3D打印机的发展及介绍

2020-03-02 18:42:58 来源：范文大全收藏下载本文

3D打印技术发展及介绍

1.1 3D打印技术的发展

3D打印（3DP)是近三十年来出现的一种全新的快速成型技术，它能将三维软件建立的三维数据模型，运用粉末状金属或塑料以及光固化树脂等可粘合材料，通过逐层打印的方式转化为实物，被誉为新时代的工业革命[1]。

自1986年由美国科学家Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机起[2],3D打印技术经历了三十多年的发展，从一开始只能打印简单的塑料模型到而今的打印人体器官等，3D打印技术在这30年的研发过程中取得了巨大的突破，能在一定程度上取代传统加工工艺中的机械加工及开模制造等制造工序，同时也能解决一些传统工艺无法处理的技术难题，极大地缩减了加工时间及加工成本，是如今各国重点发展的领域之一。

1.2 3D打印流程（以UV光固化3D打印机为例）各步骤简要介绍如下：

1、三维建模

通过Pro/E或其他三维绘图软件建立该零部件实体模型并保存成打印机配套切片软件所能读取的文件格式（一般为STL文件格式），以便导入到打印机切片软件中进行下一步操作[3]。

2、切片

通过三维软件建立的数据模型一般无法直接导入打印机进行打印，需要经过切片软件将模型切片并保存为相应格式才能导入打印机经行打印操作[4]。切片软件要设置的内容一般包括切片厚度、首层固化时间和每层固化时间，其中设置的层厚大小主要由打印机的打印精度决定，一般切片厚度越薄，则打印精度越高，同时层数越多，打印耗时也越长。而首层固化时间和每层固化时间则由打印机的光强及材料的性能决定，固化时间越长，则打印耗时越长。

3、打印

将事先准备好的光敏树脂倒入料槽中，并将料槽安装在机器上。选择要打印并切好片的文件，点击打印。打印机会将三维模型所切的每层内容按顺序一层层地固化在打印平台上，最终将整个模型打印固化出来。

4、后期处理

模型打印完成后用美工刀或工具铲等工具将其从打印平台上取下，并用酒精将其表面残留的树脂洗去（树脂溶于酒精），并风干。此时模型的强度和硬度一般都会表较低，如需增大模型的强度和硬度，可把模型放入固化箱内经行二次固化，从而增强模型的强度和硬度。另外还可对模型进行后期加工，如修整、上色等等，最终完成所需要的模型的制作。

1.3 3D打印技术的分类、原理及优缺点

现今的用于工业生产的3D打印技术主要以下是四种打印技术的打印原理及优缺点：

1、熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling,FDM）大致结构如图1.1所示：

图1.1 FDM结构图

·工作原理：熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴

喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品[5]。 ·材料：主要以PLA为材料 ·精度：常为0.3mm-0.2mm ·优势：制造简单，成本低廉

·劣势：由于出料结构简单，难以精确控制出料形态与成型效果，同时温度对于FDM成型效果影响非常大，精度差[6]。

2、光固化成型（Stereolithigraphy Apparatus,SLA) 大致结构如图1.2所示：

图1.2 SLA结构图

·工作原理：光固化技术，主要使用光敏树脂为材料，通过紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐层固化，最终得到完整的产品[7]。 ·材料：主要以光敏树脂为材料 ·精度：0.016mm ·优势：光固化成型的原型在外观方面非常好，成型速度快、原型精度高，非常适合制作精度要求高，结构复杂的原型[5]。

·劣势：强度弱，一般主要用于原型设计验证方面，然后通过一系列后续处理工序将快速原型转化为工业级产品，另外打印尺寸小[6]。

3、选择性激光烧结（Selecting Laser Sintering,SLS）大致结构如图1.3所示：

图1.3 SLS结构图

·工作原理：SLS利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层层堆结成型。SLS技术同样是使用层叠堆积成型，所不同的是，它首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型[8]。 ·材料：使用非常多的粉末材料

·优势：制成相应材质的成品，激光烧结的成品精度好、强度高，但是最主要的优势还是在于金属成品的制作[5]。

·劣势：首先粉末烧结的表面粗糙，需要后期处理，其次使用大功率激光器，除了本身的设备成本，还需要很多辅助保护工艺，整体技术难度较大，制造和维护成本非常高，普通用户无法承受，所以目前应用范围主要集中在高端制造领域[12]。

4、三维粉末粘接（Three Dimensional Prinnting and Gluing,3DP)

大致结构如图1.4所示：

图1.4 3DP结构图

·工作原理：3DP技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件[9]。

·材料：粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等。 ·优势：在于成型速度快、无需支撑结构，而且能够输出彩色打印产品，这是目前其他技术都比较难以实现的[10]。

·劣势：首先粉末粘接的直接成品强度并不高，只能作为测试原型，其次由于粉末粘接的工作原理，成品表面不如SLA光洁，精细度也有劣势，所以一般为了产生拥有足够强度的产品，还需要一系列的后续处理工序。此外，由于制造相关材料粉末的技术比较复杂，成本较高，所以目前3DP技术主要应用在专业领域[11]。 1.4 桌面级3D打印机

随着3D打印技术的推广和应用，3D打印机也逐渐普及，近几年更是提出了一个新的概念——桌面级3D打印机。区别于以往的体

型巨大笨重的工业级3D打印机，桌面级的3D打印机如它的名字一样更为小型轻便，成本也远远小于前者，适合个人及个体商户购买，它的出现在很大程度上促进了3D打印技术普及。

由于桌面级3D打印机走的是小型经济的路线，结合以上的四种打印技术的特点可以看出，适合运用在桌面级3D打印机上的技术为熔融沉积快速成型及光固化成型技术，而如今市面上普及的桌面级3D打印机也大都是是建立在这两种技术之上的。