D打印技術(shù)工藝

3D打印技術(shù)工藝研究分析Contents3D打印的定義13D打印的發(fā)展歷史23D打印過程33D打印的優(yōu)缺點43D打印技術(shù)目前存在的問題53D打印的應(yīng)用63D打印材料73D打印各項技術(shù)的工藝原理及其特點83D打印產(chǎn)品精度影響因素及工藝參數(shù)的控制9打印件翹曲原因分析103D打印技術(shù)減少翹曲變形的措施113D打印的定義3D打印即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運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)。3D打印的發(fā)展歷史1986年，CharlesHull開發(fā)了第一臺商業(yè)3D印刷機。1993年，麻省理工學(xué)院獲3D印刷技術(shù)專利。1995年，美國ZCorp公司從麻省理工學(xué)院獲得唯一授權(quán)并開始開發(fā)3D打印機。2005年，市場上首個高清晰彩色3D打印機SpectrumZ510由ZCorp公司研制成功。2010年11月，世界上第一輛由3D打印機打印而成的汽車Urbee問世。

3D打印汽車Urbee2011年6月6日，發(fā)布了了全球第一一款3D打印的比基基尼。2011年7月，英國研研究人員開開發(fā)出世界界上第一臺臺3D巧克力打印印機。世界上第一一臺3D巧克力打印印機巧克力打印印機的作品品2011年8月，南安普普敦大學(xué)的的工程師們們開發(fā)出世世界上第一一架3D打印的飛機機。第一架3D打印的飛機機2012年11月，蘇格蘭蘭科學(xué)家利利用人體細(xì)細(xì)胞首次用用3D打印機打印印出人造肝肝臟組織。。2013年10月，全球首首次成功拍拍賣一款名名為“ONO之神”的3D打印藝術(shù)品品。2013年11月，美國國德克薩薩斯州奧奧斯汀的的3D打印公司司“固體體概念””設(shè)計制制造出3D打印金屬屬手槍。3D打印金屬屬手槍缺缺點：僅限于短周周期或者者是短時時間內(nèi)的的使用，，沒有辦辦法在長長時間內(nèi)內(nèi)滿足使使用的要要求。通通過3D打印得到到的武器器結(jié)構(gòu)強強度，需需要進(jìn)一一步論證證。3D打印過程程模型后處理進(jìn)行3D模型打印切片處理生成二維圖形信息三維設(shè)計計建立模型型完成模型打印3D打印的優(yōu)優(yōu)缺點3D打印技術(shù)術(shù)的優(yōu)點點：1、制造復(fù)復(fù)雜物品品不增加加成本2、產(chǎn)品多多樣化不不增加成成本3、無須組組裝4、設(shè)計空空間無限，能設(shè)計計出傳統(tǒng)統(tǒng)機械難難以制造造的形形狀狀5、減少廢棄棄副產(chǎn)品品6、精確的實實體復(fù)制3D打印技術(shù)術(shù)的缺點點：1、打印能使用的材料有限（現(xiàn)階段個個人級用用戶使用用的3D打印機大大部分都都使用的的是塑料料這一載體）、打印出來來產(chǎn)品的的耐用的性不高2、對設(shè)備性性能要求求高，設(shè)設(shè)備比較較昂貴。。3D打印的應(yīng)應(yīng)用航空領(lǐng)域域在美國太空空探索技技術(shù)公司司的不載載人飛船“龍”向向空間站運運送的大大量日常常物資與與科學(xué)實實驗設(shè)備備中有這這臺3D打印機。。宇航員員可以在在太空““打印””零部件件，制造造出國際際空間站站30%零部件隨“龍””飛船上上太空的的3D打印機美國弗吉吉尼亞大大學(xué)的學(xué)學(xué)生史蒂蒂芬?伊斯特(StevenEaster)和喬納森森?圖爾曼(JonathanTurman)通過3D打印技術(shù)術(shù)制造出出一架飛飛機模型型并成功功試飛。。通用電氣氣航空集集團(GEAviation)使用3D打印機制制造飛機機噴氣引擎體育領(lǐng)域耐克拋棄棄傳統(tǒng)制制鞋的過過程，使使用3D打印制造造的“VaporLaserTalon”鞋子醫(yī)療領(lǐng)域域3D打印的人人體器官官3D打印的第第一顆人人類心臟臟3D打印的配配義肢及及髖關(guān)節(jié)節(jié)3D打印材料料（1）金屬(metals)1）黑色金金屬(ferrousmetals)不銹鋼(stainlesssteel)高溫合金金(superalloy)3D打印的不不銹鋼飾飾物3D打印的IN718鎳基高溫溫合金轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子2）有色金金屬(non-ferrousmetals)鈦(titanium)rvnDSGN團隊利用用3D打印技術(shù)術(shù)將鈦粉粉快速而而高效地地打印成成精致的的手表。英國的Metalysis公司利用用鈦金屬屬粉末成成功打印印了葉輪輪和渦輪輪增壓器器等汽車車零件3D打印的鈦鈦手表3D打印的渦渦輪葉輪輪鎂鋁合金金(magnesium-aluminumalloy)日本佳能能公司利用3D打印技術(shù)術(shù)制造出出了頂級級單反相相機殼體體上的鎂鎂鋁合金金特殊曲曲面頂蓋。3D打印的頂頂級單反反相機殼殼體上的的鎂鋁合合金特殊殊曲面頂頂蓋鎵(gallium)3D打印的液液態(tài)金屬屬鎵鎵-銦合金(gallium-indiumalloy)3D打印的鎵鎵-銦液態(tài)合合金3）稀貴金金屬(rareandpreciousmetals)金(gold)純銀(sterlingsver)黃銅(brass)3D打印的葉葉形金戒戒指3D打印的菌菌絲銀戒戒指3D打印的黃黃銅戒指指（2）聚合物物(poymer)ABS丙烯腈-丁二烯-苯乙烯EP彈性塑料料PLA聚乳酸Endur，一種先先進(jìn)的仿仿聚丙烯烯材料3D打印的ElastoPlastic鞋3D打印的PLA螺栓和螺母母3D打印的筆筒筒（3）陶瓷(ceramic)（4）復(fù)合材料料(composite)3D打印的陶瓷瓷茶杯3D打印的超強強聚合物部部件3D打印各項技技術(shù)的工藝藝原理及其其特點物體成型的方式式主要有以以下四類：減材成型、受受壓成型、、增材成型型、生長成成型。3D打印技術(shù)從從狹義上來來說主要是是指增材成成型技術(shù)。LOM：分層實體成型工工藝LOM分層實體成成型工藝LOM分層實體成成型工藝設(shè)備分層實體成成型系統(tǒng)主主要包括計計算機、數(shù)數(shù)控系統(tǒng)、、原材料存存儲與運送送部件、熱熱粘壓部件件、激光切切系統(tǒng)、可可升降工作作臺等部分分組成。LOM：分層實體成成型工藝LOM技術(shù)的基本原理圖LOM分層實體成成型工藝特點優(yōu)點：1、LOM工藝采用的的原料價格格便宜，因因此制作成成本極為低低廉2、其適用于大大尺寸工件件的成型，，成型過程程無需設(shè)置置支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)，多余的的材料也容容易剔除，，精度也比比較理想。。缺點：由于LOM技術(shù)成型材材料的利用用率不高，，材料浪費費比較嚴(yán)重。SLA：立體光固固化成型工工藝SLA：立體光固固化成型工藝原理SLA：立體光固固化成型工工藝SLA：立體光固固化成型工藝特點優(yōu)點：1、SLA工藝成型效效率高，系系統(tǒng)運行相相對穩(wěn)定；2、成型精度高高，適合制作結(jié)結(jié)構(gòu)異常復(fù)復(fù)雜的模型。缺點：1、成型尺寸也有較較大的限制，不適合制作體體積龐大的的工件；2、成型過程中伴隨隨的物理變變化和化學(xué)學(xué)變化可能能會導(dǎo)致工工件變形，，因此成型型工件需要要有支撐結(jié)構(gòu)；3、SLA工藝所支持持的材料還還相當(dāng)有限限且價格昂昂貴，液態(tài)態(tài)的光敏樹樹脂具有一一定的毒性性和氣味，，材料需要要避光保存存以防止提提前發(fā)生聚聚合反應(yīng)。。4、SLA成型的成品品硬度很低低而相對脆脆弱，使用用SLA成型的模型型還需要進(jìn)進(jìn)行二次固固化，后期期處理相對對復(fù)雜。SLS：選擇性激激光燒結(jié)工工藝SLS：選擇性激光燒結(jié)工藝原理SLS：選擇性激激光燒結(jié)工工藝SLS特點：優(yōu)點：1、SLS工藝支持多多種材料；2、成型工件無無需支撐結(jié)結(jié)構(gòu)；3、材料利用率率較高；4、在成型的過過程中，未未經(jīng)燒結(jié)的的粉末對模模型的空腔腔和懸臂起起著支撐的的作用，因因此SLS成型的工件件不需要像像SLA成型的工件件那樣需要要支撐結(jié)構(gòu)。缺點：1、SLS設(shè)備的價格格和材料價價格仍然十十分昂貴；2、燒結(jié)前材料料需要預(yù)熱熱，燒結(jié)過過程中材料料會揮發(fā)出出異味，設(shè)設(shè)備工作環(huán)環(huán)境要求相相對苛刻。。SLS與SLA區(qū)別相似之處：都需要借助助激光將物物質(zhì)固化為為整體。不同之處：：1、SLA使用的是紫外外激光，SLS工藝使用的是是紅外激光束；2、材料則由光敏樹脂脂變成了塑料料、蠟、陶瓷瓷、金屬或其其復(fù)合物的粉粉末。SLS工藝使用的材材料與SLA相比相對豐富富些，主要有有石蠟、聚碳碳酸酯、尼龍龍、纖細(xì)尼龍龍、合成尼龍龍、陶瓷甚至至還可以是金金屬。FDM：熔融沉積成成型工藝FDM：熔融沉積成成型工藝原理FDM：熔融沉積成成型工藝FDM：熔融沉積成成型工藝特點FDM工藝無需激光光系統(tǒng)的支持持，所用的成成型材料也相相對低廉，總總體性價比高。熔融沉積成型型技術(shù)（FDM）中目前常用用的打印材料有ABS與PLA兩種。兩種材料的比較:ABS即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物物，它是非晶晶體，具有強強度高、韌性性好、熔點高高、凝固快、、流動性低的的特點，是一一種易于加工工成型的熱塑塑型高分子材材料，應(yīng)用較較為廣泛，但但ABS在加熱時會產(chǎn)產(chǎn)生刺激性氣氣味且收縮率率較大，且成成型精度不易易控制。PLA是聚乳酸的簡簡稱，主要以以玉米、木薯薯等為原料，，具有可降解解性，加熱融融化時氣味小小，成型時收縮率較低，打印大型零零件模型時邊邊角不易，且熔點較低，，所以在實際中選擇PLA作為打印材料料。FDM注意要點：采用FDM工藝制作具有有懸空結(jié)構(gòu)的的工件原型時時需要有支撐撐結(jié)構(gòu)的支持持，為了節(jié)省省材料成本和和提高成型的的效率；新型的FDM設(shè)備會采用了了雙噴頭的設(shè)設(shè)計，一個噴噴頭負(fù)責(zé)擠出出成型材料，，另外一個噴噴頭負(fù)責(zé)擠出出支撐材料。。一般來說，用于成型的的材料絲相對對更精細(xì)一些些，而且價格格較高，沉積積效率也較低低。用于制作作支撐材料的的絲材會相對對較粗一些，，而且成本較較低，但沉積積效率會更高高些。支撐材材料一般會選選用水溶性材材料或比成型型材料熔點低低的材料，這這樣在后期處處理時通過物物理或化學(xué)的的方式就能很很方便地把支支撐結(jié)構(gòu)去除除干凈。3DP：三維印刷工工藝3DP：三維印刷工藝原理3DP：三維印刷工工藝3DP技術(shù)特點：3DP技術(shù)成型速度度非常快，適適用于制造結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工工件，也適用用于制作復(fù)合合材料或非均均勻材質(zhì)材料料的零件。3DP工藝與SLS工藝比較相同之處：采用的都是粉末狀狀的材料，如如陶瓷、金屬屬、塑料。不同之處：3DP使用的粉末并并不是通過激激光燒結(jié)粘合合在一起的，，而是通過噴噴頭噴射粘合合劑將工件的的截面“打印”出來并一層層層堆積成型的。PolyJet：聚合物噴射射技術(shù)PolyJet：聚合物噴射射技術(shù)PolyJet：聚合物噴射射技術(shù)工藝原理PolyJet技術(shù)也是當(dāng)前前最為先進(jìn)的的3D打印技術(shù)之一一，它的成型型原理與3DP有點類似，不不過噴射的不不是粘合劑而而是聚合成型型材料。PolyJet聚合物噴射系系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)PolyJet：聚合物噴射射技術(shù)特點1、成型的工件精度非非常高；2、支持多種不同性質(zhì)質(zhì)的材料同時時成型，能夠夠制作非常復(fù)復(fù)雜的模型。3、工件成型的過過程中使用兩種不同類型型的光敏樹脂脂材料，一種種是用來生成成實際的模型型的材料，另另一種是類似似膠狀的用來來作為支撐的的樹脂材料。。最新的打印技技術(shù)：CLIP技術(shù)CLIP技術(shù)CLIP技術(shù)工藝原理CLIP技術(shù)特點：1、采用新材料，，比如合成橡橡膠、硅氧樹樹脂、尼龍、、陶瓷和可降降解生物材料料等，大大擴擴展了3D打印的材料范圍；2、打印速度很快，相相比于其他打打印技術(shù)速度度提高了25～100倍；3、不僅能打印許許多前所未有有的幾何形狀狀，而且可以以打印非常精精細(xì)的物品，，精度小于20mm。CLIP打印的“埃菲菲爾鐵塔”作作為Science雜志封面CLIP與幾種3D打印技術(shù)的速速度比較3D打印產(chǎn)品精度度影響因素及及工藝參數(shù)的的控制1）打印印機精精度及及材料料性能能打印機機本身身的制制造和和裝配配精度度以及及工作作過程程中的的振動動都會會影響響其打打印精精度，，比如如XY平面誤誤差、、X-Y軸與導(dǎo)導(dǎo)軌垂垂直度度誤差差及定定位誤誤差等等。此此外，，打印印機框框架結(jié)結(jié)構(gòu)及及所用用材料料剛度度對其其穩(wěn)定定性也也有著著很大大影響響。同同時，，不同同的材材料，，其熔熔點、、流動動性、、收縮縮率等等各不不相同同，這這些也也都直直接影影響制制品精精度。。2）工藝藝參數(shù)數(shù)（1）擠出出壓力力的影響不同擠擠出壓壓力下下膏體體的擠擠出情情況（2）溫度擠出頭頭加熱熱溫度度主要要影響響材料料的粘粘結(jié)堆堆積性性能及及絲材材流動動性溫度過過低將將使材材料難難以粘粘結(jié)到到熱床床上或或是發(fā)發(fā)生如如下圖圖所示示的層層間剝剝離，，同時時易造造成噴嘴堵塞；；過高高則會會使材材料擠擠出時時偏于于液態(tài)態(tài)，不易易于控制的的絲狀狀。層間剝離離接影影響打打印制制品的的熱應(yīng)應(yīng)力及及其與與底板板的粘粘結(jié)力力，過過低會會造成成翹曲曲、脫脫落等等現(xiàn)象象。層間剝剝離（3）噴嘴嘴直徑徑與層層厚噴嘴直直徑?jīng)Q決定擠擠出絲絲的寬寬度，，進(jìn)而而影響響成品品精細(xì)細(xì)程度度。由由于3D打印的的材料料是一一層一一層鋪鋪起來來的，，故層層厚的的設(shè)置置同樣樣也會會影響響制品品的粗粗糙度度。若若選用用大直直徑的的噴嘴嘴、層層厚設(shè)設(shè)置的的厚，，則打打印耗耗時短短，但但成品品較粗粗糙；；反之之，則則耗時時長，，但得得到的的成品品更精精細(xì)。。打印印時需需綜合合模型型尺寸寸、用用途來來合理理選用用噴嘴嘴設(shè)置置層厚厚。實驗證證明當(dāng)分層厚厚度為為擠出出頭直直徑的的80%～90%時，打打印出出的零零件的的成形形效果果較好好。不同分分層厚厚度情情況下下打印印的零零件（4）打印印速度3D打印是是一個個打印印速度度與擠擠出速速度相相互配配合的的過程程，二二者需需要合合理匹匹配才才能達(dá)達(dá)到打打印要要求。。若打打印遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于于擠出出，則則材料料填充充不足足，導(dǎo)導(dǎo)致斷斷絲；；反之之則會會使熔熔絲堆堆積在在擠出出頭上上，導(dǎo)導(dǎo)致材材料分分布不不均，，在零零件表表面形形成疙疙瘩。不同掃掃描速速度下下的零零件出出現(xiàn)的的缺陷陷（5）填充充方式不同同的填填充充方方式式對對應(yīng)應(yīng)的的打打印印速速度度、、制制品品的的收收縮縮應(yīng)應(yīng)力力也也不不同同。。例例如如，，直直線線填填充充速速度度較較快快，，而而蜂窩窩狀填充充產(chǎn)產(chǎn)生生的的收縮縮應(yīng)應(yīng)力力較較小小。圖圖（（a）所所示示為為直直線線填填充充的的圓圓柱柱，，每每層層均均為為互互相相垂垂直直的的線線；；圖圖（（b）為為蜂蜂窩窩狀狀填填充充，，其其上上下下兩兩層層為為直直線線填填充充。。（6）冷冷卻卻打印印PLA等流流動動性性較較高高的的材材料料時時會會出出現(xiàn)現(xiàn)前前一一層層尚尚未未完完全全成成型型，，后后一一層層便便開開始始在在其其上上打打印印的的情情況況，，這這無無疑疑會會損損害害制制品品精精度度。。所所以以一一般般3D打印印機機都都在在擠擠出出頭頭邊邊設(shè)有有下圖圖所示的的風(fēng)風(fēng)扇扇，，以以加加快快固固化化過過程程。。打打印印前前應(yīng)應(yīng)設(shè)設(shè)置置合合適適的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速，，從從而而獲獲得得較較好好的的成成型型效效果果。。而而有有些些材材料料，，如如ABS，本本身身流流動動性性較較低低，，因因而而不不需需要要風(fēng)風(fēng)扇扇進(jìn)進(jìn)行行冷冷卻卻，，否否則則會會引引起起制制件件翹翹曲曲。。3D打印印機機冷冷卻卻風(fēng)風(fēng)扇扇打印印件件翹翹曲曲原原因因分分析析造成成翹曲曲變變形形主主要要是是由由于于在在分分層層成成型型過過程程中中，，材材料料堆堆積積不不同同步步而而引引起起各各層層間間體體積積收收縮縮不同同，進(jìn)進(jìn)而而造造成成內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力不不等等而而產(chǎn)產(chǎn)生生的。。若新新的的堆堆積積層層能能夠夠自自由由收收縮縮，，則則不不會會產(chǎn)產(chǎn)生生內(nèi)內(nèi)部部應(yīng)應(yīng)力力，，但但實實際際上上，，由由于于新新堆堆積積層層底底面面受受到到已已完完成成部部分分的的外外力力作作用用，，不不能能完完全全收收縮縮，，便便會會不不可可避避免免的的產(chǎn)產(chǎn)生生內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力。。3D打印技術(shù)術(shù)減少翹翹曲變形形的措施施減緩成形過程程中模型型尾部尖尖角部位位的熱傳傳導(dǎo)和對對流散熱熱，降低低冷卻速速度，從從而減緩緩該部位位凝固收收縮應(yīng)力力?？梢砸詮囊韵孪氯矫婷孢M(jìn)行控控制：降低3D打印層厚厚，這樣樣可以減減少打印印的新增增層冷卻卻時新增增層底部部與頂部部間的溫溫差，減減少其收收縮的不不均勻。。加快成形形速度這這樣就減減少了同同一水平平高度上上在長軸軸方向不不同部位位的溫差差，減少少了不同同部位間間的收縮縮不均勻勻。減少模型型內(nèi)部填填充密度度（右圖所示，填填充模式式由“松松散”（（填充網(wǎng)網(wǎng)格為邊邊長2mm的正方形形）改為為“中空空”（填填充網(wǎng)格格為邊長長4mm的正方形形），這這樣就減減少模型型內(nèi)部的的塑料填填充量，，減少了了模型主主體區(qū)域域的打印印時間并并加快了了模型主主體的冷冷卻凝固固速度，，從而減減少了模模型主體體與模型型尾部之之間的溫溫差，進(jìn)進(jìn)而減少少了模型型主體與與模型尾尾部之間間的收縮縮不均勻勻。支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)的設(shè)置置及處理理制件有懸空結(jié)結(jié)構(gòu)時，，為了不不使其塌塌陷，在在打印過過程中，，首先要要在內(nèi)部部打出支支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)，打印印結(jié)束時時再將支支撐材料料剝離。。但是在在滿足要要求的前前提下，，支撐結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)設(shè)置的盡盡量少，，且所在在位置要要易于剝剝離。蜂窩型支支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)ThankYou!9、靜夜夜四無無鄰，，荒居居舊業(yè)業(yè)貧。。。12月月-2212月月-22Wednesday,December7,202210、雨中黃黃葉樹，，燈下白白頭人。。。21:56:1021:56:1021:5612/7/20229:56:10PM11、以我獨沈沈久，愧君君相見頻。。。12月-2221:56:1021:56Dec-2207-Dec-2212、故人江海海別，幾度度隔山川。。。21:56:1021:56:1021:56Wednesday,December7,202213、乍乍見見翻翻疑疑夢夢，，相相悲悲各各問問年年。。。。12月月-2212月月-2221:56:1021:56:10December7,202214、他鄉(xiāng)生白發(fā)發(fā)，舊國見青青山。。07十二月月20229:56:10下午21:56:1012月-2215、比不了得就就不比，得不不到的就不要要。。。十二月229:56下下午12月-2221:56December7,202216、行行動動出出成成果果，，工工作作出出財財富富。。。。2022/12/721:56:1021:56:1007December202217、做做前前，，能能夠夠環(huán)環(huán)視視四四周周；；做做時時，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿著著以以腳腳為為起起點點的的射射線線向向前前。。。。9:56:10下下午午9:56下下午午21:56:1012月月-229、沒有有失敗敗，只只有暫暫時停停止成成功！！。12月月-2212月月-22Wednesday,December7,202210、很多多事情情努力力了未未必有有結(jié)果果，但但是不不努力力卻什什么改改變也也沒有有。。。21:56:1021:56:1021:5612/7/20229:56:10PM11、成功就是是日復(fù)一日日那一點點點小小努力力的積累。。。12月-2221:56:1021:56Dec-2207-Dec-2212、世間成事事，不求其其絕對圓滿滿，留一份份不足，可可得無限完完美。。21:56:1021:56:1021:56Wednesday,December7,202213、不不知知香香積積寺寺，，數(shù)數(shù)里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2221:56:1021:56:10December7,202214、意意志志堅堅強強的的人人能能把把世世界界放放在在手手中中像像泥泥塊塊一一樣樣任任意