3D打印技术

3D打印技术2013年5月5日，25岁的德克萨斯大学法律系学生科迪·威尔森首次完全使用3D打印技术制造出一把手枪，并成功发射了子弹，随后他把手枪的设计图纸发布在自己的网站DEFCAD上，自从上传3D打印手枪图纸以来两天，下载量就已超过10万次。3D打印技术，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新型成型技术。3D打印作为一种新型的快速成型技术，目前正受到越来越多的关注。2012年英国《经济学人》杂志制作专题论述了当今工业领域正在经历的第三次革命，认为这次革命是互联网和新材料、新能源相结合的工业革命，3D打印技术作为“第三次工业革命的重要标志”，将成为改变未来世界新的创造性科技。一、概述二、原理及特点3D打印是利用设计产品的3D数据，采用分层、叠加成形的原理进行打印，其工艺流程一般可分为三维建模、数据分割、打印、后处理四步。三维建模分割三维数据成二维打印后处理1、三维建模三维建模是3D打印的基础，即在打印之前需在三维软件中对所制作产品进行建模，因此3D打印需计算机辅助设计(CAD)技术的参与。建模过程可使用AutoCAD、Pro/e、Solidworks等主流软件完成，需注意的是在整个建模过程中产品尺寸要准确无误，打印机是严格根据这些数据来控制产品最终外形的。原理：2、分割三维数据成二维数据在三维建模完成后，打印机将三维数据分割为二维数据，即把整个三维模型沿水平面“切割”成一定数量的二维薄片，对应每一个薄片生成其平面尺寸数据。此过程是在打印机内部完成的，切成薄片的数量是由制作材料及打印机自身决定的，理论上讲，分割的层数越多(薄片数量越多)，将来打印出的产品尺寸也就越接近于原始设计数据。3、打印打印时可看到喷嘴中喷出的材料形成的二维图形，过程类似于喷墨打印机，所不同的是喷墨打印机逐行喷绘完整个图案时即结束工作，而3D打印机在完成了第一层喷绘后会在其基础上进行第二层喷绘，数据分割流程中产生了多少薄片就进行相应数量层数的喷绘。由此可见，3D打印实际是利用材料自身厚度经逐层堆积后形成三维产品的，各层之间的结合一般是靠喷嘴中喷出的胶水来粘接，固打印时可看到喷一层材料粉末，再喷一层胶水的工艺过程。4、后处理打印好的三维产品要经过后处理才能出厂或使用，后处理工艺一般包括剥离、固化、修整、上色等。此类设备在运行时会先在产品底部喷出一定高度的底座来，然后在此基础上打印正式产品，这样做的好处是可避免因产品底部与工作台直接接触在剥离时而成的损坏，因此当打印好后只需将此底座整个拿下并仔细与产品剥离即可。对于使用树脂等材料加工的产品还需进行光固化，固化后在经一定的细节修整和上色等工艺就可完成整个打印过程。总的来说，其原理很简单，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。完成后，要处理掉物品周围沾满的粉末，这是可以循环利用的，再涂上增强硬度的胶水。特点：优点：1.最直接的好处就是节省材料，不用剔除边角料，提高材料利用率，通过摒弃生产线而降低了成本；2.在可以表现出外形曲线上的设计的同时能做到很高的精度和复杂程度；3.相对制作周期短：相对传统产品塑形来说，3D打印的制作周期无疑是更短的，因其不用专门制作模具，更无需将各部件分多种加工工艺来生产，直接根据三维建模数据来生成整个外观或各零部件进行装配，并且可胜任传统加工无法制造的复杂外形，因此3D打印就具备大大提升生产效率的先天优势。4.它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效的缩短产品研发周期；5.3D打印能在数小时内成形。它让设计人员和开发人员实现了从平面图到实体的飞跃；6.是它能打印出组装好的产品，因此它大大降低了组装成本。它甚至可以挑战大规模生产方式。不足：任何一个产品都应该具有功能性，而如今由于受材料等因素限制，通过3D打印制造出来的产品在实用性上要打一个问号。1.存在成本高、工时长的软肋：3D打印仍是非常昂贵的技术，由于用于增材制造的材料研发难度大等原因，导致3D打印制造成本较高，一般达到每克10—100元；制造效率不高，尤其在金属材料成形方面，大约每小时100—3000克。目前增材制造技术在我国主要应用于产品研发，且制造成本高，制造效率低，制造精度尚不能令人满意。3D打印目前并不能取代传统制造业。2.在规模化生产方面尚不具备优势：目前3D打印技术尚不具备取代传统制造业的条件，在大批量制造等方面，高效低成本的传统减材制造法更胜一筹。3D打印技术目前尚且不具备直接生产像汽车这样复杂的混合材料产品，即使该技术在未来取得长足进步，完全打印一辆车只怕要耗时好几个月，在成本上远远高于大规模生产车时均摊到每辆车上的成本。所以，对于生产有大量刚性需求的产品来说，具有规模经济优势的大规模生产仍比重点放在个性化、可定制的3D打印生产方式更加经济。3.使用材料比较单一：现在真正利用在工业制造领域的3D打印产品还非常有限，更多的是用来做模型、模具来减化生产环节。而在民用方面，3D打印更像是工艺品的一种制造方法，实用性也非常有限。3D打印材料需求的丰富性可能还需要10年左右，才能突破现在的瓶颈。3D打印机三、主要打印材料的性能与特点ABS系列材料：ABS稳定的材料特性，有助进行准确的功能性测试；优越的机械性能及热性能材料，能够制作贴近真实产品的3D原型；不同型号材料有不同性能指标。光敏树脂材料：性能和特点接近ABS材料的光敏树脂，表面细节光滑细腻;世界上唯一能够在一个单一的三维打印模型结合不同的成型材料添加剂层制造（软硬胶结合、透明与不透明材料结合）。蜡质材料：喷蜡立体打印，表面光滑；蜡模生产系统，用于精密铸造，超越以前纯模型制作与展示功能。可用于标准熔模材料和铸造工艺的熔模铸造应用，是制作珠宝、服饰、医疗器械、机械部件、雕塑、复制品、收藏品进行石蜡模型失蜡铸造工艺。尼龙系列材料：以固体粉末材料直接成型三维实体零件，不受零件形状复杂程度的限制，不需要任何的工装模具，直接将CAD三维模型转换为实体零件。具有杰出的机械性能和耐温性能，常用于功能原型的制作。表面相对来讲比较粗糙，但都能充分满足设计师所要表达样件功能验证效果。高性能复合石膏材料：提供丰富颜色选项目，从64种基本色到无限延伸的颜色组合，满足不同需求；表面相对来讲比较粗糙，但都能满足设计所要表达效果。非常适合制鞋、服装、手袋、建筑模型、玩具设计外观表现效果表达和3D照相馆人像和个性化定制。材料-taulman645Taulman3D日前宣布推出一款采用1.75mm尼龙聚合物的名为taulman645打印材料。taulman645具有非常高的强度，耐久性和优异的粘连性。Taulman3D官方称目前该款3D打印材料的成型效果甚至与金属材料相媲美。高强度超耐用的注塑材料3DSystems发布了最新的注塑材料VisiJetM3Black,这种新材料主要提供给ProJet3500/3510professional工业级3D打印机使用。VisiJetM3Black是目前3DSystems推出的最结实和最耐用的材料，它有点类似注塑的材料，能够经受严格的测试与使用。VisiJetM3Black非常适用于各种卡扣结构和强度要求非常高的应用场合。具有韧性可弯曲的新材料Orbi-Tech是德国著名的3D打印丝材制造商，其发布了最新研发的打印丝材-BendLay。是由著名的德国设计师KaiParthy主持研发的。Bendlay是一种具有弹性的材料，该材料的特性就在于可弯曲并且有弹性。“当ABS太硬、PLA又不够紧密的时候，Bendlay就有用武之地了。”Bendlay材料特征：1、颜色清澈像聚碳酸酯。2、打印温度介于215°C到240°C之间。3、最好的粘附性在温度达到240°C的时候4、热稳定性与PLA材料接近5、Bendlay是由ABS改进而来，打印的成品适用于食物包装和医疗器械。6、吸水率仅为ABS材料的30%。7、应力弯曲后不会出现白点。8、可溶于丙酮，可使用丙酮对Bendlay材料表面进行抛光处理。新型尼龙丝材意大利3NTR公司推出了一种专门为3D打印机配备的新型尼龙丝材。这种直径为3mm的聚酰胺-6丝材由99.9％PA6聚合物、无玻璃纤维和0.1％的肥皂缓和处理而成，且不含塑化剂。这种材料在灵活性上比不上Taulman的尼龙材料，但是在打印支撑结构时其抗腐蚀和动态负载的特性就是明显的优势。这种聚酰胺-6材料有点类似ABS，打印的温度在240~280摄氏度之间，层厚设置小于0.25mm时其能发挥最佳的打印效果。支持的最高打印速度为70m/s，当打印速度为40m/s时能获得最大的粘附力。新型弹性材料知名3D打印服务商Shapeways近日发明一种名为ElastoPlastic的新型弹性3D打印材料。其最大的特点是即使成型之后，仍然具有一定的柔韧性，支持外界用力挤压、扭曲甚至是拉扯等，并且弹性十足，回弹效果十分出色。有趣的是，它还能够防水，可以作为容纳液体的容器使用。据悉这里材料支持3D激光打印机层层烧结成型。不过它并不耐火、高温和不太适合制作细小的物件。目前它还处理测试阶段。新型生物降解材料目前，3D打印技术打印材料多是环氧乙稀塑料（环氧乙稀树脂），这是一种耐久物质，但是打印出的物体光滑度不行。几家公司正在研究其他一些可兼容材料，这些材料也可以被熔融沉积型打印机兼容。美国波特兰市的“潮流设计”建筑设计工作室里，已研究出一些持久并可生物降解的打印材料，这些材料使打印物独特纹理和光滑表面。盐，水泥，尼龙或者木浆和纸浆都是可能的材料。物体表面被涂了一层清漆或是使用了加固配件以保持物体的耐久性。材料-Laywood-D3德国Laywood-D3丝材是非常常用的打印材料，主要是由PLA和木粉混合制成的。打印出来的物件材质手感很不错，还带有特殊的木质香气。材料硬度不高，容易变形，不适合需要承载高强度应力的应用。彩色618尼龙材料Taulman的“618”高强度尼龙聚合材料是专门为3D打印设计的材料。618材料虽然非常轻巧，但具有高的强度和耐久性。高强度的“618”尼龙材料另一个优点是，它很容易通过使用标准的织物染料（纺织品和纸张类染料）易进行染色。你可以非常简单地把材料染成任何你喜欢的颜色。染色后的材料可以正常地进行打印，唯一不同的是打印温度上升至235℃。超韧性材料巴黎时装周上模特在T台展示3D打印时装，是由Materialise公司发明的一种新材料：TPU92A-1构成，这种材料超强的物理性能。这种材料拥有非常好的弹性和韧性，能够在受到高强外力的情况下快速恢复原来形状。可溶解支撑材料HIPS意思是高抗冲聚苯乙烯，是全世界用于生产使用最多的高分子材料。因为它的强度、卫生、蓄热等特性，也被广泛的应用在食品包装上。它外表白色且光亮并且被认为对人类和动物没有毒性。HIPS在柠檬烯中是可溶的，柠檬烯是一种无色伴有橘子的味道的液烃。四、应用理论上来讲，3D打印技术可用于各个领域，以下列举的是目前3D打印涉足较多且取得较好效果的行业，相信随着技术的进一步发展，3D打印终将出现在各行各业的日常生产及应用中。医疗美国一家儿科医学中心利用3D打印技术成功制造出全球第一颗人类心脏，这颗用塑料打印出的心脏可以像正常人类心脏一样正常跳动。外科医生能够利用3D打印心脏来练习复杂的手术。3D打印血管德国Fraunhoferinstitutes的跨学科研究小组宣布，解开了3D打印血管的奥秘。3D打印骨头Open3DP创新小组向世界宣布3D打印在骨头上的应用。医疗-维克森林大学维克森林大学的安东尼·阿塔拉博士展示一个3D打印肾脏原型。阿塔拉博士使用的3D打印机使用一种类似凝胶的生物可降解材料，逐层打印肾脏。维克森林大学，阿塔拉的研究小组利用3D打印技术打印的耳朵支架，随后在上面“播撒”皮肤细胞，培育出仿真度极高的人造