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三维打印成型技术的现状与应用前景

2015/4/29    来源:互联网    作者:王滨盐      
关键字:三维打印成型  激光熔融法  光成型  
文章介绍了三维打印成型技术的发展过程、现状及其工作原理,着重阐述了采用激光熔融法(SLM),以及采用电子束叠层装置进行金属等材料三维成型的实用方法,评价了上述工艺的优点、待解决课题,从一个侧面展示了该技术的美好应用前景。

0 概述

    快速成型(rapid prototyping,下文中简称RP)技术是20世纪80年代中期发展起来的一种新原型制造技术,在产品开发初期,设计出所需的CAD图或STL文件,并在实际生产前制作出模型以作为设计确认、产品修正、功能测试、模具开发的原始模型,即原型(prototype)。RP技术综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术,它可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而对产品设计进行快速评估、修改及功能试验。与传统技术相比,三维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。通过摒弃生产线而直接降低了成本;大幅减少了材料浪费;而且它还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形,另外在具有良好设计概念和设计过程的情况下,三维打印技术还可以简化生产制造过程,快速有效又廉价地生产出单个物品。

    3D打印技术既可和熔模铸造技术相结合,快速地制造金属铸件,也可直接制作铸模来生产铸件,从而有效地提高生产效率。

    目前出现的三维打印成型技术的兴盛势头可以说是其第三次迅速发展。本文回顾了三维叠层成型技术的发展历程,着重介绍采用激光熔融法和电子束熔融叠层装置进行金属三维成型的方法,并展望实用性的金属成型方面的应用前景。

1 从RP到AM(叠层制造)

    目前RP工艺发展迅速,已经有十多种成形工艺,包括:立体印刷(SLA)、分层实体制造(LOM)、选择性激光烧结(SLS)、熔化沉积成形(FDM)、三维立体印刷(3DP)、固基光敏液相法(SGC)、热塑性材料选择性喷洒(Ink-jet)、激光增材制造技术等。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同,成形原理和系统特点也各有不同。但是其基本原理都是一样的,那就是“分层制造,逐层叠加”,类似于数学上的积分过程。形象地讲,快速成形系统就像是一台“立体打印机”,因此得名“3D打印机”。

    当今能直接成形金属零件的快速原型制造方法主要有选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering,SLS)、激光熔覆净成型技术(Laser Engineered Net Shaping,LENS)、选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)等,其中选择性激光熔化技术由于成形件致密性好,且具有冶金结合组织及精度高的特点,在国外已得到普遍重视。

    然而早期的三维成型产品也存在确认形状的精度及强度的问题,人们普遍还有这样的认识:“实际上使用的物体并不是用三维成型技术制造的”,所谓的Prototype(原型)实际上达不到要求。其结果,三维打印成型技术曾经历过迂回曲折的发展过程也就可想而知了。直至2009年,美国材料试验学会(ASTM)的三维叠层技术委员会(F42),针对与切削、磨削等除去金属加工工艺不同的反复叠层成形加工法,采用了称为叠层(或增材)制造(Additive Manufacturing,下文中简称AM)这一术语。之后,AM一词就替代了RP而被人们广为使用了。

2 三维成型的原理

    下面简要介绍三维成型技术的原理。其实,三维打印成型技术原理很简单,是通过自下而上,逐层地堆积薄薄的一层固体的方式(好比盖楼房从下而上,一砖一瓦,一层一层向上堆砌),制作出形形色色的物体形状(见图1)。

采用3D打印技术制作的涡轮模型

图1 采用3D打印技术制作的涡轮模型

    使这种方法实现自动化的装置是三维成型装置。人们根据所要堆积的材料,开发出了各种各样的成型装置。

3 基于光成型的三维成型装置

    1987年由三维系统公司(3D-Systems)公布了在光硬化性树脂上照射激光,进而一边硬化,一边叠层的装置。图2表示该装置的原理。这种方法称为立体印刷术(Stereo Lithography),该成型方法的闪亮登场,使得为数众多的人受到其影响,很多人认为该装置的出现预示着将对未来的生产技术带来一场变革。

基于光硬化树脂的光成型(立体印刷术)的原理图

图2 基于光硬化树脂的光成型(立体印刷术)的原理图

    然而,光成型装置被后面介绍的其他三维成型装置(墨水喷射方式及熔融堆积法)逐步地夺去了中心地位,发明墨水喷射方式的Z-Corporation及熔融叠层方式的Staratasys公司的三维打印成型装置成为风靡全球的产品。

责任编辑:程玥
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