形技术可分为黏接材料三维打印成形、光敏材料三维打印成形和熔融材料三维打印成形３种工艺［４］。２３ＤＰ成形技术的基本原理及流程２．１３ＤＰ成形技术的基本原理３ＤＰ技术与ＳＬＡ，ＳＬＳ，ＦＤＭ和ＬＯＭ技术一样，都是基于离散／堆积制造思想的快速成形技术。３ＤＰ成形技术是一种基于喷射技术，从喷嘴喷射出液态微滴或连续的熔融材料束，按一定路径逐层堆积成形的ＲＰ技术。三维打印也称粉末材料选择性黏结，其工艺原理［５］如图１所示。喷头在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，在铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射黏结剂，使部分粉末黏结，形成截面层。一层完成后，工作台下降一个层厚，铺粉，喷黏结剂，再进行后一层的黏结，如此循环形成三维产品。黏结得到的制件要置于加热炉中，作进一步的固化或烧结，以提高黏结强度。图１黏结成形３ＤＰ工艺原理图Ｆｉｇ．１Ｂｏｎｄ３ＤＰｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍ２．２３ＤＰ成形工艺的工作流程３ＤＰ技术是一个多学科交叉的系统工程，涉及ＣＡＤ／ＣＡＭ技术、数据处理技术、材料技术、激光技术和计算机软件技术等，其成形工艺过程包括模型设计、分层切片、数据准备、打印模型及后处理等步骤。在采用３ＤＰ设备制件前，必须对ＣＡＤ模型进行数据处理。由ＵＧ，Ｐｒｏ／Ｅ等ＣＡＤ软件生成ＣＡＤ模型，并输出ＳＴＬ文件，必要时需采用专用软件对ＳＴＬ文件进行检查并修正错误。但此时生成的ＳＴＬ文件还不能直接用于三维打印，必须采用分层软件对其进行分层。层厚大，精度低，但成形时间快；相反，层厚小，精度高，但成形时间慢。分层后得到的只是原型一定高度的外形轮廓，此时还必须对其内部进行填充，最终得到三维打印数据文件。３ＤＰ具体工作过程如下：１）采集粉末原料；２）将粉末铺平到打印区域；３）打印机喷头在模型横截面定位，喷黏结剂；４）送粉活塞上升一层，实体模型下降一层以继续打印；５）重复上述过程直至模型打印完毕；６）去除多余粉末，固化模型，进行后处理操作。三、三维打印成型技术用材料研究现状TiAl3金属间化合物具有低密度（3.3g/cm3）、高弹性模量（157GPa）、高熔点（1350～1400℃）和良好的抗氧化性能等优点，有望用于航空、航天工业热结构领域。但是，TiAl3的室温断裂韧性低（2MPa·m1/2）、难于成型的特点限制了其应用[11-12]。Al2O3具有高硬度（18GPa）和高模量（杨氏模量386GPa，剪切模量175GPa），具有作为弥散相增强增韧的功能。而Al2O3增韧TiAl3复合材料（TiAl3—Al2O3）具有密度低、硬度高、抗腐蚀、抗磨损以及良好的高温抗氧化性能。熔体渗透法是将低熔点金属熔化渗入多孔陶瓷中制备陶瓷-金属以及陶瓷基复合材料的通用工艺。将熔体铝渗入多孔氧化钛陶瓷中可反应合成TiAl3—Al2O3复合材料[13-14]，反应如下所示：13Al+3TiO2=3TiAl3+2Al2O3。目前，多孔陶瓷制备方法主要有冷压成型结合高温预烧结，熔体渗透工艺包括挤压铸造和气压渗透工艺。采用由30vol.%TiO2—70vol.%Al2O3组成的多孔陶瓷进行挤压铸造或气压渗透Al，所制备的TiAl3—Al2O3复合材料具有相互穿插的网络结构，各相结合致密、取向随机分布，其抗弯强度为543MPa、断裂韧性8.6MPa·m1/2、硬度5.7GPa[14]。如果在渗透过程中仅靠毛细管力使渗透过程自发进行，则称之为无压反应熔体渗透工艺（简称反应熔体渗透）。渗透速度取决于熔体在多孔陶瓷表面的润湿性，一般随着渗透温度的升高润湿性有所改善。采用粉体混合、成型、烧结工艺制备陶瓷或陶瓷基复合材料时，材料体积收缩高达20%；而反应熔体渗透法成本低，可实现构件的近尺寸制备以及多孔体的致密化。最近，Yin等人采用三维打印工艺制备氧化钛多孔陶瓷，并采用无压反应熔体法渗透铝，合成了TiAl3—Al2O3复合材料，建立了近尺寸制备复杂形状TiAl3—Al2O3复合材料部件的工艺基础[15]。Al2O3和TiAl3都是脆性材料，复合材料的断裂韧性很难进一步提高，并且抗热震性能差，这成为制约TiAl3-Al2O3复合材料广泛应用的瓶颈。四、三维打印成型的应用现状三维打印快速成形技术与其他快速成形技术相比具有众多优点，被认为是快速成形领域最有生命力的新技术之一，具有良好的发展潜力和广阔的应用前景。随着快速成形技术及相关学科的发展，３ＤＰ必将得到越来越广泛的应用。目前３ＤＰ成形技术还有很大的发展空间：１）体积小型化，桌面化。三维打印机在普及的过程中，为了方便人们使用，将出现更加经济、外形更加小巧、更适合办公室环境的的机型。２）新材料的研究与开发。目前相对于其他ＲＰ技术，３ＤＰ成形技术可供选择的材料范围较小，需进一步研究开发出更多具有良好综合性能的成形材料，以满足各个行业的需要。３）软件集成化。实现ＣＡＤ／ＣＡＰＰ／ＲＰ一体化，由于现有的三维打印系统和ＣＡＤ系统之间必须经过一个接口作为过渡才能进行通讯，目前普遍采用ＳＴＬ文件格式，它将三维ＣＡＤ模型进行近似处理，生成三角面片的文件，然后再进行切片分层。在这过程中不可避免地会出现缺陷，影响了成形精度和效率。４）新工艺的开发和设备的改进随着喷射技术的进步，开发新工艺，在三维打印机上实现高端ＲＰ设备的一些高级功能，进一步提高原型件的表面质量和尺寸精度。参考文献［１］朱林泉，白培康，朱江淼．快速成形与快速制造技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００３：８－１４．［２］李晓燕，张曙，余灯广．三维打印成形粉末配方的优化设计［Ｊ］．机械科学与技术，２００６，２５（１１）：１３４３－１３４６．［3］伍咏晖，李爱平，张曙．三维打印成形技术的新进展［Ｊ］．机械制造，２００５（１２）：６２－６４．［4］赵志文，程昌圻，韩秀坤．快速原型制造技术及应用［Ｊ］．北京理工大学学报，１９９４（１０）：５８－６５．［5］李晓燕，张曙．三维打印成形技术在制药工程中的应用［6］刘厚才，莫健华，刘海涛．三维打印快速成形技术及其应用［Ｊ］．机械科学与技术，２００８，２７（９）：１１８４－１１９０．械设计与制造，２００６（５）：１０４－１０７．［7］伍咏晖．彩色三维打印成形技术及应用［Ｊ］．机械工程师。