3d打印其實(shí)并不神秘，也不是一項(xiàng)嶄新的技術(shù)，其實(shí)3D打印早已在工業(yè)應(yīng)用的領(lǐng)域默默奉獻(xiàn)了近三十年?？偟膩碚f，物體成型的方式主要有以下四類：減材成型、受壓成型、增材成型、生長成型。
減材成型：
主要是運(yùn)用分離技術(shù)把多余部分的材料有序地從基體上剔除出去，如傳統(tǒng)的車、銑、磨、鉆、刨、電火花和激光切割都屬于減材成型。
受壓成型：
主要利用材料的可塑性在特定的外力下成型，傳統(tǒng)的鍛壓、鑄造、粉末冶金等技術(shù)都屬于受壓成型。受壓成型多用于毛坯階段的模型制作，但也有直接用于工件成型的例子，如精密鑄造、精密鍛造等凈成型均屬于受壓成型。
增材成型：
又稱堆積成型，主要利用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法通過有序地添加材料而堆積成型的方法。
生長成型：
指利用材料的活性進(jìn)行成型的方法，自然界中的生物個(gè)體發(fā)育屬于生長成型。隨著活性材料、仿生學(xué)、生物化學(xué)和生命科學(xué)的發(fā)展，生長成型技術(shù)將得到長足的發(fā)展。
3d打印技術(shù)從狹義上來說主要是指增材成型技術(shù)，從成型工藝上看3d打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)成型方法通過快速自動(dòng)成型系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型結(jié)合，無需任何附加的傳統(tǒng)模具制造和機(jī)械加工就能夠制造出各種形狀復(fù)雜的原型，這使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周幾大大縮短，生產(chǎn)成本大幅下降。
為了能讓大家對3D打印技術(shù)有一個(gè)更加深刻的理解，下面小編將會為大家介紹幾項(xiàng)主流的3D打印技術(shù)原理。
LOM：分層實(shí)體成型工藝
分層實(shí)體成型工藝（Laminated Object Manufacturing，LOM），這是歷史最為悠久的3D打印成型技術(shù)，也是最為成熟的3D打印技術(shù)之一。LOM技術(shù)自1991年問世以來得到迅速 的發(fā)展。由于分層實(shí)體成型多使用紙材、PVC薄膜等材料，價(jià)格低廉且成型精度高，因此受到了較為廣泛的關(guān)注，在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)可視化、造型設(shè)計(jì)評估、裝配檢 驗(yàn)、熔模鑄造等方面應(yīng)用廣泛。下面我們一起了解一下LOM技術(shù)的原理：
分層實(shí)體成型系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)、原材料存儲與運(yùn)送部件、熱粘壓部件、激光切系統(tǒng)、可升降工作臺等部分組成。
其中計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)接收和存儲成型工件的三維模型數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要是沿模型高度方向提取的一系列截面輪廓。原材料存儲與運(yùn)送部件將把存儲在其中的原材料（底面涂有粘合劑的薄膜材料）逐步送至工作臺上方。
激光切割器將沿著工件截面輪廓線對薄膜進(jìn)行切割，可升降的工作臺能支撐成型的工件，并在每層成型之后降低一個(gè)材料厚度以便送進(jìn)將要進(jìn)行粘合和切割的新一層材料，最后熱粘壓部件將會一層一層地把成型區(qū)域的薄膜粘合在一起，就這樣重復(fù)上述的步驟直到工件完全成型。
LOM工藝 采用的原料價(jià)格便宜，因此制作成本極為低廉，其適用于大尺寸工件的成型，成型過程無需設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，多余的材料也容易剔除，精度也比較理想。盡管如此，由 于LOM技術(shù)成型材料的利用率不高，材料浪費(fèi)嚴(yán)重頗被詬病，又隨著新技術(shù)的發(fā)展LOM工藝將有可能被逐步淘汰（SD300桌面3D打印機(jī)揭秘！LOM“減材制造”也有春天？）。
SLA：立體光固化成型工藝
立體光固化 成型工藝（Stereolithography Apparatus，SLA），又稱立體光刻成型。該工藝最早由Charles W.Hull于1984年提出并獲得美國國家專利，是最早發(fā)展起來的3D打印技術(shù)之一。Charles W.Hull在獲得該專利后兩年便成立了3D Systems公司并于1988年發(fā)布了世界上第一臺商用3D打印機(jī)SLA-250。SLA工藝也成為了目前世界上研究最為深入、技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為 廣泛的一種3D打印技術(shù)。
SLA工藝以光敏樹脂作為材料，在計(jì)算機(jī)的控制下紫外激光將對液態(tài)的光敏樹脂進(jìn)行掃描從而讓其逐層凝固成型，SLA工藝能以簡潔且全自動(dòng)的方式制造出精度極高的幾何立體模型。下面我們一起了解一下SLA技術(shù)的原理：
液槽中會先盛滿液態(tài)的光敏樹脂，氦—鎘激光器或氬離子激光器發(fā)射出的紫外激光束在計(jì)算機(jī)的操縱下按工件的分層截面數(shù)據(jù)在液態(tài)的光敏樹脂表面進(jìn)行逐行逐點(diǎn)掃描，這使掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)而固化從形成工件的一個(gè)薄層。
當(dāng)一層樹脂固化完畢后，工作臺將下移一個(gè)層厚的距離以使在原先固化好的樹脂表面上再覆蓋一層新的液態(tài)樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平然后再進(jìn)行下一層 的激光掃描固化。因?yàn)橐簯B(tài)樹脂具有高粘性而導(dǎo)致流動(dòng)性較差，在每層固化之后液面很難在短時(shí)間內(nèi)迅速撫平，這樣將會影響到實(shí)體的成型精度。采用刮板刮平后所 需要的液態(tài)樹脂將會均勻地涂在上一疊層上，這樣經(jīng)過激光固化后將可以得到較好的精度，也能使成型工件的表面更加光滑平整。
新固化的一層將牢固地粘合在前一層上，如此重復(fù)直至整個(gè)工件層疊完畢，這樣最后就能得到一個(gè)完整的立體模型。
當(dāng)工件完全成型后，首先需要把工件取出并把多余的樹脂清理干凈，接著還需要把支撐結(jié)構(gòu)清除掉，最后還需要把工件放到紫外燈下進(jìn)行二次固化。
SLA工藝成型效率高，系統(tǒng)運(yùn)行相對穩(wěn)定，成型工件表面光滑精度也有保證，適合制作結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜的模型，能夠直接制作面向熔模精密鑄造的中間模。盡管 SLA的成型精度高，但成型尺寸也有較大的限制而不適合制作體積龐大的工件，成型過程中伴隨的物理變化和化學(xué)變化可能會導(dǎo)致工件變形，因此成型工件需要有 支撐結(jié)構(gòu)。
目前，SLA工藝所支持的材料還相當(dāng)有限且價(jià)格昂貴，液態(tài)的光敏樹脂具有一定的毒性和氣味，材料需要避光保存以防止提前發(fā)生聚合反應(yīng)。SLA成型的成品硬 度很低而相對脆弱，小編在一次3D打印體驗(yàn)活動(dòng)（iCader帶您走進(jìn)中科院探秘3D打印”活動(dòng)簡報(bào)：華南地區(qū)的3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟呼之欲出）中看到了 SLA成品觸地碎裂的情況。此外，使用SLA成型的模型還需要進(jìn)行二次固化，后期處理相對復(fù)雜。
SLS：選擇性激光燒結(jié)工藝
選擇性激光 燒結(jié)工藝（Selective Laser Sintering，SLS），該工藝最早是由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard于1989年在其碩士論文中提出的，隨后 C.R.Dechard創(chuàng)立了DTM公司并于1992年發(fā)布了基于SLS技術(shù)的工業(yè)級商用3D打印機(jī)Sinterstation。
二十年多年 來奧斯汀分校和DTM公司在SLS工藝領(lǐng)域投入了大量的研究工作，在設(shè)備研制和工藝、材料開發(fā)上都取得了豐碩的成果。德國的EOS公司針對SLS工藝也進(jìn) 行了大量的研究工作并且已開發(fā)出一系列的工業(yè)級SLS快速成型設(shè)備，在2012年的歐洲模具展上EOS公司研發(fā)的3D打印設(shè)備大放異彩。
在國內(nèi)也有許多科研單位開展了對SLS工藝的研究，如南京航空航天大學(xué)、中北大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢濱湖機(jī)電產(chǎn)業(yè)有限公司、北京隆源自動(dòng)成型有限公司、湖南華曙高科等。
SLS工藝使用的是粉末狀材料，激光器在計(jì)算機(jī)的操控下對粉末進(jìn)行掃描照射而實(shí)現(xiàn)材料的燒結(jié)粘合，就這樣材料層層堆積實(shí)現(xiàn)成型。
選擇性激光燒結(jié)加工的過程先采用壓輥將一層粉末平鋪到已成型工件的上表面，數(shù)控系統(tǒng)操控激光束按照該層截面輪廓在粉層上進(jìn)行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點(diǎn)，從而進(jìn)行燒結(jié)并于下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘合。
當(dāng)一層截面燒結(jié)完后工作臺將下降一個(gè)層厚，這時(shí)壓輥又會均勻地在上面鋪上一層粉末并開始新一層截面的燒結(jié)，如此反復(fù)操作直接工件完全成型。
在成型的過程中，未經(jīng)燒結(jié)的粉末對模型的空腔和懸臂起著支撐的作用，因此SLS成型的工件不需要像SLA成型的工件那樣需要支撐結(jié)構(gòu)。SLS工藝使用的材料與SLA相比相對豐富些，主要有石蠟、聚碳酸酯、尼龍、纖細(xì)尼龍、合成尼龍、陶瓷甚至還可以是金屬。
當(dāng)工件完全成型并完全冷卻后，工作臺將上升至原來的高度，此時(shí)需要把工件取出使用刷子或壓縮空氣把模型表層的粉末去掉。
SLS工藝支持多種材料，成型工件無需支撐結(jié)構(gòu)，而且材料利用率較高。盡管這樣SLS設(shè)備的價(jià)格和材料價(jià)格仍然十分昂貴，燒結(jié)前材料需要預(yù)熱，燒結(jié)過程中材料會揮發(fā)出異味，設(shè)備工作環(huán)境要求相對苛刻。
FDM：熔融沉積成型工藝
熔融沉積成 型工藝（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）是繼LOM工藝和SLA工藝之后發(fā)展起來的一種3D打印技術(shù)。該技術(shù)由Scott Crump于1988年發(fā)明，隨后Scott Crump創(chuàng)立了Stratasys公司。1992年，Stratasys公司推出了世界上第一臺基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)——“3D造型者（3D Modeler）”，這也標(biāo)志著FDM技術(shù)步入商用階段。
國內(nèi)的清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京殷華公司、中科院廣州電子技術(shù)有限公司都是較早引進(jìn)FDM技術(shù)并進(jìn)行研究的科研單位。FDM工藝無需激光系統(tǒng)的支持，所用的成型材料也相對低廉，總體性價(jià)比高，這也是眾多開源桌面3D打印機(jī)主要采用的技術(shù)方案。
熔融沉積有 時(shí)候又被稱為熔絲沉積，它將絲狀的熱熔性材料進(jìn)行加熱融化，通過帶有微細(xì)噴嘴的擠出機(jī)把材料擠出來。噴頭可以沿X軸的方向進(jìn)行移動(dòng)，工作臺則沿Y軸和Z軸 方向移動(dòng)（當(dāng)然不同的設(shè)備其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也許不一樣），熔融的絲材被擠出后隨即會和前一層材料粘合在一起。一層材料沉積后工作臺將按預(yù)定的增量下降一個(gè) 厚度，然后重復(fù)以上的步驟直到工件完全成型。
熱熔性絲材（通常為ABS或PLA材料）先被纏繞在供料輥上，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)有D(zhuǎn)，絲材在主動(dòng)輥與從動(dòng)輥的摩擦力作用下向擠出機(jī)噴頭送出。在供料輥和噴頭之間有一導(dǎo)向套，導(dǎo)向套采用低摩擦力材料制成以便絲材能夠順利準(zhǔn)確地由供料輥送到噴頭的內(nèi)腔。
噴頭的上方有電阻絲式加熱器，在加熱器的作用下絲材被加熱到熔融狀態(tài)，然后通過擠出機(jī)把材料擠壓到工作臺上，材料冷卻后便形形成了工件的截面輪廓。
采用FDM工藝制作具有懸空結(jié)構(gòu)的工件原型時(shí)需要有支撐結(jié)構(gòu)的支持，為了節(jié)省材料成本和提高成型的效率，新型的FDM設(shè)備會采用了雙噴頭的設(shè)計(jì)，一個(gè)噴頭負(fù)責(zé)擠出成型材料，另外一個(gè)噴頭負(fù)責(zé)擠出支撐材料。
一般來說， 用于成型的材料絲相對更精細(xì)一些，而且價(jià)格較高，沉積效率也較低。用于制作支撐材料的絲材會相對較粗一些，而且成本較低，但沉積效率會更高些。支撐材料一 般會選用水溶性材料或比成型材料熔點(diǎn)低的材料，這樣在后期處理時(shí)通過物理或化學(xué)的方式就能很方便地把支撐結(jié)構(gòu)去除干凈。
3DP：三維印刷工藝
三維印刷工 藝（Three-Dimension Printing，3DP），該技術(shù)由美國麻省理工大學(xué)的Emanual Sachs教授發(fā)明于1993年，3DP的工作原理類似于噴墨打印機(jī)，是形式上最為貼合“3D打印”概念的成型技術(shù)之一。3DP工藝與SLS工藝也有著類 似的地方，采用的都是粉末狀的材料，如陶瓷、金屬、塑料，但與其不同的是3DP使用的粉末并不是通過激光燒結(jié)粘合在一起的，而是通過噴頭噴射粘合劑將工件 的截面“打印”出來并一層層堆積成型的。
首先設(shè)備會把工作槽中的粉末鋪平，接著噴頭會按照指定的路徑將液態(tài)粘合劑（如硅膠）噴射在預(yù)先粉層上的指定區(qū)域中，此后不斷重復(fù)上述步驟直到工件完全成型 后除去模型上多余的粉末材料即可。3DP技術(shù)成型速度非?？?，適用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，也適用于制作復(fù)合材料或非均勻材質(zhì)材料的零件。
PolyJet：聚合物噴射技術(shù)
PolyJet聚合物噴射技術(shù)是以色列Objet公司于2000年初推出的專利技術(shù)，PolyJet技術(shù)也是當(dāng)前最為先進(jìn)的3D打印技術(shù)之一，它的成型原理與3DP有點(diǎn)類似，不過噴射的不是粘合劑而是聚合成型材料。
PolyJet的噴射打印頭沿X軸方向來回運(yùn)動(dòng)，工作原理與噴墨打印機(jī)十分類似，不同的是噴頭噴射的不是墨水而是光敏聚合物。當(dāng)光敏聚合材料被噴射到工作臺上后，UV紫外光燈將沿著噴頭工作的方向發(fā)射出UV紫外光對光敏聚合材料進(jìn)行固化。
完成一層的噴射打印和固化后，設(shè)備內(nèi)置的工作臺會極其精準(zhǔn)地下降一個(gè)成型層厚，噴頭繼續(xù)噴射光敏聚合材料進(jìn)行下一層的打印和固化。就這樣一層接一層，直到整個(gè)工件打印制作完成。
工件成型的過程中將使用兩種不同類型的光敏樹脂材料，一種是用來生成實(shí)際的模型的材料，另一種是類似膠狀的用來作為支撐的樹脂材料。
這種支撐材料由過程控制被精確的添加到復(fù)雜成型結(jié)構(gòu)模型的所需位置，例如是一些懸空、凹槽、復(fù)雜細(xì)節(jié)和薄壁等等的結(jié)構(gòu)。當(dāng)完成整個(gè)打印成型過程后，只需要使用Water Jet水槍就可以十分容易地把這些支撐材料去除，而最后留下的是擁有整潔光滑表面的成型工件。
使用PolyJet聚合物噴射技術(shù)成型的工件精度非常高，最薄層厚能達(dá)到16微米。設(shè)備提供封閉的成型工作環(huán)境，適合于普通的辦公室環(huán)境。此外，PolyJet技術(shù)還支持多種不同性質(zhì)的材料同時(shí)成型，能夠制作非常復(fù)雜的模型。
以上就是對3d打印技術(shù)原理的詳細(xì)介紹
|
|
全部評論13