3D打印技术是一项很革命性的技术听起来很振奋人心，但是你了解它能做什么、如何运作吗？作为制造业的人士我们需要了解一个和我们有关联的技术，了解它的原理，感受3D技术在未来会带来的可能性，并抓住机遇。由于巨灵鸟软件主要是专注于制造业，因此下面我们仅就3D打印技术在制造业的应用和前景做一些分享。

 

原型制造和数字制造

3D打印技术在制造业应用分两种，第一种已经比较普遍，就是在产品研发阶段使用3D打印。传统的产品设计中，我们要生产一个产品的原型是将电脑中的CAD图或其他电子文件打印出来然后制造人员按图纸生产出原型。3D打印是直接通过CAD软件用3D打印设备打印产品原型，比起传统的原型制作方法，这种方法即省时又省力。第二种就是量产也就是全部数字化制造了。

产品研发阶段使用3D打印的好处：

1、提高保密性

不用担心把产品信息泄露给提供原型制作的供应商了

2、有效沟通

拥有实体原型，能加快沟通时间减少误解

3、提高产品质量和产品设计

可以使用多种原型进行多次反复设计，以及进行成型、组装和功能测试

4、缩短产品开发周期

快速原型开发和设计，可立即投入生产，减少用在外包原型开发或生产金属模具的时间和费用

5、降低开发成本

减少用于原型制作和制作模型开发的成本

 

由于受制于材料、成本的限制，直接数字制造目前只适合于部分特定材料的小批量、小尺寸的产品。

 

3D打印的原理

3D打印在原理上并不复杂。与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不同，它奉行的是加法守则，无需原胚和模具。要打印一个东西，你首先要有一张3D立体图，配套的软件会把这张图上的物体进行一系列数字切片，并将切片信息传送到打印机，打印喷头立刻启动，根据切片信息，一层层极薄地堆叠出立体物件。

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（Stereolithography）

4、 FDM熔融沉积造型（Fused Deposition Modeling）
FDM技术由Stratasys公司发明，采用热塑性材料构建模型、及最终零件。3D 打印机从底部开始一层一层通过挤出热塑性塑料丝构建零件。该过程相当简单：
1.预处理： 预建软件将 3D CAD 文件切片并定位，然后计算出基础热塑性塑料的路径以及任何所需的支撑材料的位置。
2.生产： 3D 打印机可以将热塑性塑料加热成半液态，然后通过挤出通道使其以极细小的珠状沉积。如果需要支撑或缓冲，3D 打印机可以还可以沉积出可移除的材料作为支撑材料。
3.后处理： 用户可以折断支撑材料，或用清洁剂和水将其溶解，就能得到可以使用的零件。

 

3D打印前景

3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多领域的前沿技术，是快速成型技术的一种，被誉为“第三次工业革命”的核心技术。 与传统制造技术相比，3D打印不必事先制造模具，不必在制造过程中去除大量的材料，也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品，因此，在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源。3D打印技术适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等，也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。因此，3D打印产业受到了国内外越来越广泛的关注，将成为下一个具有广阔发展前景的朝阳产业。 目前，3D打印已应用于产品原型、模具制造、艺术创意产品、珠宝制作等领域，可替代这些领域所依赖的传统精细加工工艺。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，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为其开拓了更广阔的发展空间。

3D打印技术的快速发展使其成为近几年国内外快速成形技术研究的重点。目前，美国、欧洲和日本都站在21世纪制造业竞争的战略高度，对快速成形技术投入了大量的研究，使3D打印技术得到了迅速发展。在国防领域，欧美发达国家非常重视3D打印技术的应用，并投入巨资研制增材制造金属零部件，特别是大力推动增材制造技术在钛合金等高价值材料零部件制造上的应用。

 

快速成型技术

在快速领域里一直站主导地位快速成型工艺主要包括：FDM、SLA、SLS及LOM等工艺，而这几种工艺又各有千秋，下面我们在主要看一下这几种工艺的优缺点比较：
 

一、SLA

光敏树脂选择性固化是采用立体雕刻（Stereolithography）原理的一种工艺，简称SLA，是最早出现的一种快速成型技术。在树脂槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下会快速固化。成型过程开始时，可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度，聚焦后的激光束，在计算机的控制下，按照截面轮廓的要求，沿液面进行扫描，使被扫描区域的树脂固化，从而得到该截面轮廓的树脂薄片。然后，工作台下降一层薄片的高度，以固化的树脂薄片就被一层新的液态树脂所覆盖，以便进行第二层激光扫描固化，新固化的一层牢粘结在前一层上，如此重复不已，直到整个产品成型完毕。最后升降台升出液体树脂表面，取出工件，进行清洗、去处支撑、二次固化以及表面光洁处理等。光敏树脂选择性固化快速成型技术适合于制作中小形工件，能直接得到树脂或类似工程塑料的产品。主要用于概念模型的原型制作，或用来做简单装配检验和工艺规划。

 

SLA快速原型技术的优点是： 

1、表面质量较好； 

2、成型精度较高，精度在0.1mm（国内SLA精度在0.1—0.3mm之间，并且存在很大的波动性）；

3、 系统分辨率较高。

 

SLA快速原型的技术缺点： 

1、需要专用的实验室环境，成型件需要后处理，比如：二次固化，防潮处理等工序。 

2、尺寸稳定性差，随着时间推移，树脂会吸收空气中的水分，导致软薄部分的翘曲变形，进而极大地影响成型件的整体尺寸精度； 

3、氦-镉激光管的寿命仅3000小时，价格较昂贵，由于需对整个截面进行扫描固化，成型时间较长，因此制作成本相对较高。 

4、 可选择的材料种类有限，必须是光敏树脂。由这类树脂制成的工件在大多数情况下都不能进行耐久性和热性能试验，且光敏树脂对环境有污染，使皮肤过敏。 

5、 需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位，支撑结构需在未完全固化时手工去除，容易破坏成型件。

 

二、SLS

 

粉末材料选择性烧结（Selected Laser Sintering）是一种快速原型工艺，简称SLS。 

粉末材料选择性烧结采用二氧化碳激光器对粉末材料（塑料粉等与粘结剂的混合粉）进行选择性烧结，是一种由离散点一层层堆集成三维实体的快速成型方法。 

粉末材料选择性烧结采用二氧化碳激光器对粉末材料（塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合粉、金属与粘结剂的混合粉等）进行选择性烧结，是一种由离散点一层层对集成三维实体的工艺方法。

 

在开始加工之前，先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点一下。成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激光束在计算机控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末溶化继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，在铺上一层粉末，进行下一层烧结，如此循环，形成三维的原型零件。最后经过5-10小时冷却，即可从粉末缸中取出零件。未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件，当烧结工序完成后，取出零件。粉末材料选择性烧结工艺适合成型中小件，能直接的到塑料、陶瓷或金属零件，零件的翘曲变形比液态光敏树脂选择性固化工艺要小。但这种工艺仍需对整个截面进行扫描和烧结，加上工作室需要升温和冷却，成型时间较长。此外，由于受到粉末颗粒大小及激光点的限制，零件的表面一般呈多孔性。在烧结陶瓷、金属与粘结剂的混合粉并得到原型零件后，须将它置于加热炉中，烧掉其中的粘结剂，并在孔隙中渗入填充物，其后处理复杂。
 

粉末材料选择性烧结快速原型工艺适合于产品设计的可视化表现和制作功能测试零件。由于它可采用各种不同成分的金属粉末进行烧结、进行渗铜等后处理，因而其制成的产品可具有与金属零件相近的机械性能，但由于成型表面较粗糙，渗铜等工艺复杂，所以有待进一步提高。

 

SLS快速原型技术的优点是： 

1、 与其他工艺相比，能生产较硬的模具。 

2、 可以采用多种原料，包括类工程塑料、蜡、金属、陶瓷等。 

3、 零件的构建时间较短，可达到1in/h高度。 

4、 无需设计和构造支撑。

 

SLS快速原型技术缺点是： 

1、有激光损耗，并需要专门实验室环境，使用及维护费用高昂。 

2、需要预热和冷却，后处理麻烦； 

3、 成型表面粗糙多孔，并受粉末颗粒大小及激光光斑的限制。 

4、 需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性，加工成本高。 

5、 成型过程产生有毒气体和粉尘，污染环境。

 

三、FDM

 

丝状材料选择性熔覆（Fused Deposition Modeling）快速原型工艺是一种不依靠激光作为成型能源、而将各种丝材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加热熔化进而堆积成型方法，简称FDM。
 

丝状材料选择性熔覆的原理如下：加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。

 

这种工艺方法同样有多种材料可供选用，如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC、工程塑料PPSF以及ABS与PC的混合料等。这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，并可安全地用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。专门开发的针对医用的材料ABS-i，因为其具有良好的化学稳定性，可采用伽码射线及其他医用方式消毒，特别适合于医用。

 

FDM快速原型技术的优点是： 

1、 制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的污染； 

2、 一次成型、易于操作且不产生垃圾； 

3、 独有的水溶性支撑技术，使得去除支撑结构简单易行，可快速构建瓶状或中空零件以及一次成型的装配结构件； 

4、 原材料以材料卷的形式提供，易于搬运和快速更换。 

5、 可选用多种材料，如各种色彩的工程塑料ABS、PC、PPSF以及医用ABS等。

FDM快速原型技术的缺点是： 

1、 成型精度相对国外先进的SLA工艺较低，最高精度0.127mm 

2、成型表面光洁度不如国外先进的SLA工艺； 

3、成型速度相对较慢

 

四、LOM

 

箔材叠层实体制作（Laminated Object Manufacturing）快速原型技术是薄片材料叠加工艺，简称LOM。 

箔材叠层实体制作是根据三维CAD模型每个截面的轮廓线，在计算机控制下，发出控制激光切割系统的指令，使切割头作X和Y方向的移动。供料机构将地面涂有热溶胶的箔材（如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔材）一段段的送至工作台的上方。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓用二氧化碳激光束对箔材沿轮廓线将工作台上的纸割出轮廓线，并将纸的无轮廓区切割成小碎片。

 

然后，由热压机构将一层层纸压紧并粘合在一起。可升降工作台支撑正在成型的工件，并在每层成型之后，降低一个纸厚，以便送进、粘合和切割新的一层纸。最后形成由许多小废料块包围的三维原型零件。然后取出，将多余的废料小块剔除，最终获得三维产品。

 

叠层实体制作快速原型工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形较小，成型时间较短，激光器使用寿命长，制成件有良好的机械性能，适合于产品设计的概念建模和功能性测试零件。且由于制成的零件具有木质属性，特别适合于直接制作砂型铸造模。

 

LOM快速原型技术的优点是： 

1、成型速度较快，由于只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，无需扫描整个断面，所以成型速度很快，因而常用于加工内部结构简单的大型零件。 

2、无需设计和构建支撑结构。

 

LOM快速原型技术的缺点是： 

1、有激光损耗，并需要专门实验室环境，维护费用高昂； 

2、可实际应用的原材料种类较少，尽管可选用若干原材料，例如纸、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是纸，其他箔材尚在研制开发中； 

3、必须进行防潮处理，纸制零件很容易吸湿变形，所以成型后必须立即进行树脂、防潮漆涂覆等后处 

4、难以构建形状精细、多曲面的零件，仅限于结构简单的零件。 

5、废料去除困难，所以该工艺不宜构建内部结构复杂的零件。 

6、当加工室的温度过高时常有火灾发生。因此，工作过程中需要专职人员职守。

 

来源：巨灵鸟 欢迎分享本文