3D打印是什么原理?
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2024-04-26
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选区激光烧结等。
1、3D打印机是3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中,机器会按照程序把产品一层层造出来。但是3D打印出来的是物体的模型,不能打印出物体的功能。
2、3D打印机是一种累积制造技术,即快速成形技术的一种机器,它是一种数字模型文件为基础,运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。
3、3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的"墨水"是实实在在的原材料,堆叠薄层的形式有多种多样,可用于打印的介质种类多样,从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。
4、3D打印与激光成型技术一样,采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。
5、3D打印技术可用于珠宝,鞋类,工业设计,建筑,工程和施工(AEC),汽车,航空航天,牙科和医疗产业,教育,地理信息系统,土木工程,和许多其他领域。
一、熔融沉积增材技术特点:
FDM增材技术在算是使用比较广的一种3d打印技术,其工作原理是用工艺熔融沉积制造工艺具体原理是将丝状的熔融材料加热融化,利用计算机技术的控制下,将3d打印材料选择涂抹平台上,快速冷却会形成一层的截面。一层成型完成后,3d打印机会下降工作台高度,控制好喷嘴进行下一层成型,打印整个模型。FDM 成型技术在于它可以快速成型,成本很低廉。
二、光固化增材制造技术:
这个SLA技术主要用于3d打印行业,是最早实用化的快速成型技术,其原理使用特定波长与强度的激光聚焦到光敏树脂材料上,发生聚合反应,由点到线,由点到线,由线到面顺序凝固在一起,完成一个层面上绘图作业,然后在升降台上移动层片的高度,然后叠加三维实体。
三、激光烧结增材技术:
激光烧结技术在金属3d打印机用的比较多,主要的工作原理是利用粉末材料成形。将材料粉末状铺洒在已成形的零件上表面,然后利用二氧化碳激光器扫描出零件截面,并与已成形的部分粘接在一起,形成sls工艺最大优点。
四、粉末-粘合剂增材制造技术:
3dp增材制造技术也是运用比较广的3d打印技术,原理是和上面讲的SLS技术是一样,使用粉末转的3d打印材料,通过喷嘴直接用粘接剂将零件的界面”印刷”在材料上。但是这个打印精度没有SLA精度那么高。
三种方式。
1、FDM熔融沉积成型3D打印技术
熔融沉积成型(FDM)是一种增材制造技术,是软件数学分层的定位模型构建,通过加热层挤出热塑性纤维。适用于几乎任何形状和尺寸的复杂几何建筑耐用部件,FDM是唯一的3D打印过程中使用的材料如ABS、聚碳酸酯和pc材料的。
2、SLA光固化快速成型3D打印技术
sla光固化快速成型是一种增材制造过程中,通过紫外线(UV)激光在一大桶光致聚合物树脂。借助计算机辅助制造、计算机辅助设计软件(CAD/CAM),紫外激光用于绘制一个预编程的设计或形状上的光致还原表面。
3、SlS选择性激光烧结3D打印技术;
SLS选择性激光烧结采用高功率CO2激光熔化或烧结粉末热塑性塑料增材制造层技术,激光选择性地将粉末材料通过扫描截面的三维数字描述的部分产生的在粉床表面。在每个横截面扫描,粉末床是由一层厚度降低,一层新材料的应用上,并重复该过程,直到部分完成。
1、3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本,大幅减少了材料浪费。
2、3D打印技术可以制造出传统生产技术无法制造出的外形,让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器。
3、3D打印技术简化了生产制造过程,快速有效又廉价地生产出单个物品。与机器制造出的零件相比,打印出来的产品的重量要轻60%,并且同样坚固。
一、三维打印材料的分类:
1.SL工艺成型材料:光敏树脂复合材料。
2.SLS工艺成型材料:高分子粉末材料、石蜡粉末材料、陶瓷粉末材料、覆膜砂粉材料、塑料粉末材料、金属粉末材料。
3.LOM工艺成型材料:陶瓷、纸材。
4.FDM工艺材料:熔丝线材、FDM陶瓷材料、木塑复合材料、FDM支撑材料。
5.3DP工艺材料:塑料材料、金属材料、陶瓷材料。
二、如何挑选材料:
选择适合自己的模型,通常会有下面几个方面的考虑:成本,外观,细节,力学性能,机械性能,化学稳固性,以及特殊应用环境等因素。尽管有种种因素,不过基于模型的制作目的,大致可分为两类:外观验证模型和结构验证模型。
外观验证模型:由工程师设计制作用于验证产品外观的手板模型或直接使用且对外观要求高的模型。外观验证模型是可视的、可触摸的,它可以很直观的以实物的形式把设计师的创意反映出来,避免了“画出来好看而做出来不好看”的弊端。
外观验证模型制作在新品开发,产品外形推敲的过程中是必不可少的。基于外观验证模型的需求,优先建议选用光敏树脂类3D打印(包括高精高韧ABS和透明PC材料);结构验证模型:在产品设计过程中从设计方案到量产,一般需要制作模具。
模具制造的费用很高,比较大的模具价值数十万乃至几百万元,如果在开模的过程中发现结构不合理或其他问题,其损失可想而知。
因此,制作结构验证模型能避免这种损失,降低开模风险。基于结构验证模型的需求,对精度和表面质量要求不高的,优先建议选择机械性能较好、价格低廉的材料,比方说PLA、ABS等材料。此外,还有部分特殊要求,例如对导电性有要求,则需要金属材料,或者要逆向制作一个精美的首饰,则建议使用石蜡。
三、各工艺对材料的要求:
各种三维打印工艺对其成型材料的要求一般是能够快速、精确地成型,原型件具有一定的机械机能。
3D打印的主流工艺流程:
1、熔融沉积造型(Fused deposition modeling,FDM)
FDM 可能是目前应用最广泛的一种工艺,很多消费级3D 打印机都是采用的这种工艺,因为它实现起来相对容易:
FDM加热头把热熔性材料(ABS树脂、尼龙、蜡等)加热到临界状态,使其呈现半流体状态,然后加热头会在软件控制下沿CAD 确定的二维几何轨迹运动,同时喷头将半流动状态的材料挤压出来,材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层。
这个过程与二维打印机的打印过程很相似,只不过从打印头出来的不是油墨,而是ABS树脂等材料的熔融物。同时由于3D
打印机的打印头或底座能够在垂直方向移动,所以它能让材料逐层进行快速累积,并且每层都是CAD
模型确定的轨迹打印出确定的形状,所以最终能够打印出设计好的三维物体。
2、光固化立体造型(Stereolithography,SLA)
据维基百科记载,1984年的第一台快速成形设备采用的就是光固化立体造型工艺,现在的快速成型设备中,以SLA的研究最为深入,运用也最为广泛。平时我们通常将这种工艺简称“光固化”,该工艺的基础是能在紫外光照射下产生聚合反应的光敏树脂。
与其它3D 打印工艺一样,SLA 光固化设备也会在开始“打印”物体前,将物体的三维数字模型切片。然后电脑控制下,紫外激光会沿着零件各分层截面轮廓,对液态树脂进行逐点扫描。被扫描到的树脂薄层会产生聚合反应,由点逐渐形成线,最终形成零件的一个薄层的固化截面,而未被扫描到的树脂保持原来的液态。
当一层固化完毕,升降工作台移动一个层片厚度的距离,在上一层已经固化的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂,用以进行再一次的扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上,如此循环往复,直到整个零件原型制造完毕。
SLA 工艺的特点是,能够呈现较高的精度和较好的表面质量,并能制造形状特别复杂(如空心零件)和特别精细(如工艺品、首饰等)的零件。
3、选择性激光烧结(SLS)
数字模型分层切割与逐层制造是3D 打印工艺的基础,这里往后就不再赘述了。除此之外,SLS 工艺与SLA
光固化工艺还有相似之处,即都需要借助激光将物质固化为整体。不同的是,SLS
工艺使用的是红外激光束,材料则由光敏树脂变成了塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末。
先将一层很薄(亚毫米级)的原料粉未铺在工作台上,接着在电脑控制下的激光束通过扫描器以一定的速度和能量密度,按分层面的二维数据扫描。激光扫描过的粉末就烧结成一定厚度的实体片层,未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。
一层扫描完毕,随后对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度升降工作台,铺粉滚筒再次将粉末铺平,然后再开始新一层的扫描。如此反复,直至扫描完所有层面。去掉多余粉末,再经过打磨、烘干等适当的后处理,即可获得零件。
目前应用此工艺时,以蜡粉末及塑料粉末作为原料较多,而用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺尚未实际应用。
4、层片叠加制造(Laminated object manufacturing,LOM)
在层片叠加制造工艺中,机器会将单面涂有热溶胶的箔材通过热辊加热,热溶胶在加热状态下可产生粘性,所以由纸、陶瓷箔、金属箔等构成的材料就会粘接在一起。接着,上方的激光器按照CAD 模型分层数据,用激光束将箔材切割成所制零件的内外轮廓。然后再铺上新的一层箔材,通过热压装置将其与下面已切割层粘合在一起,激光束再次切割。然后重复这个过程,直至整个零部件打印完成。
不难发现,LOM 工艺还是有传统切削的影子。只不过它不是用大块原材料进行整体切削,而是将原来的零部件模型分割为多层,然后进行逐层切削。
5、三维印刷工艺(3D printing,3DP)
三维印刷,也称三维打印。维基百科显示,1989年,麻省理工的Emanuel M. Sachs和John S.
Haggerty等在美国申请了三维印刷技术的专利,之后Emanuel M. Sachs和John S.
Haggerty又多次对该技术进行完善,并最终形成了今天的三维印刷工艺。
从工作方式来看,三维印刷与传统二维喷墨打印最接近。与SLS 工艺一样,3DP 也是通过将粉末粘结成整体来制作零部件,不同之处在于,它不是通过激光熔融的方式粘结,而是通过喷头喷出的粘结剂。
喷头在电脑控制下,按照模型截面的二维数据运行,选择性地在相应位置喷射粘结剂,最终构成层。在每一层粘结完毕后,成型缸下降一个等于层厚度的距离,供粉缸上升一段高度,推出多余粉末,并由铺粉辊推到成型缸,铺平再被压实。如此循环,直至完成整个物体的粘结
3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件。3D打印主要分为桌面级和工业级两种。桌面级是3D打印技术的初级阶段和入门阶段,能够很直观地阐述3D打技术的工艺原理。工业级的3D打印机主要分为快速原型制造和直接产品制造两种。 细分的来说、可分为 :SLA、SLS、FDM、金属打印。3D打印机需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。所以,它的商业价值,在于如何正确运用,形成很好的产业链,还需要各行各业进行技术改造。
四种3D打印技术,有FDM、SLA、SLS和3DP他们的成型技术过程。
1. 熔融沉积成型(Fused deposition modeling FMD)
FMD可能是目前应用最广泛的一种工艺,很多消费级的3D打印机都是采用的这种工艺,因为它实现起来相对容易。FMD加热头把热熔性材料(ABS,PA,POM)加热到临界状态,使其呈现半流体状态,然后加热头会在软件控制下沿CAD确认的二维几何轨迹运动,同时喷头将半流动状态的材料挤压出来,材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层.
这个过程与二维打印机的打印过程很相似,只不过从打印头出来的不是油墨,而是ABS树脂等材料的熔融物,同时由于3D打印机的打印头或底座能够在垂直方向移动,所以它能让材料逐层进行快速堆积,并每层都是CAD模型确定的轨迹打印出形状,所以最终能够打印出设计好的三维物体。
2.光固化立体成型(Stereolithography,SLA)
据维基百科记载,1984年的第一台快速成形设备采用的就是光固化立体造型工艺,现在的快速成型设备中,以SLA的研究最为深入运用也最为广泛。平时我们通常将这种工艺简称“光固化”,该工艺的基础是能在紫外光照射下产生聚合反应的光敏树脂
与其它3D 打印工艺一样,SLA 光固化设备也会在开始“打印”物体前,将物体的三维数字模型切片。然后在电脑控制下,紫外激光会沿着零件各分层截面轮廓,对液态树脂进行逐点扫描。被扫描到的树脂薄层会产生聚合反应,由点逐渐形成线,最终形成零件的一个薄层的固化截面,而未被扫描到的树脂保持原来的液态。
当一层固化完毕,升降工作台移动一个层片厚度的距离,在上一层已经固化的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂,用以进行再一次的扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上,如此循环往复,直到整个零件原型制造完毕。
SLA 工艺的特点是,能够呈现较高的精度和较好的表面质量,并能制造形状特别复杂(如空心零件)和特别精细(如工艺品、首饰等)的零件。
3、选择性激光烧结(SLS)
数字模型分层切割与逐层制造是3D 打印工艺的基础,这里往后就不再赘述了。除此之外,SLS 工艺与SLA 光固化工艺还有相似之处。即都需要借助激光将物质固化为整体。不同的是,SLS工艺使用的是红外激光束,材料则由光敏树脂变成了塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末.
先将一层很薄(亚毫米级)的原料粉未铺在工作台上,接着在电脑控制下的激光束通过扫描器以一定的速度和能量密度,按分层面的二维数据扫描。激光扫描过的粉末就烧结成一定厚度的实体片层,未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。 一层扫描完毕,随后对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度升降工作台,铺粉滚筒再次将粉末铺平,然后再开始新一层的扫描。如此反复,直至扫描完所有层面。去掉多余粉末,再经过打磨、烘干等适当的后处理,即可获得零件。
4、三维印刷工艺(3D printing,3DP)3DP
也被称为粘合喷射、喷墨粉末打印。这种3D打印技术的工作方式和传统的二维喷墨打印最为接近。和SLS工艺相同,3DP技术也是通过将粉末粘结成整体来制作零部件,但是它不是通过激光熔融的方式粘结,而是通过喷头喷出的粘结剂来完成粘结工作。
喷头在电脑控制下,按照模型截面的二维数据运行,选择性地在相应位置喷射粘结剂,最终构成层。在每一层粘结完毕后,成型缸下降一个等于层厚度的距离,供粉缸上升一段高度,推出多余粉末,并由铺粉辊推到成型缸,铺平再被压实。如此循环,直至完成整个物体的粘结。
3DP技术作为3D打印技术之一,是继SLS、FDM等应用最为广泛的快速成型工艺技术后发展前景最为看好的一项快速成型技术。凭借快捷、适用范围广、精细度高等独特的优势,3DP技术得到很多优秀的3D打印行业公司的关注。