三維打印原理

l3DP快速成形技術(shù)3DP快速成形技術(shù)根據(jù)其噴射材料的不同，可分為兩類：粘結(jié)成形3DP和直接成形3DP。1．1粘結(jié)成形3DP粘結(jié)成形3DP的工作原理如圖l所示。首先在成形室工作臺(tái)上均勻地鋪上一層粉末材料，接著打印頭(也稱噴頭)按照零件截面形狀，將粘結(jié)材料有選擇性地打印(噴射)到已鋪好的粉末層上，使零件截面有實(shí)體區(qū)域內(nèi)的粉末材料粘接在一起，形成截面輪廓，一層打印完后工作臺(tái)下移一定高度，然后重復(fù)上述過程。如此循環(huán)逐層打印直至工件完成，再經(jīng)后處理。得到成形制件。由粘結(jié)成形3DP的工作原理可知，基于該技術(shù)的3DP快速成形系統(tǒng)主要應(yīng)由以下幾部分組成：打印頭控制系統(tǒng)(包括噴頭、噴頭控制和粘結(jié)材料供給與控制)、粉末材料系統(tǒng)(包括粉料儲(chǔ)存、喂料、鋪料及回收)、3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與控制(包括打印頭在X軸和y軸方向的運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)在Z軸方向的運(yùn)動(dòng))、成形室、計(jì)算機(jī)硬件與軟件。粘結(jié)成形3DP中常用的成形材料是淀粉基粉末和石膏基粉末，也可以用陶瓷基粉末或金屬基粉末等其它材料直接成形陶瓷或金屬等制件。由于未粘接的粉末材料可以作支撐，因此粘結(jié)成形3DP中不需要考慮支撐，打印頭的個(gè)數(shù)最少可以只設(shè)置1個(gè)。若將粘結(jié)材料制成彩色，則該方法可以直接成形出彩色的制件，這是目前唯一可以制作彩色制件的liP工藝。目前已商品化生產(chǎn)基于該技術(shù)3DP快速成形設(shè)備的廠家是美國(guó)的ZCorporation公司。13DP成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀3DP技術(shù)是美國(guó)麻省理工學(xué)院EmanualSa—chsE朝等人開發(fā)的。3DP技術(shù)改變了傳統(tǒng)的零件設(shè)計(jì)模式，真正實(shí)現(xiàn)了由概念設(shè)計(jì)向模型設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。近幾年來，3DP技術(shù)在國(guó)外得到了迅猛的發(fā)展。美國(guó)ZCorp公司與日本RikenInstitute于2000年研制出基于噴墨打印技術(shù)的、能夠作出彩色原型件的三維打印機(jī)。該公司生產(chǎn)的Z400，Z406及Z810打印機(jī)是采用MIT發(fā)明的基于噴射黏結(jié)劑黏結(jié)粉末工藝的3DP設(shè)備。2000年底以色列的ObjectGeometries公司推出了基于結(jié)合3DInk—Jet與光固化工藝的三維打印機(jī)Quadra。美國(guó)3DSystems、荷蘭TNO以及德國(guó)BMT公司等都生產(chǎn)出自己研制的3DP設(shè)備。目前清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校和科研院所也在積極研發(fā)此類設(shè)備。3DP技術(shù)在國(guó)外的家電、汽車、航空航天、船舶、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)療等領(lǐng)域已得到了較為廣泛的應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)尚處于研究階段。自美國(guó)麻省理工學(xué)院提出基于噴射黏接劑黏接粉末工藝的3DP成形技術(shù)以來，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，國(guó)外已經(jīng)開發(fā)出多種新材料新工藝的成形技術(shù)，并已生產(chǎn)出相應(yīng)的三維打印機(jī)。根據(jù)其使用的不同材料類型，3DP成形技術(shù)可分為黏接材料三維打印成形、光敏材料三維打印成形和熔融材料三維打印成形3種工藝¨]。23DP成形技術(shù)的基本原理及流程2．13DP成形技術(shù)的基本原理3DP技術(shù)與SLA，SLS，F(xiàn)DM和LOM技術(shù)一樣，都是基于離散／堆積制造思想的快速成形技術(shù)。3DP成形技術(shù)是一種基于噴射技術(shù)，從噴嘴噴射出液態(tài)微滴或連續(xù)的熔融材料柬，按一定路徑逐層堆積成形的RP技術(shù)。三維打印也稱粉末材料選擇性黏結(jié)，其工藝原理[5]如圖1所示。噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的信息，在鋪好的一層粉末材2．23DP成形工藝的工作流程3DP技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程，涉及CAD／CAM技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、材料技術(shù)、激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等，其成形工藝過程包括模型設(shè)計(jì)、分層切片、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、打印模型及后處理等步驟。在采用3DP設(shè)備制件前，必須對(duì)CAD模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由UG，Pro／E等CAD軟件生成CAD模型，并輸出STL文件，必要時(shí)需采用專用軟件對(duì)STL文件進(jìn)行檢查并修正錯(cuò)誤。但此時(shí)生成的STL文件還不能直接用于三維打印，必須采用分層軟件對(duì)其進(jìn)行分層。層厚大，精度低，但成形時(shí)間快；相反，層厚小，精度高，但成形時(shí)間慢。分層后得到的只是原型一定高度的外形輪廓，此時(shí)還必須對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行填充，最終得到三維打印數(shù)據(jù)文件。3DP具體工作過程如下：1)采集粉末原料；2)將粉末鋪平到打