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5大3D打印技术概念与原理深入剖析

www.cechina.cn2016.04.05阅读 5432

  3D打印机的原理是以一种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。由于在3D打印机原理中把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加,因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件,极大地提高了生产效率和制造柔性。
  这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、庞大的机床、众多的人力,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件。并且材料利用率达到90%以上,大大降低了材料成本。
  主要技术类别
  到目前为止,比较流行的3D打印技术种类主要包括SLA/DLP技术、FDM熔融层积成型技术、3DP 技术、SLS选区激光烧结/SLM选区激光熔融等。
  (一)SLA/DLP技术
  SLA是“Stereo lithography Appearance”的缩写,即立体光固化成型法。用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由点到线,由线到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面,这样层层叠加构成一个三维实体。
  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1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www.cechina.cn,还可以通过在原料中加入其它成分,用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。
  DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似,不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物,逐层的进行光固化,由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化,因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高,在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。
  (二)FDM熔融层积成型技术
  FDM即是Fused Deposition Modeling,熔融挤出成型工艺的材料一般是热塑性材料,如ABS、PC、尼龙等,以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料挤出CONTROL ENGINEERING China版权所有,材料迅速固化,并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成,上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加,层片轮廓的面积和形状都会发生变化,当形状发生较大的变化时,上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用,这就需要设计一些辅助结构——“支撑”,对后续层提供定位和支撑,以保证成形过程的顺利实现。
  这种工艺不用激光,使用、维护简单,成本较低。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC,PC/ABS,PPSF等更高强度的成形材料,使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点,该工艺发展极为迅速,目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额最大。
  (三)3DP技术
  3DP即3D printing,采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术,通过将液态连结体铺放在粉末薄层上, 以打印横截面数据的方式逐层创建各部件,创建三维实体模型,采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩,还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上,模型样品所传递的信息较大。
  美国麻省理工大学的Emanual Sachs教授于1989年申请了三维印刷技术(3DP)的专利。这是一种以陶瓷、金属等粉末为材料,通过粘合剂将每一层粉末粘合到一起,通过层层叠加而成型。1993年,粉末粘合成型工艺是实现全彩打印最好的工艺,使用石膏粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等作为材料,是目前最为成熟的彩色3D打印技术。
  (四)SLS选区激光烧结技术/SLM激光熔融技术
  SLS选区激光烧结技术,即Selective Laser Sintering,和3DP技术相似,同样采用粉末为材料。所不同的是,这种粉末在激光照射高温条件下才能融化。喷粉装置先铺一层粉末材料,将材料预热到接近熔化点,在采用激光照射,将需要成型模型的截面形状扫描,使粉末融化,被烧结部分粘合到一起。通过这种过程不断循环www.cechina.cn,粉末层层堆积,直到最后成型。
  SLS最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carlckard 于1989年在其硕士论文中提出的。后美国 DTM 公司于 1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。几十年来,奥斯汀分校和 DTM 公司在SLS领域做了大量的研究工作,在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作,并开发了相应的系列成型设备。其中,激光烧结技术是成型原理最为复杂、成型条件最高、设备及材料成本最高的3D打印技术,也是目前对3D打印技术发展影响最为深远的技术。目前,SLS技术成型材料的种类很多,可以是尼龙、蜡、陶瓷、金属等。
  (五)LOM 技术
  分层实体制造法LOM(Laminated Object Manufacturing),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4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控制工程网版权所有,利用热粘压装置将已切割层粘合在一起,然后再进行切割www.cechina.cn,这样一层层地切割、粘合,最终成为三维工件。
  LOM 技术主要用于快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。除了可以制造模具、模型外,LOM技术还可以直接制造构件或功能件,其制件性能相当于高级木材。目前,LOM技术常用材料是敷有热敏胶的纤维纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等。LOM技术的特点是工作可靠,模型支撑性好,成本低,效率高。缺点是前、后处理费时费力,且不能制造中空结构件。
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