机械创新作业8.doc
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1、机械创新设计结课论文 课 程 名 称 机械创新设计 院(系、部、中心) 机械工程学院 3D打印技术摘要:3D打印是最近几年开始流行的一种快速成形技术,它以数字模型文件为基础,通过逐层打印的方式来 构造物体。被认为推动了第三次工业革命进程的3D打印技术,涉及信息技术、材料科学、精密机械等多个方面。投入民用工业是近年来的事,多用于大型制造业。本文从文献研究入手,介绍3D打印机的原理和技术,以及在各领域的应用和出现的产品;最后讨论了目前3D打印应用的前景、优势和不足。关键词:3D打印;3D打印原理、技术;3D打印应用1 3D打印概念3D打印(3D printing),即快速成型技术的一种,也称为增材
2、制造技术,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉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,被称为“具有工业革命意义的制造技术”。快速成型技术诞生于20世纪80年代后期,是基于材料堆积法的一种高新制造技术。3D打印技术被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”,早在20世纪90年代中期就已出现,但由于价格昂贵,技术不成熟,早期并没有得到推广普及。经过20多年的发展,该技术已更加娴熟、精确,且价格有所降低。 2 3D打印原理和过程“3D打印”层层印刷的原理和喷墨打印机类似,打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制采用分层加工,叠加成型的方式来“造型”,会将
3、设计产品分为若干薄层,每次用原材料生成一个薄层,一层一层叠加起来,最终在计算机上的蓝图变为实物。3D打印是一种直接数字化制造技术,是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。每一层的打印过程分为两步,首先在需要成型的区域洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散,然后是喷洒一层均匀的粉末。这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将会被“打印”成型,打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型,而剩余粉末还可循环利用,加工过程仅需确定所需塑料、树脂、金属等物料,材料耗费仅相当于传统制造的十分之一,而误差可轻易控制到0.1mm之内。它无需生产线,亦可制造那些常规方法无法生产的奇形怪状的零件。三维打
4、印的设计过程是:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。分步骤描述如下:1、三维建模通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的 DIY扫描设备获取对象的三维数据,并且以数字化方式生成二维模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等二维建模软件从零开始建立三维数字化模型,或是直接使用其他人已做好的3D模型。2、分层切割由于描述方式的差异,3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入到电脑中以后,需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理,即将模型切分成一层层的薄片,每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打
5、印机的规格决定。3、打印喷涂由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到二维空间中,根据工作原理的不同,有多种实现方式。比较流行的做法是先喷一层胶水,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,一层一层地熔结成模型。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质和工艺耗时几分钟到数天不等。4、后期处理模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工,如固化处理、剥离、修整、上色等等,才能最终完成所需要的模型的制作。 3 3D打印材料 在3D打印领域,材料是技术的核心之一,可以使用很多种材料,如陶瓷、钢化玻璃、石膏、无机粉料、ABS塑料、PLA(聚乳酸尼龙、玻璃填充聚胺、
6、光固化材料、银、钛、钢、蜡、干膜和聚碳酸脂等。目前打印出来的材料以ABS(热塑料)和树脂为主,材质在机器内 “熔化”,通过不同比例的材料混合,可以产生出将近120种软硬不同的新材料。工程塑料指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料,是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。 PC材料,是真正的热塑性材料,具备工程塑料的所有特性。高强度,耐高温,抗冲击,抗弯曲,可以作为最终零部件使用,应用于交通工具及家电行业。 PC-ISO材料,是一种通过医学卫生认证的热塑性材料,广泛应用于药品及医疗器械行业,可以用于手术模拟,颅骨修复,牙科等专业领域。 PC-ABS材料,是一种应用最广泛的热塑性工程塑
7、料,应用于汽车,家电及通信行业。光敏树脂即是UV树脂,由聚合物单体与预聚体组成,其中加有光(紫外光)引发剂(或称为光敏剂)。在一定波长的紫外光(250-300纳米)照射下立刻引起聚合反应完成固化。一般为液态,一般用于制作高强度、耐高温、防水等的材料。 Somos 19120材料为粉红色材质,铸造专用材料。成型后直接代替精密铸造的蜡膜原型,避免开模具的风险,大大缩短周期。 拥有低留灰烬和高精度等特点。 Somos 11122材料为半透明材质,类ABS材料。抛光后能做到近似透明的艺术效果。此种材料广泛用于医学研究、工艺品制作和工业设计等行业。 Somos Next材料为白色材质,类PC新材料,材料
8、韧性较好,精度和表面质量更佳,制作的部件拥有最先进的刚性和韧性结合。另外3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。 4 3D打印技术许多相互竞争的技术是可用的。它们的不同之处在于以不同层构建创建部件,并且以可用的材料的方式。一些方法利用熔化或软化可塑性材料的方法来制造打印的“墨水”。例如:选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)和混合沉积建模(fused deposition modeling,FDM),还有一些技术是用液体材料作为打印的“墨水”的,例如:立体平板印刷(stereolithograp
9、hy,SLA)、分层实体制造(laminated object manufacturing,LOM)。3D打印的技术主要包括SLA、FDM、SLS、LOM等工艺,下面我们简单介绍三种主流技术:1、立体光刻造型技术(SLA):可以想象一下把一根黄瓜切成很薄的薄片再拼成一整根。先由软件把3D的数字模型,“切”成若干个平面,这就形成了很多个剖面,在工作的时候,有一个可以举升的平台,这个平台周围有一个液体槽,槽里面充满了可以紫外线照射固化的液体,紫外线激光会从底层做起,固化最底层的,然后平台下移,固化下一层,如此往复,直到最终成型。其优点是精度高,可以表现准确的表面和平滑的效果,精度可以达到每层厚度0
10、.05毫米到0.15毫米。缺点则为可以使用的材料有限,并且不能多色成型。2、熔融沉积成型技术:同样是需要把3D的模型薄片化,但是成型的原理不一样。学过高等数学的朋友都知道积分,熔融沉积成型技术,就是把材料用高温熔化成液态,然后通过喷嘴挤压出一个个很小的球状颗粒,这些颗粒在喷出后立即固化,通过这些颗粒在立体空间的排列组合形成实物。这种技术成型精度更高、成型实物强度更高、可以彩色成型,但是成型后表面粗糙。3、选择性激光烧结(简称SLS)技术: SLS工艺又称为选择性激光烧结,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
11、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。选择性激光烧结的特点:材料多样且性能接近普通工程塑料材料;无碾压步骤因此Z向的精度不容易保证好;工艺简单,不需要碾压和掩模步骤;使用热塑性塑料材料可以制作活动铰链之类的零件;成型件表面多粉多孔,使用密封剂可以改善并强化零件;使用刷或吹的方法可以轻易地除去原型件上未烧结的粉末材料 。每种技术都有各自的优缺点,因而一些公司会提供多种打印机以供选择。一般来说,主要的考虑因素是
12、打印的速度和成本,三维打印机的价格,物体原型的成本,还有材料以及色彩的选择和成本。可以直接打印金属的打印机价格昂贵。有时候人们会先使用普通的三维打印机来制作模具,然后用这些模具制作金属部件。5 3D打印相关软件 在3D打印的制作过程中,用到软件的方面应该是在3D打印的三维模型设计上(不包括其余过程中的常用的操作软件)。模型的设计可以说是整个3D打印过程的核心部分,是3D打印产品的根本。在此介绍几种建立三维数字化模型的建模软件。Blender:Blender是一个开源的多平台轻量级全能三维动画制作软件,提供从建模,动画,材质,渲染,到音频处理,视频剪辑的一系列动画短片制作解决方案。blender
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