3D打印技術是一項很革命性的技術聽起來很振奮人心，但是你了解它能做什么、如何運作嗎？作為制造業的人士我們需要了解一個和我們有關聯的技術，了解它的原理，感受3D技術在未來會帶來的可能性，并抓住機遇。由于巨靈鳥軟件主要是專注于制造業，因此下面我們僅就3D打印技術在制造業的應用和前景做一些分享。

 

原型制造和數字制造

3D打印技術在制造業應用分兩種，第一種已經比較普遍，就是在產品研發階段使用3D打印。傳統的產品設計中，我們要生產一個產品的原型是將電腦中的CAD圖或其他電子文件打印出來然后制造人員按圖紙生產出原型。3D打印是直接通過CAD軟件用3D打印設備打印產品原型，比起傳統的原型制作方法，這種方法即省時又省力。第二種就是量產也就是全部數字化制造了。

產品研發階段使用3D打印的好處：

1、提高保密性

不用擔心把產品信息泄露給提供原型制作的供應商了

2、有效溝通

擁有實體原型，能加快溝通時間減少誤解

3、提高產品質量和產品設計

可以使用多種原型進行多次反復設計，以及進行成型、組裝和功能測試

4、縮短產品開發周期

快速原型開發和設計，可立即投入生產，減少用在外包原型開發或生產金屬模具的時間和費用

5、降低開發成本

減少用于原型制作和制作模型開發的成本

 

由于受制于材料、成本的限制，直接數字制造目前只適合于部分特定材料的小批量、小尺寸的產品。

 

3D打印的原理

3D打印在原理上并不復雜。與傳統數控制造一般是在原材料基礎上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產品不同，它奉行的是加法守則，無需原胚和模具。要打印一個東西，你首先要有一張3D立體圖，配套的軟件會把這張圖上的物體進行一系列數字切片，并將切片信息傳送到打印機，打印噴頭立刻啟動，根據切片信息，一層層極薄地堆疊出立體物件。

目前主流的3D打印技術有：
1、 SLS激光粉末燒結成型（Se1ected Laser Sintering）

2、 3DP三維打印（3Dimension Printer）

3、 SLA激光光固化（Stereolithography）

4、 FDM熔融沉積造型（Fused Deposition Modeling）
FDM技術由Stratasys公司發明，采用熱塑性材料構建模型、及最終零件。3D 打印機從底部開始一層一層通過擠出熱塑性塑料絲構建零件。該過程相當簡單：
1.預處理： 預建軟件將 3D CAD 文件切片并定位，然后計算出基礎熱塑性塑料的路徑以及任何所需的支撐材料的位置。
2.生產： 3D 打印機可以將熱塑性塑料加熱成半液態，然后通過擠出通道使其以極細小的珠狀沉積。如果需要支撐或緩沖，3D 打印機可以還可以沉積出可移除的材料作為支撐材料。
3.后處理： 用戶可以折斷支撐材料，或用清潔劑和水將其溶解，就能得到可以使用的零件。

 

3D打印前景

3D打印綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多領域的前沿技術，是快速成型技術的一種，被譽為“第三次工業革命”的核心技術。 與傳統制造技術相比，3D打印不必事先制造模具，不必在制造過程中去除大量的材料，也不必通過復雜的鍛造工藝就可以得到最終產品，因此，在生產上可以實現結構優化、節約材料和節省能源。3D打印技術適合于新產品開發、快速單件及小批量零件制造、復雜形狀零件的制造、模具的設計與制造等，也適合于難加工材料的制造、外形設計檢查、裝配檢驗和快速反求工程等。因此，3D打印產業受到了國內外越來越廣泛的關注，將成為下一個具有廣闊發展前景的朝陽產業。 目前，3D打印已應用于產品原型、模具制造、藝術創意產品、珠寶制作等領域，可替代這些領域所依賴的傳統精細加工工藝。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程與醫學、建筑、服裝等領域，3D打印技術的引入也為其開拓了更廣闊的發展空間。

3D打印技術的快速發展使其成為近幾年國內外快速成形技術研究的重點。目前，美國、歐洲和日本都站在21世紀制造業競爭的戰略高度，對快速成形技術投入了大量的研究，使3D打印技術得到了迅速發展。在國防領域，歐美發達國家非常重視3D打印技術的應用，并投入巨資研制增材制造金屬零部件，特別是大力推動增材制造技術在鈦合金等高價值材料零部件制造上的應用。

 

快速成型技術

在快速領域里一直站主導地位快速成型工藝主要包括：FDM、SLA、SLS及LOM等工藝，而這幾種工藝又各有千秋，下面我們在主要看一下這幾種工藝的優缺點比較：
 

一、SLA

光敏樹脂選擇性固化是采用立體雕刻（Stereolithography）原理的一種工藝，簡稱SLA，是最早出現的一種快速成型技術。在樹脂槽中盛滿液態光敏樹脂，它在紫外激光束的照射下會快速固化。成型過程開始時，可升降的工作臺處于液面下一個截面層厚的高度，聚焦后的激光束，在計算機的控制下，按照截面輪廓的要求，沿液面進行掃描，使被掃描區域的樹脂固化，從而得到該截面輪廓的樹脂薄片。然后，工作臺下降一層薄片的高度，以固化的樹脂薄片就被一層新的液態樹脂所覆蓋，以便進行第二層激光掃描固化，新固化的一層牢粘結在前一層上，如此重復不已，直到整個產品成型完畢。最后升降臺升出液體樹脂表面，取出工件，進行清洗、去處支撐、二次固化以及表面光潔處理等。光敏樹脂選擇性固化快速成型技術適合于制作中小形工件，能直接得到樹脂或類似工程塑料的產品。主要用于概念模型的原型制作，或用來做簡單裝配檢驗和工藝規劃。

 

SLA快速原型技術的優點是： 

1、表面質量較好； 

2、成型精度較高，精度在0.1mm（國內SLA精度在0.1—0.3mm之間，并且存在很大的波動性）；

3、 系統分辨率較高。

 

SLA快速原型的技術缺點： 

1、需要專用的實驗室環境，成型件需要后處理，比如：二次固化，防潮處理等工序。 

2、尺寸穩定性差，隨著時間推移，樹脂會吸收空氣中的水分，導致軟薄部分的翹曲變形，進而極大地影響成型件的整體尺寸精度； 

3、氦-鎘激光管的壽命僅3000小時，價格較昂貴，由于需對整個截面進行掃描固化，成型時間較長，因此制作成本相對較高。 

4、 可選擇的材料種類有限，必須是光敏樹脂。由這類樹脂制成的工件在大多數情況下都不能進行耐久性和熱性能試驗，且光敏樹脂對環境有污染，使皮膚過敏。 

5、 需要設計工件的支撐結構，以便確保在成型過程中制作的每一個結構部位都能可靠定位，支撐結構需在未完全固化時手工去除，容易破壞成型件。

 

二、SLS

 

粉末材料選擇性燒結（Selected Laser Sintering）是一種快速原型工藝，簡稱SLS。 

粉末材料選擇性燒結采用二氧化碳激光器對粉末材料（塑料粉等與粘結劑的混合粉）進行選擇性燒結，是一種由離散點一層層堆集成三維實體的快速成型方法。 

粉末材料選擇性燒結采用二氧化碳激光器對粉末材料（塑料粉、陶瓷與粘結劑的混合粉、金屬與粘結劑的混合粉等）進行選擇性燒結，是一種由離散點一層層對集成三維實體的工藝方法。

 

在開始加工之前，先將充有氮氣的工作室升溫，并保持在粉末的熔點一下。成型時，送料筒上升，鋪粉滾筒移動，先在工作平臺上鋪一層粉末材料，然后激光束在計算機控制下按照截面輪廓對實心部分所在的粉末進行燒結，使粉末溶化繼而形成一層固體輪廓。第一層燒結完成后，工作臺下降一截面層的高度，在鋪上一層粉末，進行下一層燒結，如此循環，形成三維的原型零件。最后經過5-10小時冷卻，即可從粉末缸中取出零件。未經燒結的粉末能承托正在燒結的工件，當燒結工序完成后，取出零件。粉末材料選擇性燒結工藝適合成型中小件，能直接的到塑料、陶瓷或金屬零件，零件的翹曲變形比液態光敏樹脂選擇性固化工藝要小。但這種工藝仍需對整個截面進行掃描和燒結，加上工作室需要升溫和冷卻，成型時間較長。此外，由于受到粉末顆粒大小及激光點的限制，零件的表面一般呈多孔性。在燒結陶瓷、金屬與粘結劑的混合粉并得到原型零件后，須將它置于加熱爐中，燒掉其中的粘結劑，并在孔隙中滲入填充物，其后處理復雜。
 

粉末材料選擇性燒結快速原型工藝適合于產品設計的可視化表現和制作功能測試零件。由于它可采用各種不同成分的金屬粉末進行燒結、進行滲銅等后處理，因而其制成的產品可具有與金屬零件相近的機械性能，但由于成型表面較粗糙，滲銅等工藝復雜，所以有待進一步提高。

 

SLS快速原型技術的優點是： 

1、 與其他工藝相比，能生產較硬的模具。 

2、 可以采用多種原料，包括類工程塑料、蠟、金屬、陶瓷等。 

3、 零件的構建時間較短，可達到1in/h高度。 

4、 無需設計和構造支撐。

 

SLS快速原型技術缺點是： 

1、有激光損耗，并需要專門實驗室環境，使用及維護費用高昂。 

2、需要預熱和冷卻，后處理麻煩； 

3、 成型表面粗糙多孔，并受粉末顆粒大小及激光光斑的限制。 

4、 需要對加工室不斷充氮氣以確保燒結過程的安全性，加工成本高。 

5、 成型過程產生有毒氣體和粉塵，污染環境。

 

三、FDM

 

絲狀材料選擇性熔覆（Fused Deposition Modeling）快速原型工藝是一種不依靠激光作為成型能源、而將各種絲材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加熱熔化進而堆積成型方法，簡稱FDM。
 

絲狀材料選擇性熔覆的原理如下：加熱噴頭在計算機的控制下，根據產品零件的截面輪廓信息，作X-Y平面運動，熱塑性絲狀材料由供絲機構送至熱熔噴頭，并在噴頭中加熱和熔化成半液態，然后被擠壓出來，有選擇性的涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成一層大約0.127mm厚的薄片輪廓。一層截面成型完成后工作臺下降一定高度，再進行下一層的熔覆，好像一層層"畫出"截面輪廓，如此循環，最終形成三維產品零件。

 

這種工藝方法同樣有多種材料可供選用，如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC、工程塑料PPSF以及ABS與PC的混合料等。這種工藝干凈，易于操作，不產生垃圾，并可安全地用于辦公環境，沒有產生毒氣和化學污染的危險。適合于產品設計的概念建模以及產品的形狀及功能測試。專門開發的針對醫用的材料ABS-i，因為其具有良好的化學穩定性，可采用伽碼射線及其他醫用方式消毒，特別適合于醫用。

 

FDM快速原型技術的優點是： 

1、 制造系統可用于辦公環境，沒有毒氣或化學物質的污染； 

2、 一次成型、易于操作且不產生垃圾； 

3、 獨有的水溶性支撐技術，使得去除支撐結構簡單易行，可快速構建瓶狀或中空零件以及一次成型的裝配結構件； 

4、 原材料以材料卷的形式提供，易于搬運和快速更換。 

5、 可選用多種材料，如各種色彩的工程塑料ABS、PC、PPSF以及醫用ABS等。

FDM快速原型技術的缺點是： 

1、 成型精度相對國外先進的SLA工藝較低，最高精度0.127mm 

2、成型表面光潔度不如國外先進的SLA工藝； 

3、成型速度相對較慢

 

四、LOM

 

箔材疊層實體制作（Laminated Object Manufacturing）快速原型技術是薄片材料疊加工藝，簡稱LOM。 

箔材疊層實體制作是根據三維CAD模型每個截面的輪廓線，在計算機控制下，發出控制激光切割系統的指令，使切割頭作X和Y方向的移動。供料機構將地面涂有熱溶膠的箔材（如涂覆紙、涂覆陶瓷箔、金屬箔、塑料箔材）一段段的送至工作臺的上方。激光切割系統按照計算機提取的橫截面輪廓用二氧化碳激光束對箔材沿輪廓線將工作臺上的紙割出輪廓線，并將紙的無輪廓區切割成小碎片。

 

然后，由熱壓機構將一層層紙壓緊并粘合在一起。可升降工作臺支撐正在成型的工件，并在每層成型之后，降低一個紙厚，以便送進、粘合和切割新的一層紙。最后形成由許多小廢料塊包圍的三維原型零件。然后取出，將多余的廢料小塊剔除，最終獲得三維產品。

 

疊層實體制作快速原型工藝適合制作大中型原型件，翹曲變形較小，成型時間較短，激光器使用壽命長，制成件有良好的機械性能，適合于產品設計的概念建模和功能性測試零件。且由于制成的零件具有木質屬性，特別適合于直接制作砂型鑄造模。

 

LOM快速原型技術的優點是： 

1、成型速度較快，由于只需要使激光束沿著物體的輪廓進行切割，無需掃描整個斷面，所以成型速度很快，因而常用于加工內部結構簡單的大型零件。 

2、無需設計和構建支撐結構。

 

LOM快速原型技術的缺點是： 

1、有激光損耗，并需要專門實驗室環境，維護費用高昂； 

2、可實際應用的原材料種類較少，盡管可選用若干原材料，例如紙、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是紙，其他箔材尚在研制開發中； 

3、必須進行防潮處理，紙制零件很容易吸濕變形，所以成型后必須立即進行樹脂、防潮漆涂覆等后處 

4、難以構建形狀精細、多曲面的零件，僅限于結構簡單的零件。 

5、廢料去除困難，所以該工藝不宜構建內部結構復雜的零件。 

6、當加工室的溫度過高時常有火災發生。因此，工作過程中需要專職人員職守。

 

來源：巨靈鳥 歡迎分享本文