3D打印文献综述

3D打印文献综述摘要：3D打印是一种快速成形技术，它以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印技术，涉及信息技术、材料科学、精密机械等多个方面，该技术已逐步投入到工业应用。本文从文献研究入手，介绍3D打印机的原理和技术，几种常见的3D打印方法以及在各领域的应用和出现的产品；最后讨论了目前3D打印应用的前景、优势和不足。关键词：3D打印；3D打印原理；3D打印种类；3D打印应用一、3D打印3D打印（3Dprinting）是快速成型技术的一种，也称为增材制造技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。快速成型技术诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术。3D打印技术被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”，早在20世纪90年代中期就已出现，但由于价格昂贵，技术不成熟，早期并没有得到推广普及。经过20多年的发展，该技术已更加娴熟、精确，且价格有所降低。二、3D打印原理和过程“3D打印”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”，与电脑连接后，通过电脑控制采用分层加工，叠加成型的方式来“造型”，会将设计产品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域洒一层特殊胶水，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。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，加工过程仅需确定所需塑料、树脂、金属等物料，材料耗费仅相当于传统制造的十分之一，而误差可轻易控制到0.1mm之内。3D打印是一种直接数字化制造技术，是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它无需生产线，亦可制造那些常规方法无法生产的奇形怪状的零件。3D打印主要分为四个步骤：建模、切片、打印和后处理。各步骤简要介绍如下：三维建模通过Pro/E或其他三维绘图软件建立该零部件实体模型，保存成相应的格式，以便导入到打印机中。通常设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。2、切片由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入到电脑中以后，需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理，即将模型切分成一层层的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。3、打印由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到二维空间中，先喷一层胶水，然后在上面撒一层粉末，如此反复；或是通过高能激光融化合金材料，一层一层地熔结成模型。4、后期处理模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等等，才能最终完成所需要的模型的制作。三、3D打印材料在3D打印领域，材料是技术的核心之一，可以使用很多种材料，如陶瓷、钢化玻璃、石膏、无机粉料、ABS塑料、PLA(聚乳酸尼龙、玻璃填充聚胺、光固化材料、银、钛、钢、蜡、干膜和聚碳酸脂等。目前打印出来的材料以ABS(热塑料）和树脂为主，材质在机器内“熔化”，通过不同比例的材料混合，可以产生出将近120种软硬不同的新材料。1.工程塑料：指被用做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。⑴PC材料，是真正的热塑性材料，具备工程塑料的所有特性。高强度，耐高温，抗冲击，抗弯曲，可以作为最终零部件使用，应用于交通工具及家电行业。⑵PC-ISO材料，是一种通过医学卫生认证的热塑性材料，广泛应用于药品及医疗器械行业，可以用于手术模拟，颅骨修复，牙科等专业领域。⑶PC-ABS材料，是一种应用最广泛的热塑性工程塑料，应用于汽车，家电及通信行业。2.光敏树脂：即是UV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（250-300纳米）照射下立刻引起聚合反应完成固化。一般为液态，一般用于制作高强度、耐高温、防水等的材料。⑴Somos19120材料为粉红色材质，铸造专用材料。成型后直接代替精密铸造的蜡膜原型，避免开模具的风险，能缩短周期。拥有低留灰烬和高精度等特点。⑵Somos11122材料为半透明材质，类ABS材料。抛光后能做到近似透明的艺术效果。此种材料广泛用于医学研究、工艺品制作和工业设计等行业。⑶SomosNext材料为白色材质，类PC新材料，材料韧性较好，精度和表面质量更佳，制作的部件拥有最先进的刚性和韧性结合。另外3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。四、3D打印技术3D打印的技术主要包括SLA、FDM、SLS、LOM等工艺，简要介绍如下：1.SLA技术SLA是“StereolithographyAppearance”的缩写，即立体光固化成型法。SLA是最早实用化的3D打印技术，采用液态光敏树脂原料。其工作原理是，通过CAD设计出三维模型，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，加工完毕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，第二层牢固地粘结在前一层上，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。2.LOM技术LOM是“LaminatedObjectManufacturing”的缩写，即分层实体制造法，又称层叠法成形。箔材叠层实体制作是根据三维CAD模型每个截面的轮廓线，在计算机控制下，发出控制激光切割系统的指令，使切割头作X和Y方向的移动。供料机构将地面涂有热溶胶的箔材（如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔材）一段段的送至工作台的上方。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓用二氧化碳光束对箔材沿轮廓线将工作台上的箔材割出轮廓线，并将无轮廓区切割成小碎片。然后，由热压机构将一层层箔材压紧并粘合在一起。可升降工作台支撑正在成型的工件，并在每层成型之后，降低一个层厚，以便送进、粘合和切割新的一层箔材。最后形成由许多小废料块包围的三维原型零件。取出并将多余的废料小块剔除，最终获得三维产品。3.SLS技术SLS是“SelectiveLaserSintering”的缩写，即选择性激光烧结。SLS打印机工作面由粉末缸和成型缸组成，粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激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。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后将未烧结的粉末回收到粉末缸，并取出成型件。在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。4.FDM技术FDM是“FusedDepositionModeling”的缩写，即熔积成型法，是一种将各种丝材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加热熔化进而堆积成型方法。FDM工作原理是：加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层画出截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。五、3D打印的应用领域近年来,3D打印技术发展迅速,在各领域都取得了长足发展，已成为现代模型、模具和零部件制造的有效手段,在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定应用，在工程和教学研究等领域也占有独特地位。具体应用领域包括：1、机械制造：3D打印技术制造飞机零件、自行车、步枪、赛车零件等。2、医疗行业：在医学领域，借助3D打印制作假牙，股骨头、膝盖等骨关节技术应用也非常广，技术越来越成熟。3、建筑行业：工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美，完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。4、汽车制造行业：用3D打印技术为汽车公司制造自动变速箱的壳体。汽车公司会对变速箱进行各种极端状况下的测试，其中一些零件就是用3D打印方法做的。定型了以后，再开模具，然后按照传统制造方法批量生产，这样成本就会大大降低。5、教育：可应用于模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印机已经被用于教学和科研。6、消费品：可应用于珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造。7、文化创意和数码娱乐：可作为形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影《阿凡达》运用3D打印技术塑造了部分角色和道具，3D打印技术制造的小提琴接近了手工艺的水平。最新产品在3D打印技术日渐成熟的趋势下，越来越来多的科学家和工程研究人员，甚至于建筑设计师等都致力于3D打印技术新产品的开发，以下举几个例子来具体说明3D打印技术的高速发展。图1.3D打印机打印出的无人飞机图2.3D打印建筑”D-Shape”航模飞机：在2012年，美国弗吉尼亚大学工程系的研究人员采用最新的3D打印技术制造了一架无人飞机，机翼宽6.5英尺（约合1.9米），巡航时速达到45英里（约合72千米）。2012年8月和9月初，研究小组在弗吉尼亚州米尔顿机场附近进行了4次飞行测试，这是迄今第三架用于建造飞行的3D打印飞机，巡航速度可达到45英里/小时。3D打印建筑：意大利发明家EnricoDini设计出来的“D-Shape”，可以使用砂砾层、无机粘结剂打印出一幢两层小楼。尽管如此强大，让它打印一座庞大的建筑也太难了，Dini因此建议只用它打印整体结构，外部则使用钢纤维混凝土来填充。图3.世界首款3D打印汽车3D打印汽车：世界上第一款3D打印汽车面世，这次不是玩具，而是真正能开上马路的汽车。据《连线》杂志报道，Urbee2是一款三轮的混合动力汽车，它的所有零部件都是3D打印出来的。正如Makerbot和Form1正在重新定义制造业，Urbee正在致力于改变我们制造汽车的方式。当然，还有例如骨骼3D打印技术、3D打印心脏、3D打印房屋、3D打印珠宝等等新产品的不断出现，标示着3D打印技术在各行业的快速发展。六、心得体会3D打印技术代表制造业发展新趋势，它和其他一些数字化生产模式的涌现，将推动实现第三次工业革命。随着生产速度和质量的不断提升以及打印装置和材料的改进，将会有越来越多的3D打印新产品不断出现。3D打印可以完成很多在现在看起来匪夷所思的事，从某种角度来说，很多想象的到的东西，都可以通过3D打印直接得到。在未来3D打印还有可能走进千家万户，融入到我们的生活中，像电脑一样普及。参考文献孙晓林.3D打印技术的应用[J].[2013-07-13].刘红光,杨倩,刘桂锋,刘琼.国内外3D打印快速成型技术的专利情报分析.[J][2013-06]李青.3D打印—一种新兴的学习技术.[C][2013-05-15]王忠宏，李扬帆，张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路.[J][2013-01-04]