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3D打印技术、应用及发展趋势

2017/4/14    来源:互联网    作者:陈梦仪      
关键字:3D打印  增材制造  技术应用  
二十多年来,3D打印技术从概念到应用,已经在医疗、航天、交通等领域得到使用。其技术不仅是激光打印、三维设计、立体检测,更是基础材料的发挥在技术。目前3D打印软件、系统与材料紧密结合,立体光固成型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)和熔丝沉积造型(FDM)等主流技术路线基本成形,本文将针对以上几个问题展开讨论。

    引言

    3D(3Dprinting)打印技术, 属于快速成型技术的一种, 也称为“ 增材制造(AdditiveManufacturing)”,是一种以立体数字模型文件为基础,运用金属、塑料或树脂等可材料,采用粘合处理,通过逐层打印的方式来构造三维物体的技术。随着近10多年的发展,相继研发出立体光固成型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)和熔丝沉积造型(FDM)等主流技术路线,使3D打印可以克服一些传统制造上无法达成的设计,可以制作出结构复杂、个性化的产品。2016年选择性激光烧结(SLS)是所有3D打印技术中最受欢迎的技术。2016年, 塑料是占主导地位的3D打印材料(73%),这主要归因于对低成本产品制造的需求,以及快速原因越来越多地被采用。在这些3D打印塑料材料中,聚酰胺(PA)是最流行的,其他材料正在创新和推广应用中,包括树脂(26%)、金属(23%)、砂岩(13%)和蜡(8%)。

    1 3D技术发展现状

    1.1 3D打印产品实现流程

    一是三维建模。建模软件已经比较丰富。应用计算机软件,通过专业的3D扫描仪(比如GoSCAN类)或DIY扫描设备(Kinect类)获取打印对象的三维数据,并且以数字化方式在生成精度高、比例合适、结构复杂的三维模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等专业的三维建模软件直接建立三维数字化模型,或是直接使用其他人已做好的、已有的三维模型。

    二是分层切片。3D打印用于打印结构复杂、个性化强的产品。由于描述方式的差异,3D打印机并不能直接操作3D模型。因此,当3D模型数据输入到电脑中以后,需要通过打印机配备的专业软件来进行数据的分层处理,即将模型切分成一层一层的薄切片,每层切片的厚度是由喷涂材料的属性以及打印机的规格来决定的。

    三是打印喷涂。由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到三维空间中,根据不同的工作原理,会有相应不同的实现方式。比较常用的做法是先喷一层黏胶材料,然后在上面撒一层粉末,如此反复。或是通过高能激光融化合金材料,一层一层地熔结成实物。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质的不同以及工艺质量耗时几分钟至数天不等。

    1.2 立体光固成型(SLA)技术

    立体光固成型(SLA)技术是最早出现的立体成型技术,其原理是采用液态光敏树脂原料,工艺原理如图所示。其工艺过程是:一是用CAD设计出三维实体模型,利用离散程序将模型进行切片处理,设计扫描路径,产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动;二是激光光束通过数控装置控制的扫描器,按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面,使表面特定区域内的一层树脂固化后,就生成零件的一个截面;三是升降台控制下降一定距离,固化层上覆盖另一层液态树脂,再进行第二层扫描,第二固化层牢固地粘结在前一固化层上,这样一层层叠加而成三维工件原型。这一技术在医疗领域,如助听器、耳蜗等方面使用广泛。这一技术的关键问题是材料。树脂固化过程中产生收缩,不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。

    1.3 选择性激光烧结(SLS)

    选择性激光烧结(简写为SLS)由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面,并刮平;用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面;材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起,得到零件的截面,并与下面已成形的部分粘接;当一层截面烧结完后,铺上新的一层材料粉末,选择地烧结下层截面。

    SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛,如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂(覆膜砂)、聚碳酸脂(Poly carbonates)、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。

    1.4 熔丝沉积造型(FDM)

    熔丝沉积造型(FDM)系统组要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热机构工作台5个部分。工作时先确定各层间距、路径宽度等;生成路径,对计算机模型进行切片;在计算机控制下喷头按路径移动出丝,喷丝粘结在工作台上已制作层面上。如此反复逐层制作,直至最后一层。这样熔丝粘结形成所要求的实体模型。

    这里关键技术是喷头,喷头功能为加热熔化。喷头底部有一喷嘴供熔融的材料以一定的压力挤出,喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动时挤出材料,与前一层粘结并在空气中迅速固化。现在的FDM快速成型系统一般都采用双喷头独立加热,一个用来喷模型材料制造零件;另一个用于喷支撑材料。

    2 3D打印技术应用

    事实上在20多年前,3D打印技术就已经能用树脂或胶等材料制作产品。近几年,由于3D打印可处理的材料范围扩大到了金属材料(激光烧结技术),而且成功地将几十年前就有的工艺技术重新组合利用,例如结合信息技术,使用激光和电子束进行表面工程和增材制造。而目前而言的发展,是由于激光和电子枪等关键元器件品质不断提高。

    在工业制成上,3D打印机主要应用在两方面:一是某些结构复杂化的零件或者制成品。主要是对于精度要求和工艺细节要求很高的制成品,包括小型零件和大型构件。二是几何约束强的产品。在某些大型构件的加工上,不仅工艺难度相对于传统高,而且成本还要求降低,3D打印正好满足此需求。比如医用领域最著名的就是通过3D打印,打印高精度的器官模型,如Stratasys Solidoodle2 可以用来打印病人的体内器官或者组织模型,辅助制定精确的手术方案。

    无需与生物组织相容的外部肢体,医用3D打印可以进行深度定制。体外医疗器械包括医疗模型、医疗器械——如假肢、助听器、齿科手术模板等。根据美国组织AmputeeCoalition的统计:目前美国约有200万人使用3D打印假肢。

    更高端一点的应用,如还可打印完全不成熟的细胞,Organovo公司宣称用3D打印机完整打印一个有正常生命机能的肝脏,为肝脏移植患者提供帮助。公司先通过独特的细胞3D打印技术,在细胞培养基座中打印出肝脏所需的细胞组织,然后再在培养皿中进行培养,并生成正常形状和机能的肝脏,然后便可以移植到人体中,进行身体解毒和排毒等正常代谢功能。不过,该肝脏的生命周期只有40天左右。

    某些行业的应急制品或者快速制成品。最简单的是军用上,给予机械维修团队,就地加工一些制成品来保证紧急状况下的机械平台维护,在大部分情况下,陆战坦克,装甲车在受到损害后,超过一定比例,就因为成本原因,直接废弃掉了。3D打印可以解决这些问题,当然给予行军途中,在后勤紧张的时候,快速制成一些用品更不用说了。如在航天上的应用,主要集中在NASA的项目上,NASA主要在冷却、包装和屏蔽电子的物体上使用3D打印技术。例如,航天器的电池盒是使用热塑性聚醚(PKK3D打印的。

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    图1 虚拟样机

责任编辑:张纯子
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