3D打印是什么原理?
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2024-04-26
3D打印机功能都有:
(1)工业制造:产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证;制作模具原型或直接打印模具,直接打印产品。
(2)文化创意和数码娱乐:形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。运用3D打印塑造了部分角色和道具,3D打印的小提琴接近了手工艺的水平;
(3)航空航天、国防军工:复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、机构的直接制造;
(4)生物医疗:人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等;
(5)消费品:珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造;
3D打印机(3D Printers)是一位名为恩里科·迪尼(Enrico Dini)的发明家设计的一种神奇的打印机,它不仅可以“打印”出一幢完整的建筑,甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品。
目前,3D打印已经成为一种潮流,并开始广泛应用在设计领域,尤其是工业设计,数码产品开模等,可以在数小时内完成一个模具的打印,节约了很多产品到市场的开发时间。
3D打印技术是一系列快速原型成型技术的统称,也称作“增材制造”,其基本原理都是叠层制造,以数字模型为基础,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、电子束等工具将食用材质(植物蛋白、动物蛋白)、金属、陶瓷、医用树脂、薄膜、特殊合金等材料,经过逐层堆叠、层层打印,由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状,而在Z坐标间断地作层面厚度的位移,最终形成三维制件。
3D打印有何优势?
相比传统的模具制造、机械加工而言,3D打印技术更加先进快捷。
3D打印只要能生成三维数字模型,就能打印所需要的产品,3D打印技术具有节时、节能、个性化定制、高精度、高复杂、降低组装成本等优点。在医疗、食品加工、航天、文物修复、建筑等方面因其特殊的加工方式而得到了广泛的应用。
3D打印成型技术的工艺有哪些?
熔融沉积式(FDM,Fused Deposition Modelling)
以热塑性树脂、食用材料(面粉、巧克力、牛奶等)、热熔共晶金属、高柔性材料为打印原料,将丝状的热塑性材料通过喷头加热熔化,喷头底部带有微细喷嘴(直径一般为0.2~0.6mm),在计算机控制下,喷头沿着X轴方向移动,工作台沿Y轴方向移动,根据3D模型的数据移动到指定位置,将熔融状态下的液体材料挤喷出来并最终凝固。一个层面沉积完成后,工作台沿Z轴方向按预定的增量下降一层的厚度,材料被喷出后沉积在前一层已固化的材料上,通过材料逐层堆积形成最终的成品。
电子束自由成形制造(EBF,Electron beam freeform fabrication)
以铝、镍、钛、不锈钢、合金等材料,首先创造一个真空空间,利用高能量的离子束对金属材料表面进行轰击,轰击后会在表面形成熔化池,金属材料在熔化池内熔化,并按照预先规定的路径运动,使金属逐层堆叠凝固,形成致密的合金,直到制造出金属零件或毛坯。该方法特点是成形速度快、材料利用率高、无反射、能量转化率高。
直接金属激光烧结(DMLS,Direct Metal Laser Sintering)
以镍基、钴基、铁基合金、碳化物复合材料为原料,通过二氧化碳激光器产生激光,对激光进行传输,用振镜进行控制,使合金粉末融化,一层一层叠加形成产品。多为不同金属组成的混合物,各成分在烧结过程中相互补偿,以此保证制作精度。该方法特点是结合强度高、变形小、熔覆工艺好、工艺时间短。
电子束熔化成型(EBM,Electron beam fusion molding)
以导电金属为材料,用逐层制造法制成密实度与锻造件完全相同的零件。在一层钛粉膜熔化并凝固后,下一层钛粉膜重复施行,直至整个零件制成。该方法特点是熔炼温度高、炉子功率和加热速度高、提纯效果好。
选择性激光熔化成型(SLM,Selective laser melting)
其材料同电子束自由成形制造技术类似,以金属和合金材料为主,利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化,经冷却而凝固成型的一种工艺。该方法特点是产品力学性能好、精度和表面质量有保证。它能直接成型出近乎全致密且力学性能良好的金属零件。在加工的过程中用激光使粉体完全熔化,不需要黏结剂而直接成型,成型后零件的精度和力学性能都要比SLS成型的好。
选择性激光烧结(SLS,Selective laser sintering)
所用的材料是低熔点金属粉末和高分子材料的混合粉末。在加工的过程中低熔点的材料熔化但高熔点的金属粉末不熔化,利用被熔化的高分子材料实现黏结成型,所以实体材料存在孔隙度高、力学性能差等特点。
选择性热烧结(SHS,Selective hot sintering)
以热塑性粉末为材料,使用的热打印头,被保持在升高的温度下,这样的机械扫描头只需要提升的温度稍高于粉末的熔融温度,以选择性地结合,直到产品成型。该方法特点是价格实惠和高质量的印刷。SHS技术,这种技术与SLS有点类似,只不过它使用的是一个热敏打印头,而非SLS 3D打印机中的激光器。粉末床是可加热的,打印时粉末温度控制在较高的范围内,所以机械扫描头只需对对象区域施加少量的热度,使对象区域的粉末温度稍高于熔融温度就能使其融化并粘结在一起。
分层实体制造(LOM,Laminated Object Manufacturing)
以纸片、金属薄膜、塑料薄膜等为材料,将其背面涂有热熔胶的材料用激光切割,切割完一层,将新的一层叠加上去,用热粘压黏合在一起,然后切割、黏合,直到三维物件成型。其特点是成本低、效率高、模型支撑性好
立体平板印刷(SLA,Stereolithography)
以液态光敏树脂为材料,通过计算机控制紫外激光使其凝固成型。其特点是精度高、强度和硬度好,可制造出较为复杂的空心部件。
数字光处理(DLP,Digital Light Processing)
以光硬化树脂为材料,用数字光源以面光的形式在液态光敏树脂表面进行层层投影,层层固化成型。特点是超高精度、表面光滑、材质好。
激光熔覆(DMD,定向能量沉积)