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3d打印技术原理及优点应用领域及目前存在的主要问题《资讯》

发布时间:2020-08-17 13:17:06 阅读: 来源:咖啡壶厂家

2018-05-18 08:15:00来源:贤集网 屈苗

3d打印技术是什么?确切的说,3d打印是一种以金属或者塑料等粘合剂作为打印材料,以数字模型为基础进行逐层打印的一种技术。通过电脑与3d打印机连接起来便可以将绘制的图纸打印出模型的一种手段。如今3d打印主要运用于传统制造业、医疗行业、文物保护行业、建筑设计行业和配件饰品行业,而且在这些行业中已经运用的比较广泛,在医疗行业中,3d打印还可以为器官移植患者量身打造所需器官,当然,打印人体器官需要特殊的高分子材料,才能做到不对人体排异!下面贤集网小编来为大家一一介绍关于3d打印技术的相关知识,包括:3d打印技术原理及优点、应用领域、目前存在的主要问题。

3d打印技术原理及优点

一、FdM打印技术

1、技术原理:

FdM(Fused deposition Modeling,熔融沉积)。FdM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化,同时三维喷头在计算机的控制下,根据截面轮廓信息,将材料选择性地涂敷在工作台上,快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后,机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下 一层,直至形成整个实体造型。

2、FdM技术的优点:

①操作环境干净、安全,材料无毒,可以在办公室、家庭环境下进行,没有产生毒气和化学污染的危险。

②无需激光器等贵重元器件,因此价格便宜。

③原材料为卷轴丝形式,节省空间,易于搬运和替换。

④材料利用率高,可备选材料很多,价格也相对便宜。

3、FdM技术的缺点:

①成形后表面粗糙,需后续抛光处理。最高精度只能为0.1mm。

②速度较慢,因为喷头做机械运动。

③需要材料作为支撑结构。

二、SLS打印技术

1、技术原理:

SLS(Selective Laser Sintering,粉末材料选择性激光烧结)。该技术采用铺粉将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面,并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度,控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描,使粉末的温度升到熔化点,进行烧结并与下面已成型的部分实现粘结。一层完成后,工作台下降一层厚度,铺料辊在上面铺上一层均匀密实粉末,进行新一层截面的烧结,直至完成整个模型。

2、SLS技术的优点:

①可用多种材料。其可用材料包括高分子、金属、陶瓷、石膏、尼龙等多种粉末材料。特别是金属粉末材料,是目前3d打印技术中最热门的发展方向之一。

②制造工艺简单。由于可用材料比较多,该工艺按材料的不同可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构建或部件及工具。

③高精度。一般能够达到工件整体范围内(0.05-2.5)mm的公差。

④无需支撑结构。叠层过程出现的悬空层可直接由未烧结的粉末来支撑。

⑤材料利用率高。由于不需要支撑,无需添加底座,为常见几种3d打印技术中材料利用率最高的,且价格相对便宜。

3、SLS技术的缺点:

①表面粗糙。由于原材料是粉状的,原型建造是由材料粉层经过加热熔化实现逐层粘结的,因此,原型表面严格讲是粉粒状的,因而表面质量不高。

②烧结过程有异味。 SLS工艺中粉层需要激光使其加热达到熔化状态,高分子材料或者粉粒在激光烧结时会挥发异味气体。

③无法直接成型高性能的金属盒陶瓷零件,成型大尺寸零件时容易发生翘曲变形。

④加工时间长。加工前,要有2小时的预热时间;零件构建后,要花5至10小时时间冷却,才能从粉末缸中取出。

⑤由于使用了大功率激光器,除了本身的设备成本,还需要很多辅助保护工艺,整体技术难度大,制造和维护成本非常高,普通用户无法承受

三、SLA打印技术

1、技术原理:

SLA(Stereo Lithography Apparatus,光敏树脂选择性固化)。在液槽中充满液态光敏树脂,其在激光器所发射的紫外激光束照射下,会快速固化(SLA与SLS所用的激光不同,SLA用的是紫外激光,而SLS用的是红外激光)。在成型开始时,可升降工作台处于液面以下,刚好一个截面层厚的高度。通过透镜聚焦后的激光束,按照机器指令将截面轮廓沿液面进行扫描。扫描区域的树脂快速固化,从而完成一层截面的加工过程,得到一层塑料薄片。然后,工作台下降一层截面层厚的高度,再固化另一层截面。这样层层叠加构成建构三维实体。

2、SLA技术的优点:

①发展时间最长,工艺最成熟,应用最广泛。在全世界安装的快速成型机中,光固化成型系统约占60%。

②成型速度较快,系统工作稳定。

③具有高度柔性。

④精度很高,可以做到微米级别,比如0.025mm。

⑤表面质量好,比较光滑:适合做精细零件。

3、SLA技术的缺点:

①需要设计支撑结构。支撑结构需要未完全固化时去除,容易破坏成型件。

②设备造价高昂,而且使用和维护成本都不低。SLA系统需要对液体进行操作的精密设备,对工作环境要求苛刻。

③光敏树脂有轻微毒性,对环境有污染,对部分人体皮肤有过敏反应。

④树脂材料价格贵,但成型后强度、刚度、耐热性都有限,不利于长时间保存。

⑤由于材料是树脂,温度过高会熔化,工作温度不能超过100℃。且固化后较脆,易断裂,可加工性不好。成型件易吸湿膨胀,抗腐蚀能力不强。

3d打印技术的应用领域

3d打印机的应用对象可以是任何行业,只要这些 行业需要模型和原型。目前,3d打印技术已在工 业设计、文化艺术、机械制造(汽车、摩托车)、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、雕刻、首饰等领域都得到了应用。随着技术自身的发展,其应用领域将不断拓展。这些应用主要体现在以下十个方面。

①设计方案评审。借助于3d打印的实体模型,不同专业领域(设计、制造、市场、客户)的人员可以对产品实现方案、外观、人机功效等进行实物评价。

②制造工艺与装配检验。3d打印可以较精确地制造出产品零件中的任意结构细节,借助3d打印的实体模型结合设计文件,就可有效指导零件和模具的工艺设计,或进行产品装配检验,避免结构和工艺设计错误。

③功能样件制造与性能测试。3d打印的实体原型本身具有一定的结构性能,同时利用3d打印技术可直接制造金属零件, 或制造出熔(蜡)模;再通过熔模铸造金属零件,甚至可以打印制造出特殊要求的功能零件和样件等。

④快速模具小批量制造。以3d打印制造的原型作为模板,制作硅胶、树脂、低熔点合金等快速模具,可便捷地实现几十件到数百件数量零件的小批量制造。

⑤建筑总体与装修展示评价。利用3d打印技术可实现模型真彩及纹理打印的特点,可快速制造出建筑的设计模型,进行建筑总体布局、结构方案的展示和评价。

⑥科学计算数据实体可视化。计算机辅助工程、地理地形信息等科学计算数据可通过3d彩色打印,实现几何结构与分析数据的实体可视化。

⑦医学与医疗工程。通过医学CT数据的三维重建技术,利用3d打印技术制造器官、骨骼等实体模型,可指导手术方案设计,也可打印制作组织工程和定向药物输送骨架等。

⑧首饰及日用品快速开发与个性化定制。利用3d打印制作蜡模,通过精密铸造实现首饰和工艺品的快速开发和个性化定制。

⑨动漫造型评价。借助于动漫造型评价可实现动漫等模型的快速制造, 指导和评价动漫造型设计。

⑩电子器件的设计与制作。利用3d打印可在玻璃、柔性透明树脂等基板上,设计制作电子器件和光学器件, 如RFId、太阳能光伏器件、OLEd等。

3d打印技术目前存在的主要问题

3d打印技术已经取得了显著的进展,但仍存在以下几方面问题。

①3d打印的耗材。耗材是目前制约3d打印技术广泛应用的关键因素。目前已研发的材料主要有塑料、树脂和金属等,然而3d打印技术要实现更多领域的应用,就需要开发出更多的可打印材料,根据材料特点深入研究加工、结构与材料之间的关系,开发质量测试程序和方法,建立材料性能数据的规范性标准等。此外,在一些关键产业领域,寻找合适的材料也是一大挑战,例如空客概念飞机的仿真结构,要求机身必须透明且有很高的硬度。为符合这些要求就需要研发新型的复合材料。XeroxPARC研究中心的研究人员正在致力于可打印电子产品的新工艺研究,但是目前的可用原料还不多。 在打印材料方面,以色列Objet公司处于领先地位。最近,该公司宣布为Connex系列多材料3d打印机新开发了39种新的“数字材料”,可供客户选择的基本材料已多达107种。这些材料的质地、韧性、刚度、强度都各不相同。该公司目前可提供90种“数字材料”,这些材料都是由公司提供的基本材料复合而成,这样可使设计师、工程师和制造商能够非常精确地模拟其最终产品的材料性能。用户使用Connex多材料3d打印机,可以在一个模型中同时使用多达14种不同硬度和透明度的材料。 此外,目前对金属材料进行3d打印的需求尤为迫切,如工具钢、不锈钢、钛合金、镍基合金、银和金等,但目前这些打印技术尚未完全突破。

②3d打印机本身。据报道,世界上目前只有一 种3d打印机能够同时打印出多种材料的产品。由于3d打印工艺发展还不完善,快速成型零件的精度和表面质量大多不能满足工程直接使用要求,只能做原型使用。 3d打印产品由于采用叠加制造工艺,层与层之间连接得再紧密,目前也很难与传统锻件相媲美。

③3d打印的价格。目前, 3d打印不具备规模经济的优势,价格方面的优势尚不明显。目前,1kg打印材料少则几百元,多则要4万元左右,因此3d打印技术在一段时间里还无法全面取代传统制造技术。但是在单件小批量、个性化订制和网络社区化生产方面,对于大多数产品来说,不管打印1件还是100件,价格都相差无几,因而3d打印具有无可比拟的优势。

④知识产权的保护。3d打印技术的意义不仅在于改变资本和工作的分配模式,而且也在于它能改变知识产权的规则。该技术的出现使制造业的成功不再取决于生产规模,而取决于创意。然而,单靠创意也是很危险的,模仿者和创新者都能轻而易举地在市场上快速推出新产品,极有可能就像当初的音乐领域一样面临盗版的威胁。

⑤3d打印机的操作技能。3d打印技术需要依靠数字模型来进行生产,但是对普通用户来说学会使用计算机辅助设计工具(CAd)还是有一定难度。但随着社会发展,未来会有越来越多的学生学习并掌握这方面的技能,而且企业也会提供一些简单的产品数据库,用户不必学会3d设计技能就能制作模型,就像傻瓜相机的发展一样。

⑥政策方面。3d技术的研发需要大量的政府投入或产业界的资金支撑。如在医疗领域,可能会因缺少食品和药品监管部门的许可,造成许多临床医疗产品应用的滞缓等。

以上是贤集网小编为大家讲述的3d打印技术原理及优点、应用领域、目前存在的主要问题。随着人口的不断增长,城市化进程的发展,人们对空中交通的需求不断增加,这促使了航空航天部门的扩张,而这又促进了飞机需求的增长。印度和中国等亚太地区国家就经历了空中交通需求增长,飞机制造商也因此增多。”航空航天工业所需的发动机结构件能用3d金属打印技术制造。由于3d金属打印技术制造出的发动机结构件更轻,并且质量更稳定,使得这种技术在飞机制造商中越来越受欢迎。从行业发展的角度来看,整个3d打印产业链都存在巨大的潜在发展空间,对人才的需求也会越来越大。

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