3D打印技术及应用(共6页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上3D打印技术及应用Xx(xxxxxxxxxxx)摘要:3D打印技术自发展以来,以其高效、低成本、低能耗的特点,已经在许多领域发挥了不可多得的作用,它将是21世纪最伟大的技术之一。这项技术实现了从无到有的过程,能够制造出你想到的和你想不到的东西,小到肌肉组织,大到楼房建筑。在未来该技术发展成熟时,人类的发展肯定能够迈上新的台阶。关键字:3D打印 3D发展历史 高效 低成本 低能耗 从无到有Abstract:Since the development of 3D printing technology, with its high efficiency, low cost
2、, low energy consumption, has played an important role in many areas, it will be one of the greatest technology in twenty-first Century. This technology to achieve a process from scratch, to make you think and you can not think of things, small to muscle tissue, large buildings to the building. In t
3、he future, the development of the technology is mature, the human development will certainly be able to step onto a new level.Key words:3D print 3D development history high efficiency low cost low energy consumption from scratch专心-专注-专业0引言3D打印技术,专业名称为快速成形技术,又称快速原型制造技术,简称RPM1。3D打印技术,是一种以文件为基础,运用粉末状或等
4、可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机则出现在上世纪90年代中期,即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同,打印机内装有液体或粉末等“印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物2。3D打印是“增材制造”的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上,使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法,去除多余部分,得到零部件,再以拼装、焊接等方法组合成最终产品3。而“增材制造”与之截然不同,无需原胚和模具,就能直接根据计算机图形数据,通过增加材料的方法生成任
5、何形状的物体,简化产品的制造程序,缩短产品的研制周期,提高效率并降低成本。3D打印技术起源于20世纪80年代末的美国,发展至今已经取得极大的进步。随着技术的创新,3D打印技术逐渐深入各个应用领域,工业生产、商业、医学、建筑、艺术等领域都能看到3D打印技术的影子。3D打印技术会在各个领域中刮起一波新的革命,包括建筑行业。3D打印技术将会改变我们的对事物的认知。1 3D技术发展史3D打印技术实际上是一系列快速原型成形技术的统称,其基本原理都是叠层制造,由快速原型机在X-Y孚西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。从上个世纪80年代到今天,3D打印技术
6、走过了条漫长的发展之路4。1984年,Charles Hull发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术,1986年,Chuck Hull发明了立体光刻工艺,利用紫外线照射将树脂凝固成形,以此来制造物体,并获得了专利。随后他离开了原来工作的Utra Violet Products,开始成立一家名为3D Syst的公司,专注发展3D打印技术,1988年,3DSystems开始生产第一台3D打印机SLA-250,体型非常庞大。1988年,Scott Crump发明了另外一种3D打印技术热熔解积压成形(FDM),利用蜡、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体,随后也成立了家名为Stratasys的公
7、司5。1989年,CRDechard博士发明了选区激光烧结技术(SLS),利用离强度激光将尼龙、蜡、ABS、金属和陶瓷等材料粉来烤结,直至成形。1993年,麻省理工大学教授EmanuaI Sachs创造7三维打印技术(3DP),将金属、陶瓷的粉末通过粘接剂粘在一起戍形。1995年,麻省理工大学的毕业生Jim Bredt和TimAnderson修改了喷墨打印机方案,变为把约束溶剂挤压到粉末床,而不是把墨水挤压在纸张上的方案,随后创立了现代的三维打印企业Z Corporation。1996年,3D Systems、Stratasys、Z Corporation分别推出了型号为Actua 2100、
8、Genisys、2402的三款30打印讥产品,第一次使用了“3D打印机”的称谓6。2005年,Z Croooration推出了世界上第一台离精度彩色3D打印机一Speum 2510,同一年,英国巴恩大学的Adrian Bowyer发起了开源3D打日机项目RepRap,目标是通过3D打印机本身,能够制造出另一台3D打印机。2008年,第个基于RepRap的30打印机发布,代号为“Darwin”7,它能够打印自身50%元件,体积仅个箱子大小。2010年11月,第一台用巨型3D打印机打印出整个身躯的轿车出现,它的所有外部组件都由3D打印制作完成,包括用Dimension 3D打印机和由Stratas
9、ys公司数字生产服务项目RedEye on Demand提供的Fortus3D成型系统制作完成的玻璃面板8。2011年8月,世界上第一架3D打印飞机由英国南安营敦大学的工程师剑建完成。9月,维也纳科技大学开发了更小、更轻、更便宜的3D打印机,这个超小3D打印机重1.5kg,报价约1200欧元。2012年3月,维也纳大学的研究人员宣布利用二光子平板印刷技术突破了3D打印的最小极限,展示了一辆长度不到0.3mm的赛车模型。7月,比利时的international Univers时 CollegeLeuven的一个研究组测试了一辆几乎完全由3D打印的小型赛车,其车速达到了140千米小时。12月,美国
10、分布式防御组织成功测试了3D打印的枪支弹夹10。从3D打印技术的发展史我们可以看出,随着3D打印技术的种类变多,3D打印机可打印的东西越来越多。而且,3D打印机的价格在不断下降,1999年3D Systems的SLA 7000要价80万美元,而Cube要价仅1299美元。另外,虽然对于普通用户和制造业来说,3D打印的大规模产业化时机还没有成熟,但我们也看到3D打印机开始向两极分化,除了百万元级的大型3D打印机之外,国内目前也出现了面向个人用户价格为数千元的3D打印机。2 3D技术的发展现状3D打印技术应用领域正逐步拓展,市场空间广阔11。过去几年里,技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模
11、等制造手段结合,已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段,在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了广泛应用,对改善制造业的产品设计和制造水平起到了巨大作用,在工程和教学研究等应用领域也占有了独特地位12。通常应用在产品试制和试验阶段,比如功能检测和装配检测等环节应用较多。目前3D打印技术在航空器和医学及牙科领域的应用增速最快,2009至2011年的3年间,应用于航空器制造领域的设备市场份额由9.9%上升到了12.1%,医学和牙科的市场份额由13.6%上升到了15.1%13。此外,在个人消费领域,3D打印技术让消费者在家里就能直接制作出想要的衣服、首饰、装饰品、玩具、乐器、自行车甚至
12、食品。如同电脑从学院、实验室进入到家庭一样,3D打印技术也逐步改变所有人的生活。和任何其他技术类似,3D打印机迅速地变得越来越便宜,功能却越来越强大。三维打印技术,现在已经处在了人人都用得起的临界点15。在美国,5年前一台标准的3D打印机的价格是5000-50000美元,而近期3D Systems和Autodesk推出了1500美元左右的个人用产品,最简单的3D打印机的价格甚至已经达到了800美元。3D打印技术在过去数十年里取得了重大进展,但有关材料、设备和应用的技术挑战依然存在16,具体有以下几个方面:材料特性:在3D打印技术能够完全过渡到提供切实可行的制造解决方案之前,需要为材料提供力学性
13、能数据的规范性标准,也需要更详细的由这些材料性能制成零部件的规范信息。在没有充分认识材料属性之前,是无法进行相应零部件设计的17。目前,世界各国已经研发了很多3D打印技术材料,因此,建立全面的规范标准需要整合研究机构以及系统与材料。材料开发:虽然已有大量的同质与异质材料混合物应用于3D打印技术,但仍然需要开发更多的材料。其中包括更好地理解已经使用的材料的加工-结构-属性之间关系,从而了解这些材料的局限性和优点18-23。此外,还需要开发质量测试程序和方法,以帮助扩展可用材料的种类。3 3D技术的优点三维打印技术的魅力在于它不需要在工厂操作,桌面打印机可以打印出小物品,而且,人们可以将其放在办公
14、室一角、商店甚至房子里;而自行车车架、汽车方向盘甚至飞机零件等大物品,则需要更大的打印机和更大的放置空间。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24。与传统技术相比,三维打印技术还拥有如下优势:通过摒弃生产线而降低了成本;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,让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器;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。三维打印技术还有其他重要的优点。大多数金
15、属和塑料零件为了生产而设计,这就意味着它们会非常笨重,并且含有与制造有关但与其功能无关的剩余物。三维打印技术不是这样的。在三维打印技术中,原材料只为生产所需要的产品”,借用三维打印技术,他的团队生产出的零件更加精细轻盈。当材料没有了生产限制后,就能以最优化的方式来实现其功能,因此,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。4 3D技术的应用4.1 3D打印机3D打印技术最直接的产物就是3D打印机。最早的3D打印机由恩里科迪尼( Enrico Dini )的发明家所设计的,当时的打印机还比较粗糙。如今3D打印机已经比较普遍,便宜的售价不到2000元,能够打印制造各种各
16、样的模型实物。 3D打印机的优势在于产品多样化,效率高而成本比传统工艺低,制造复杂物品不增加成本,无须组装,减少废弃副产品,材料无限组合,精确的实体复制。3D打印机是结合添加剂、制造技术和快速成形技术的一种机器。快速成形技术是在现代CAD/CAM 技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。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”。它以数字模型文件为基础,通过电脑辅助设计技术
17、(CAD)完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D打印机上,运用一些金属、蜡、塑料等可粘合材料,采用分层加工、迭加成形,即通过逐层增加材料来生成3D实体25。简单来说,比如要打印一个立体的苹果,就先要将苹果的大小形状等参数在设计软件中设计出来,或者用扫描仪把苹果的各参数扫描输入计算机,然后计算机会把苹果每一层截面的形状计算出来,然后在3D打印机里由下到上一层一层地把苹果薄片“叠”起来。(如图4.1) 图4.1 3D打印机4.2 3D打印机种类3D打印机的种类繁多,主要根据成型技术来划分:立体光固化成型法SLA。该方法主要采用液态光敏树脂原料,通过3D设计软件设计出三维数字模型,利用离散
18、程序将模型进行切片处理,设计扫描路径,按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面,分层扫描固化叠加成三维工件原型。选择性激光烧结法SLS。该方法主要采用激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。对于金属粉末激光烧结,在烧结之前,整个工作台被加热至一定温度,可减少成型中的热变形,并利于层与层之间的结合。分层实体制造法LOM,又称层叠法成形。该方法主要用片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料,激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据,将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后,送料机构将新的一层纸叠加上去,利用热粘压装置将已切割层粘合一层层
19、地切割、粘合,最终成为三维工件。熔积成型法FDM。该方法主要采用丝状材料(石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝)作为原材料,利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度(约比熔点高1),在计算机的控制下,喷头作x-y两个维度的平面运动,将熔融的材料涂覆在工作台上,冷却后形成工件的一层截面,这样逐层堆积形成三维实体。生物绘图技术Bioplotter。主要以细胞为原材料,复制一些简单的生命体组织,例如皮肤、肌肉以及血管等,甚至在未来可以制造人体组织如肾脏、肝脏甚至心脏,用于进行器官移植。 3D建筑打印机。下文中详细介绍。4.3 应用领域3D打印技术已经运用在医疗行业、科学研究、产品原型、文物保护、建筑设计、
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