江蘇鳳谷節(jié)能科技有限公司  3D打印機(jī)的原理是以一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。由于在3D打印機(jī)原理中把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。

這種數(shù)字化制造模式不需要復(fù)雜的工藝、龐大的機(jī)床、眾多的人力，直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中便可生成任何形狀的零件。并且材料利用率達(dá)到90%以上，大大降低了材料成本。

主要技術(shù)類別

到目前為止，比較流行的3D打印技術(shù)種類主要包括SLA/DLP技術(shù)、FDM熔融層積成型技術(shù)、3DP 技術(shù)、SLS選區(qū)激光燒結(jié)/SLM選區(qū)激光熔融等。

(一)SLA/DLP技術(shù)

SLA是“Stereo lithography Appearance”的縮寫，即立體光固化成型法。用特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面順序凝固，完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度，再固化另一個(gè)層面，這樣層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。

SLA 是最早實(shí)用化的快速成形技術(shù)，采用液態(tài)光敏樹脂原料，工藝原理如圖1所示。其工藝過程是，首先通過 CAD 設(shè)計(jì)出三維實(shí)體模型，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)掃描路徑，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將精確控制激光掃描器和升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng);激光光束通過數(shù)控裝置控制的掃描器，按設(shè)計(jì)的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹脂表面，使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層樹脂固化后，當(dāng)一層加工完畢后，就生成零件的一個(gè)截面;然后升降臺(tái)下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂，再進(jìn)行第二層掃描，第二固化層牢固地粘結(jié)在前一固化層上，這樣一層層疊加而成三維工件原型。將原型從樹脂中取出后，進(jìn)行最終固化，再經(jīng)打光、電鍍、噴漆或著色處理即得到要求的產(chǎn)品。

SLA 技術(shù)主要用于制造多種模具、模型等，還可以通過在原料中加入其它成分，用原型模代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)?。SLA 技術(shù)成形速度較快，精度較高，但由于樹脂固化過程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。因此開發(fā)收縮小、固化快、強(qiáng)度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢(shì)。

DLP激光成型技術(shù)和SLA立體平版印刷技術(shù)比較相似，不過它是使用高分辨率的數(shù)字光處理器(DLP)投影儀來固化液態(tài)光聚合物，逐層的進(jìn)行光固化，由于每層固化時(shí)通過幻燈片似的片狀固化，因此速度比同類型的SLA立體平版印刷技術(shù)速度更快。該技術(shù)成型精度高，在材料屬性、細(xì)節(jié)和表面光潔度方面可匹敵注塑成型的耐用塑料部件。

(二)FDM熔融層積成型技術(shù)

FDM即是Fused Deposition Modeling，熔融擠出成型工藝的材料一般是熱塑性材料，如ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。每一個(gè)層片都是在上一層上堆積而成，上一層對(duì)當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時(shí)，上層輪廓就不能給當(dāng)前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計(jì)一些輔助結(jié)構(gòu)——“支撐”，對(duì)后續(xù)層提供定位和支撐，以保證成形過程的順利實(shí)現(xiàn)。

這種工藝不用激光，使用、維護(hù)簡(jiǎn)單，成本較低。用ABS制造的原型因具有較高強(qiáng)度而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測(cè)試與評(píng)估等方面得到廣泛應(yīng)用。近年來又開發(fā)出PC，PC/ABS，PPSF等更高強(qiáng)度的成形材料，使得該工藝有可能直接制造功能性零件。由于這種工藝具有一些顯著優(yōu)點(diǎn)，該工藝發(fā)展極為迅速，目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝快速成形系統(tǒng)中的份額最大。

(三)3DP技術(shù)

3DP即3D printing，采用3DP技術(shù)的3D打印機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印技術(shù)，通過將液態(tài)連結(jié)體鋪放在粉末薄層上， 以打印橫截面數(shù)據(jù)的方式逐層創(chuàng)建各部件，創(chuàng)建三維實(shí)體模型，采用這種技術(shù)打印成型的樣品模型與實(shí)際產(chǎn)品具有同樣的色彩，還可以將彩色分析結(jié)果直接描繪在模型上，模型樣品所傳遞的信息較大。

美國麻省理工大學(xué)的Emanual Sachs教授于1989年申請(qǐng)了三維印刷技術(shù)(3DP)的專利。這是一種以陶瓷、金屬等粉末為材料，通過粘合劑將每一層粉末粘合到一起，通過層層疊加而成型。1993年，粉末粘合成型工藝是實(shí)現(xiàn)全彩打印最好的工藝，使用石膏粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等作為材料，是目前最為成熟的彩色3D打印技術(shù)。

(四)SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)/SLM激光熔融技術(shù)

SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，即Selective Laser Sintering，和3DP技術(shù)相似，同樣采用粉末為材料。所不同的是，這種粉末在激光照射高溫條件下才能融化。噴粉裝置先鋪一層粉末材料，將材料預(yù)熱到接近熔化點(diǎn)，在采用激光照射，將需要成型模型的截面形狀掃描，使粉末融化，被燒結(jié)部分粘合到一起。通過這種過程不斷循環(huán)，粉末層層堆積，直到最后成型。

SLS最初是由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Carlckard 于1989年在其碩士論文中提出的。后美國 DTM 公司于 1992年推出了該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備Sinter Sation。幾十年來，奧斯汀分校和 DTM 公司在SLS領(lǐng)域做了大量的研究工作，在設(shè)備研制和工藝、材料開發(fā)上取得了豐碩成果。德國的EOS公司在這一領(lǐng)域也做了很多研究工作，并開發(fā)了相應(yīng)的系列成型設(shè)備。其中，激光燒結(jié)技術(shù)是成型原理最為復(fù)雜、成型條件最高、設(shè)備及材料成本最高的3D打印技術(shù)，也是目前對(duì)3D打印技術(shù)發(fā)展影響最為深遠(yuǎn)的技術(shù)。目前，SLS技術(shù)成型材料的種類很多，可以是尼龍、蠟、陶瓷、金屬等。

(五)LOM 技術(shù)

分層實(shí)體制造法LOM(Laminated Object Manufacturing)，又稱層疊法成形，它以片材(如紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料)為原材料，其成形原理如圖4所示，激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的紙用激光切割出工件的內(nèi)外輪廓。切割完一層后，送料機(jī)構(gòu)將新的一層紙疊加上去，利用熱粘壓裝置將已切割層粘合在一起，然后再進(jìn)行切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維工件。

LOM 技術(shù)主要用于快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。除了可以制造模具、模型外，LOM技術(shù)還可以直接制造構(gòu)件或功能件，其制件性能相當(dāng)于高級(jí)木材。目前，LOM技術(shù)常用材料是敷有熱敏膠的纖維紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等。LOM技術(shù)的特點(diǎn)是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點(diǎn)是前、后處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不能制造中空結(jié)構(gòu)件。

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