1、国际上喜欢用“Additive?Manufacturing”(简称AM)来表示3D打印技术,国内专业术语是增量制造、增材制造或添加制造。2009年美国ASTM成立了F42委员会,将AM定义为:“Process?of?joining?materials?to?make?objects?from?3d?model?data,usually?layer?upon?layer,?as?opposed?subtractive?manufacturing?methodologies.”?即:一种与传统的材料去处加工方法截然相反的,通过增加材料、基于三维CAD模型数据,通常采用逐层制造方式,直接制造与相应数
2、学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。目前主流的3D打印技术有:1、SLS激光粉末烧结成型(Se1ected?Laser?Sintering);2、3DP三维打印(3Dimension?Printer);3、SLA激光光固化(Stereo?lithography);4、FDM熔融沉积造型(Fused?Deposition?Modeling)?3D打印机的用途,能够实现哪些功能?3D打印能够发挥的作用,按照产品设计研发的流程来说:3D打印不仅仅可以快速制作设计原型,从最初的概念设计到最终产品制造,3D打印在产品设计制造的各个环节都具备变革性优势。许多企业在产品设计早期,就会使用3D打印设备
3、快速制作足够多的模型用于评估,不仅节省了时间,而且减少了设计缺陷。随着产品设计研发的进展,他们会采用3D打印反复制作手板模型用于设计沟通、设计验证、装配测试和宣传展示,以实现产品功能改善、生产成本降低、品质更好、市场接受度提升的目标。在产品小批量试制阶段,3D打印为快速打样提供了最佳方案,3D打印出来的样品可以用于宣传展示、市场调查、试销售等。而在产品量产环节,也已经有越来越多的企业在采用3D打印方式来加快交付周期、降低个性化定制价格、改善产品交付质量,以及提高生产效率。3D打印能够发挥的作用,按照不同应用行业来说:近年来,3D打印技术发展迅速,通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手
4、段结合,该技术已成为现代模型、模具和零件制造的有效手段,在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学、文化创意等领域得到了一定应用,在工程和教学研究等应用领域也占有独特地位。具体应用领域包括:1、工业制造:产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证;制作模具原型或直接打印模具,直接打印产品。3D打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D打印的家用器具模型,也被用于企业的宣传、营销活动中;2、文化创意和数码娱乐:形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影阿凡达运用3D打印塑造了部分角色和道具,3D打印的小提琴接近了手工艺的水平;3、航空航天、国防军工:复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部
5、件、机构的直接制造;4、生物医疗:人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等;5、消费品:珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造;6、建筑工程:建筑模型风动实验和效果展示,建筑工程和施工(AEC)模拟;7、教育:模型验证科学假设,用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校,3D打印机已经被用于教学和科研;8、个性化定制:基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。什么样的三维数据才能够用于3D打印?3D打印的标准数据格式STL?STL(Stereo?Lithography?Interface?Specification)格式是目前3D打印/增材制造设备使用的通用接口格式
6、,是由美国3Dsystems公司于1988年制定的一个接口协议,是一种为3D打印/增材制造技术服务的三维图形文件格式,目前已成为3D打印/增材制造的事实上的标准格式。STL格式是存储三维模型信息的一种简单方法,它将复杂的数字模型以一系列的三维三角形面片来近似表达。STL模型是一种空间封闭的、有界的、正则的唯一表达物体的模型,具有点、线、面的几何信息,能够输入给增材制造设备,用于快速制作实物样品。随着增材制造技术的发展和应用,STL文件格式也得到了各CAD/CAM软件公司的广泛支持。在医学、自然科学和工程领域里,STL技术也得到了广泛的应用。利用三维扫描仪等三维数字化工具对物理原型进行多方位三维
7、扫描,经过点云数据的预处理与优化,得到物体完整的三维数据模型,对该数据模型进行表面三角形小平面化处理,类似于有限元的网格划分,即用许多空间三角形面片来逼近CAD模型,当三角形面片小到一定程度,其近似性可达到工程允许的精度范围内,其数据文件称为STL文件,可以直接输入3D打印/增材制造设备,用于3D打印/增材制造。STL文件格式化对3D打印/增材制造精度影响?3D打印时,由于要将复杂的三维加工转化为一系列简单的二维加工的叠加,因此,成型精度主要取决于二维(X,Y)平面上的加工精度,以及高度(Z)方向上的叠加精度。从3D打印机本身而言,可以将X、Y、Z三方向的运动位置精度控制在微米级水平,因而能得
8、到精度相当高的工件。因此,特别在加工复杂的自由曲面及内型腔时,3D打印/增材制造比传统的加工方法表现出更明显的优势。然而影响工件最终精度的因素不仅有3D打印机本身的精度,还有一些其它因素,其中比较重要的是CAD模型的前期处理造成的误差。对于绝大多数增材制造设备而言,开始成型前,必须对工件的三维CAD模型进行STL格式化和切片等前期处理,以便得到一系列的截面轮廓。STL格式己成为3D打印行业事实上的通用标准。在计算机数据处理能力足够的前提下,进行STL格式化时,应选择更小、更多的三角面片,使之更逼近原始三维模型的表面,这样可以降低由STL格式化所带来的误差影响。中国3D打印前景展望?3D打印机对
9、传统制造业会带来哪些冲击?3D打印产业上游包括材料技术、控制技术、光机电技术、软件技术,中游是立足于信息技术的数字化平台,下游涉及国防科工、航空航天、汽车摩配、家电电子、医疗卫生、文化创意等行业,其发展将会深刻影响先进制造业、工业设计业、生产性服务业、文化创意业、电子商务业及制造业信息化工程。3D打印机给传统制造业带来的冲击,大致有以下几点:1、3D打印技术的发展满足了消费者的需求,将导致工业制造模式的变化?相比生产大规模标准化产品的模具制造,3D打印可以在一定约束下随意生产制作个性化产品,可称之为“大规模定制制造模式”,是以互联网为支撑的智能化大规模定制的方式,或者是“分散生产,就地销售”方
10、式,标志着个性化消费时代的到来。从前,消费者都是在店里挑选、购买已经生产好的商品,现在则可以根据各自的需求,在“3D打印店”定制,边生产边体验,及时获得自己喜欢的产品。2.?3D打印技术具备传统模具制造没有的独特优势?3D打印技术是不受产品结构和形状的限制的,任何复杂的造型和结构,只要有CAD数据,都可以轻松完成,这样就给个性化、定制化提供了可能性;而且使用3D打印技术,是不需要开模具的,实现了无模化制造,可使新产品研制的成本下降为传统方式的1/3-1/5?,周期缩短为1/5-1/10?。再加上3D打印设备大部分可以实现无人值守、24小时不间断加工,也就为厂商节约了人工成本,提高了生产效率。3
11、D打印的后期辅助加工量大大减小,避免了委外加工的数据泄密和时间跨度,尤其适合一些高保密性的行业,如军工、核电领域。3D打印技术“打印”的产品是自然无缝连接的,一体成型,结构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法。3.?3D打印技术符合低碳环保的发展理念?“第三次工业革命”概念的真正兴起和全球化传播,与全球可持续发展面临的压力息息相关。具体来说:一是至20世纪80年代,石油和其他化石能源的日渐枯竭,及随之而来的全球气候变化给人类的持续生存带来了危机。二是化石燃料驱动的原有工业经济模式,不再能支撑全球的可持续发展,需要寻求一种使人类进入“后碳”时代的新模式。3D打印技术适逢其会,以绿色、节能、低
12、碳、环保的全新姿态迅速得到了全球政府和机构的认可和信赖。3D打印采用的是加法式制造技术,区别与传统的减法式、铣削式制造方式,基本上是生产多少重量的东西,所耗费的也就是同等重量的材料,因此所耗费的材料明显减少;个性化定制以后也不产生产品库存,可以在减少碳排放和原材料消耗的前提下,保持更高的生产效率。3D打印的原材料使用仅为传统生产方式的1/10,这在如今资源珍贵的时代无疑具备巨大优势。 4. 3D打印能有效促进工业设计产业的发展,而全球制造业未来的竞争在于高附加值的设计环节 原先的制造业是生产、加工环节制约着研发设计环节,新产品的研制从一开始就需要考虑到最终能否被生产出来;而3D打印技术对于产品
13、设计没有限制,只要能设计得出来,完成CAD建模,任何结构和形状都可以被生产出来,如此一来,工业设计方面的创意和能量将被无限释放,谁具备突出的工业设计能力,谁就将成为未来全球制造业的领头羊,创造高额利润。中国制造业,如果还是停留在国外设计、国内制造或者来料加工的阶段,那么未来只能在低附加值的加工制造环节上苦苦挣扎,因此,中国政府和制造业的有识之士都已经开始积极呼吁和大力传播3D打印技术,国内的工业设计教育和产业也得到了越来越多的关注和重视。国内3D打印技术市场现状 3D打印技术在国外已经开始被广泛应用在各领域,帮助人们提高开发效率,降低生产成本,3D打印机已经开始普及开来。而在国内,由于起步较晚
14、,目前还被能够得到广泛普及,主要原因体现在:1、市场培育还有一长段路要走。目前,我国多数制造企业尚未接受“数字化设计”、“批量个性化生产”等先进制造理念,对3D打印这一新兴技术的战略意义认识不足,不了解到这种新兴技术能够做什么,可以创造多大的价值。2、企业级、专业级的3D打印设备及其材料还比较昂贵,客户接受程度低。虽然目前市面上已经有一些价格低至几千元的3D打印机,但是这种入门级的3D打印机更多适合个人、发烧友购买使用,很难用于工业制造、建设工程等领域,更别说航空航天和医疗等专业应用了。而专业级的3D打印设备动辄几十万乃至上百万,让许多关注3D打印技术的企业望而却步。3、材料种类还不是足够丰富
15、,也限制了3D打印技术的推广。尽管就塑料材料来说,就已经有上百种之多,从弹性的到刚性的,从遇热融化的到耐高温的,从透明的到不透明的,从生物相容性的到可铸造的,种类繁多,但是目前依然比不上传统制造所拥有的材料种类。4 三维数字化技术尚未普及,也限制了3D打印机的市场空间。因为3D打印的前提是计算机里面有一个三维数据可供打印,而三维数据的获取和创建对于普通大众来说还是一个技术活。国内专业数字化领域实力最强的是杭州先临三维科技股份有限公司,他们自主研发了多种面向不同应用领域的三维扫描仪,可以帮助快速获取物体的三维数据,输出的STL数字模型就可以用于3D打印,比起CAD建模来门槛更低、速度更快。目前,
16、现在市面上已经有十几种不同的3D打印机成型技术,包括SLS、DMLS、FDM、SLA、DLP、FFF、MEM、LOM、EBM、SHS、3DP等,不同技术类型的3D打印机打印出成品所需要的材料是不同的,其中比较成熟的有SLS、FDM、SLA、LOM和3DP等。3.1?SLA(Stereo?lithography?Appearance)?SLA?即立体光固化成型法,用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料(液态光敏树脂原料)表面,使之由点到线,由线到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。图2?SLA技术成型原理图3
17、.2?FDM(Fused?FDM?即熔积成型法,该方法使用丝状材料(石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝)为原料,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,一层成形后,喷头上移一层高度,进行下一层涂覆,这样逐层堆积形成三维工件。图3?FDM技术成型原理图3.3?SLS?(Selective?Sintering)?SLS即选择性激光烧结,其整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成,工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层,计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维
18、扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复,层层叠加,直到三维零件成型。最后,将未烧结的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件。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。3.4?3DP(Three-Dimensional?Printing)?3DP工艺与SLS工艺类似,采用粉末材料成形,如陶瓷粉末,金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的,而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的
19、零件强度较低,还须后处理。具体工艺过程如下:上一层粘结完毕后,成型缸下降一个距离(等于层厚:0.0130.1mm),供粉缸上升一高度,推出若干粉末,并被铺粉辊推到成型缸,铺平并被压实。喷头在计算机控制下,按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂,最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉,在成形过程中起支撑作用,且成形结束后,比较容易去除。3.5 LOM(Laminated Object Manufacturing) LOM即分层实体制造法,又称层叠法成形,它以片材(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在一起,然后再进行切割,这样一层层地切割、粘合,最终成为三维工件。图6 LOM技术成型原理图车辆牌照图像识别算法研究与实现
copyright@ 2008-2022 冰豆网网站版权所有
经营许可证编号:鄂ICP备2022015515号-1