1、3D打印快速制造技术研究摘要：3D打印技术又称快速成形技术、快速原型制造、增材制造技术。它起源于20世纪90年代前期,是最近20年来制造业领域的一个重大成果,被称作“第三次工业革命”三大重要技术之一。本文主要针对3D打印快速制造技术的工作原理、适用材料、制造工艺与应用前景进行了分析研究。分析表明，3D打印技术无法完全替代传统制造工艺：3D打印机的体积小型化、一体化是未来发展趋势。关键词：3D打印,原理，材料，前景3d printing rapid manufacturing technology researchAbstract :3d printing is also called rapi
2、d prototyping technology, rapid prototyping, increase material manufacturing technology. It originated in the early 1990 s, is a major achievement in the field of manufacturing industry in recent 20 years, is known as the third industrial revolution one of the three important technology.Mainly for 3
3、d printing working principle of rapid manufacturing technology, suitable materials, manufacturing technology and application prospects were analysed. Analysis showed that 3d printing technology cannot completely replace the traditional manufacturing process: the volume of a 3d printer miniaturizatio
4、n, integration is the development trend in the future.Keywords：3DPrinting，The principle, material, prospects 目 录1 绪论11.1研究的目的及意义11.2主要研究内容11.3国内外3D打印技术发展现状11.3.1国际情况11.3.2国内情况32 3D打印快速制造技术42.1 工作原理42.2 适用材料52.2.1 3D打印材料分类62.2.2 3D打印材料基本性能62.2.3 3D打印光固化成型材料72.2.4 3D打印粉末烧结成型材料92.2.5 3D打印熔融沉积材料103 制造工艺
5、113.1 3D打印技术的制造工艺113.2 3D打印与传统制造业的比较123.3 3D打印技术的优势144 应用154.1 3D打印的应用154.2 3D打印的发展前景184.3 3D打印的未来主要趋势195 展望20结论22参考文献23致谢24261 绪论1.1 研究的目的及意义3D打印(3DPrinting)技术又称快速成形技术、快速原型制造(Raid PortoPyting Mnaufacturing,RPM)、增材制造技术1。它起源于20世纪90年代前期,是最近20年来制造业领域的一个重大成果,被称作“第三次工业革命”三大重要技术之一。3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉
6、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2-5。而3D打印机则是利用光固化和纸层叠等技术的一种快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。如今这一技术在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。3D打印技术让产品从设计到制造之间只相隔一个“打印”按钮的距离。由它引领的“第三次工业革命”将由大规模制造转向个人化生产，改变制造的流程，从而打破跨国代工的产业链，让制造业工厂重新回归发达国家。1.2 主要研究内容1）3D打印快速制
7、造技术的工作原理。2）3D打印快速制造技术的适用材料、制造工艺。3）3D打印快速制造技术的应用前景。1.3 国内外3D打印技术发展现状1.3.1 国际情况经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。目前，在全球3D打印机行业，美国3D Systems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业，研发团队还有美国的FabHome和Shapeways、英国的Reprap等。3D
8、Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印领域的龙头地位。Stratasys公司2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。继2011年5月收购Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速 崛起。目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电
9、子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。1.3.2 国内情况自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料；西安交通大学自主研制了三维打
10、印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到0.2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。近年来，国内如深圳维示泰克、南京紫金立德、北京殷华、江苏敦超等企业已实现了3D打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前，国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服
11、务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发6。2 3D打印快速制造技术2.1 工作原理三维打印技术是使用喷头喷出粘结剂，选择性地将零件的截面“印刷”在材料粉末上面，最后层层将各个截面粘结起来。可用于制造复杂形状的模型、中空模型，或者制造复合材料或非均匀材料的模型等。图2.1是三维打印成型机的剖面示意图。其工艺是先由铺粉辊从左往右移动。将供粉缸里的粉末在成型缸上均匀铺上一层。然后按照计算机上设计好的零件模型，由打印头在第一层粉末上喷出零件底层截面的形状。然后成型缸平台
12、向下移动一定距离，再由铺粉辊从供粉缸中平铺一层粉末到刚才打印完的粉末层上，然后再由打印头按照第二层截面的形状喷洒粘结剂，层层递进，最后得到的零件整体是由各个横截面层层重叠起来的7。3D打印的主要工作流程如图2.2所示。其中3D建模是3D打印的前提，相当于平面印刷中的“原稿”，3D建模质量的好坏决定了3D打印的质量。一般现有的3D建模软件都可以实现建模，比如CAD、Pro/e等矢量建模软件，都可以轻易地实现3D建模。3D分割将建立的3D模型分成一个个的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料及打印机的结构决定。厚度一般为几十微米到几百微米不等。分割工序也是由软件来实现，类似于打印机的驱动程序。喷墨打印中将
13、成型材料一层层喷涂在基材上。目前比较流行的做法是先喷一层胶水，然后再在上面撒一层粉末，如此反复。喷头一般可采用喷墨打印机的喷头，比如Scans E.M和Cima M.J.等人最初使用的是HP的热气泡喷头。目前也有一些设备厂商提供专用的喷头。打印完成后，还需要对打印出来的3D模型进行后处理，比如固化处理、剥离、模型的修整等等，最终完成所需要的模型的制作。2.2 适用材料3D打印制造技术是一种跨学科交叉技术，其材料是该项技术的核心，一种材料的出现直接决定了制造技术成型工艺，设备结构，成型件的性能等。3D打印技术也不例外。从1982年SL立体光刻技术的出现到当今的3DP成型。都是由于某一种新材料的出
14、现而引起的，如：SL材料为液态光敏树脂，LOM为薄片材料，SLS为可烧结粉末材料，FDM为热熔丝线等。由于材料在物理形态，化学性能等方面的千差万别，才形成了今天3D打印材料的多品种和3D打印的不同成型方法。3D打印技术在这几十年的发展中，新材料是3D打印技术的重要推动力。因而，全世界尤其是发达国家从事3D打印技术的公司和大学都在积极地研发用途更为广泛，成型更为简便新材料。根据3D打印技术材料成型和工艺实现方法不同，目前广泛应用的3D打印制造技术可有五大类：第一类：粉末丝状材料高能束烧结或融化成型（ALS，SLM，LENS和EBM）等；第二类：丝材挤出热熔成型（FDM）；第三类：液态树脂光固化成
15、型（SL,SLA）；第四类：液体喷印成型（3DP）；第五类：分层片材实体制造（LOM）；2.2.1 3D打印材料分类 1. 按材料的物理状态分类可以分为液体材料、薄片材料、粉末材料、丝状材料等。 2. 按材料的化学性能分类 按材料的化学性能不同又可分为树脂类材料、石蜡材料、金属材料、陶瓷材料及其复合材料等。 3. 按材料成型方法分类 按成型方法的不同可以分为：SLA材料、LOM材料、SLS材料、FDM材料等。 液态材料：SLA，光敏树脂（聚氨酯丙烯酸酯， 环氧丙烯酸酯，不饱和聚酯树脂，光敏稀释剂等）。固态粉末：SLS 非金属（蜡粉，塑料粉，覆膜陶瓷粉等）。金属粉（不锈钢粉，钛金属粉等）。固态片材：LOM 纸，塑料，金属铂+粘结剂。固态丝材：FDM。蜡丝，ABS丝，PLA丝等。2.2.2 3D打印材料基本性能（1） 3D打印对材料性能的一般要求：有利于快速、精确地加工原型零件；快速成型制件应当接近最终要求，应尽量满足对强度、刚度、耐潮湿性、热稳定性能等的要求；应该有利于后续处理工艺。（2） 不同应用目标对材料性能的要求：3D打印的四个应用目标：概念型、测试型、模具型、功能零件，对成型
