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快速成型3d打印原理技术论文
快速成型3d打印原理技术论文
快速成型3d打印技术论文篇一:
《试论3D打印技术》
摘要:
3D打印又称为增材制造,近年来得到了快速发展,应用领域不断增加。
本文对3D打印的原理及应用现状进行了分析,对3D打印在教学领域的应用模式进行了探讨。
关键词:
3D打印;应用现状;教学领域
1引言
3D打印,又称为增材制造,是快速成型技术的一种,被誉为“第三次工业革命的重要标志”,以其“制造灵活”和“节约原材料”的特点在制造业掀起了一股浪潮。
近年来,随着3D打印技术的逐步成熟、精确,打印材料种类的增加,打印价格的降低,3D打印得到了快速发展,应用领域不断增加,不仅在机械制造、国防军工、建筑等领域得到广泛应用,也逐渐进入了公众视野,走进学校、家庭、医院等大众熟悉的场所,在教育、生物医疗、玩具等行业也得到了广泛关注及应用,作为教育工作者,本文将在介绍3D打印的原理、优势、应用现状的基础上,重点探讨3D打印在教育领域的角色及应用模式。
23D打印概述
2.13D打印原理
3D打印(3Dprinting,又称三维打印),是利用设计好的3D模型,通过3D打印机逐层增加塑料、粉末状金属等材料来制造三维产品的技术[1]。
一般来说,通过3D打印获得物品需要经历建模、分割、打印、后期处理等四个环节[2],其中3D虚拟模型,可以是利用扫描设备获取物品的三维数据,并以数字化方式生成三维模型,或者是利用AutoCAD等工程或设计软件创建的3D模型,有些应用程序甚至可以使用普通的数码照片来制作3D模型,比如123DCatch[3]。
2.23D打印的优势
与传统制造技术相比,3D打印不需事先制模,也不必铸造原型,大大缩短了产品的设计周期,减少了产品从研发到应用的时间,降低了企业因开模不当可能导致的高成本风险,使得特殊和复杂结构的模型的制作也变得相对简单,产品也更能凸显个性化。
另外,3D打印是增材制造,使用金属粉或其他材料,使部件从无到有制造出来,大大减少了原材料和能源的消耗,生产上实行了结构优化。
2.33D打印的应用现状
近年来,3D打印得到了快速发展,几乎应用于各个领域。
在模具加工和机械制造领域,使用3D打印相对快速地进行模具的设计与定制,打印复杂形状的各种零件,打印具有足够强度的个性化几何造型的物件。
在航空航天、国防军工领域,3D打印应用于外形验证、关键零部件的原型制造、直接产品制造等方面。
如空客公司从打印飞机小部件开始,逐步发展,计划在2050年左右打印出整架飞机。
生物医疗领域,医学工作者利用3D打印技术打印出患者的心脏模型,缺损下颌骨模型,患者外伤性脑内血肿颅脑模型等,用于辅助诊断并制定术前手术方案,降低了手术难度,减少了手术时间,为患者带来了精准化的治疗。
人工椎体和人体气管软骨的打印让人体器官的3D打印成为可能。
3D打印的处方药产品SPRITAM(左乙拉西坦)片剂可用于各种癫痫疾病的治疗。
建筑工程领域,3D打印建筑不需使用模板,打印的建筑物重量轻,强度大,时间短,产生的建筑垃圾及建筑粉尘少,且可以循环使用,绿色环保。
3D打印在首饰、食品、玩具和日常用品的设计和生产中也有广泛应用,可以很好地彰显用户的个性化特点和需求。
3D打印在太阳能电池板和特殊材料的制造方面的应用也有突破。
33D打印在教学领域的应用
3D打印在教学方面的探索性活动也已经展开,并应用在数学、航空、电子、设计、机电工程、生物医学、天文等大部分学科中,取得了良好的教学效果。
基于3D打印的快速生成能力,使得数字化模型能快速转化为立体实物,借助立体实物的生成过程及使用可以提高教学效果,增强学生合作、设计、创新等能力。
3.1打印三维教具学具辅助教学
在课程教学中,借助于多媒体教学手段,一些抽象的图像可以相对直观的显示出来,但针对的是群体,形成的是暂时的视觉感受,印象并不是很深刻,也不易理解。
借助3D打印,可以把数字化的图像转化成实物的教具和学具,每个同学都有机会亲手感受,而且还可以亲自设计、策划,无疑对知识点的理解,知识的掌握及应用有很大的促进作用。
比如:
数学课可以打印出几何曲面、剖面立体实物;动画设计可以打印出3D人物,动物角色模型,且可以根据实效及时修改;语文课可以把要讲解的地域打印出来,如北京的胡同,同学们可以拿着模型理解胡同的特点,体验胡同文化,讲述胡同的来龙去脉;机械制造课可以根据课程内容打印相关的零件、齿轮、连杆等。
3.2实习实践过程中辅助创新设计
职业学校实习实践教学活动较多,钳工实习、数控机床实习、电子电工实习、动画设计、物联网设计等,都需要借助相应的模型,并设计出一定的模型。
借助于3D打印,同学们对需要设计的模型有一个大体的认识,然后经过集体分组的讨论、设计、修改等过程,不仅能增加学生的学习兴趣,促进学生交互学习,协作学习,且能提高学生的设计水平、思维能力和实践能力。
比如在模具设计实习中,采用项目式教学法,应用3D打印,学生分组设计、分组打印,学生在亲眼目睹自己的设计零件打印成型的过程及成品后,学习兴趣大增,多次讨论修改的过程也大大提升学生的设计水平。
在CAD课程实践环节中,使用3D打印机,可以根据教学需要来设计教学内容,对学生的设计作品3D打印出来进行评比并组装,不仅使学生熟练掌握设计软件建模的基本思路和流程,而且对如何从设计作品到具体的实物的生成有一个明确的认识,有利于日后学生进一步的学习和发展。
3.3就业创业指导
近年来,大学毕业生人数急剧增加,就业压力增大,国家大力提倡大学生创业,整个社会也兴起了一股自主创业的热潮。
对于职业学校的学生来说,有一定的专业知识,有较强的动手操作能力,有创业的热情与激情。
借助于3D打印设备,创业指导老师可以指导学生创办创意设计3D打印工作室,利用所学的专业知识,设计出相关产品并打印出来进行销售,同时也可为社会客户提供DIY服务,收取一定的培训费和制作费,也可以在校企合作的基础上为合作企业提供设计和3D打印服务。
通过3D打印的上述创业实践活动,加深学生对专业知识的巩固、对设计过程的了解,并培养创新创业意识和能力。
3.4图书馆应用
图书馆引入3D打印服务是图书馆从文献服务走向创新服务的途径。
国外很多图书馆都开展3D打印服务,国内的综合图书馆,如上海图书馆、苏州图书馆也开展3D打印服务,高校中的上海交通大学图书馆也开展3D打印服务,并且通过举办3D打印设计大赛积极推广此项服务,通过比赛普及3D打印知识,让同学们了解3D打印前沿科技,启发学生们用创新思维发现问题、智慧解决问题。
学校图书馆可以配备一两台3D打印机,并在保证健康和安全的基础上,充分考虑费用、提交步骤、等待和筛选时间等、制定详细的3D打印制度或政策,并鼓励学生打印原创作品,以发挥学生的专业特长,激发学生的创造力和想象力。
4结束语
3D打印正从工业领域,走向各个应用领域。
不久的将来,也会像电脑、手机、互联网一样进入我们的社会和每个家庭。
教育工作者应积极利用这项新技术,促进教学模式和教学活动的创新,更好地提高教学质量和教学效果,提高学生的实践能力和创新水平。
参考文献
[1]张飞相.3D打印技术的发展现状及其商业模式研究[J].新闻传播,2016
(2):
51-53.
[2]李青,王青.3D打印―一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志2013(4):
29-35.
快速成型3d打印技术论文篇二:
《浅议3D打印成型技术对模具制造技术的冲击》
摘要:
近年来,3D打印市场如火如荼,在工业设计领域将发挥巨大的作用,尤其是在产品制造方面。
随着3D打印技术的出现和普及,必将会冲击以模具制造为主的产业结构,优化产业链条。
文章通过对比3D打印成型技术与传统模具制造技术的优缺点,客观地分析了3D打印成型技术对模具制造技术的冲击。
关键词:
3D打印;模具制造;冲击
1概述
3D打印技术(增材制造技术)是快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,将材料逐层堆积制造出实物的新兴制造技术。
常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件。
3D打印技术综合了信息技术、数字建模技术、机电控制技术、材料科学与化学等诸多领域的前沿技术,被誉为“第三次工业革命”的核心技术。
传统的模具制造技术是在接单后还需对接单项目进行评审,在确定了开发要求及工艺路线后,开始模具设计。
加工之前需要按照设计的图纸备料。
接着是粗加工,最后是试模验证。
其加工流程如图1所示。
采用传统的模具制造技术制造加工出一个合格的模具所需要的人力、物力较多,生产时间也较长。
23D打印制造模具的优点
3D打印成型技术与传统模具制造业的最大区别在产品成型的过程上。
在传统的模具制造业中,模具制造一般需要经过开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等过程成型。
而3D打印则免去了那些复杂的过程,不用模具,一次成型。
可以节约很多成本。
还可以克服一些传统制造上无法达成的设计,从而制作出更复杂的结构模具。
2.1模具生产周期缩短
3D打印模具缩短了整个产品开发周期,并成为驱动创新的源头。
在以往,由于考虑到还需要投入大量资金制造新的模具,公司有时会选择推迟或放弃产品的设计更新。
通过降低模具的生产准备时间,以及使现有的设计工具能够快速更新,3D打印使企业能够承受得起模具更加频繁的更换和改善。
它能够使模具设计周期跟得上产品设计周期的步伐。
2.2模具设计的改进为终端产品增加了更多的功能性
通常,金属3D打印的特殊冶金方式能够改善金属微观结构,并能产生完全致密的打印部件,与那些锻造或铸造的材料(取决于热处理和测试方向)相比,其机械和物理性能一样或更好。
增材制造为工程师带来了无限的选择以改进模具的设计。
此外,它能够整合复杂的产品功能,使高功能性的终端产品制造速度更快、产品的缺陷更少。
3D打印可以实现任意形状的冷却通道,以确保实现随形冷却,更加优化且均匀,最终导致更高质量的零件和较低的废品率。
2.3定制模具帮助实现最终产品的定制化
更短的生产周期、制造更为复杂几何形状、以及降低最终制造成本的能力,使得企业能够制造大量的个性化工具来支持定制部件的制造。
3D打印模具非常利于定制化生产,比如医疗设备和医疗行业,它能够为外科医生提供3D打印的个性化器械,比如,外科手术导板和工具,使他们能够改善手术效果,减少手术时间。
33D打印成型技术对模具制造技术的冲击
工业产品的更新换代非常快,一个新产品生产出来后,如果没有销路,那就得不偿失。
传统模具制造技术开发一套模具需要几十万,甚至几百万元。
而利用3D打印技术,可以把产品先开发出来,直接打印。
使用3D打印技术的优势在于可以大大缩短生产的周期、节约生产成本。
比如,一套手机模具,采用传统的制造技术,须经过大约12个工作日才能完成,有时还会造成材料的浪费。
但利用3D打印技术几个小时就可以完成,而且还具有高精密度的特点,这样就能够不断提高市场竞争力,在发展中抢得先机。
3D打印的优势很明显:
可免除制造刀具、夹具和模具的过程,直接进行产品加工,解决了生产工艺难以解决的问题,还节约材料、缩短时间。
43D打印成型技术短期内无法替代传统模具制造技术
3D打印诞生近三十年了,但产业化远未形成。
虽然3D打印名气很大,但到今天还处于科普阶段。
3D打印作为一项前沿的、先导性较强的技术,可以满足个性化、定制化、复杂、高难度产品的需求,但不具有批量化、规模化的优势。
4.1传统工业的成熟给3D打印制造门槛
传统工业大生产在过去200多年可以说非常成功,发展到今天,分工也非常细,配套非常充沛,可以说是环环相扣,形成了巨大的利益攸关体,形成了巨大的惯性。
如果要打破这种惯性,成本非常高。
这些3D打印无论是颠覆或者融入,门槛都特别高。
4.2目前3D打印不适合批量生产
3D打印目前并不适合批量生产,例如3D打印技术生产1件产品和生产1万件产品的成本单价基本接近,而且3D打印需要更长的时间。
一个喷头就对应生产一个产品,而且产品体积大了,成型速度几何性降低,几个小时才成型一个东西,粗糙度不满足,还要打磨,还要精加工。
传统模具制造技术在我国大批量生产中占据明显的优势,在非批量、精密要求不是很高的产品制造领域,传统模具制造暂时不具备替代性。
4.33D打印技术的材料种类较少,而且价格较贵
尽管现在已有几百种材料能够被3D打印,但是高温塑料和一部分常用金属依旧不能被打印。
尤其金属由于热处理的问题,很容易出现打印后变性的问题,现场EOS的代表提出的比如invar,就不能被打印,而这个材料在航空发动机中却是相当重要的材料。
而且国内有能力生产3D打印材料的企业很少,特别是金属材料主要依赖进口,价格高。
4.43D打印技术的速度、效率、质量还有待提高
3D打印本身的技术原理就决定了制造精度和制造速度存在矛盾。
3D打印是一层层来制作物品。
如想提高打印精度就得增加打印层数,但是自然而然地降低了打印速度。
而提高速度的话就会有精度问题:
因为3D打印采用的是逐层堆积制造的方式,这种方式本身就存在“阶梯效应”,特别是所制造工件表面曲度较大的时候,阶梯效应就尤为明显,这会影响工件的精度。
3D打印技术和传统制造技术都存在优势和劣势,目前3D打印技术还不能替代传统制造技术。
从长远来看,随着3D打印技术的不断发展,未来打印效率不断的提高及生产成本的降低,3D技术对模具行业的影响将不容小觑。
参考文献
[1]刘斌.关于3D打印技术中的几个问题与思考[J].模具工程,2015.
[2]王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业,2012.
[3]陈兴龙.3D打印技术在模具行业中的应用研究[J].机械工程师,2016.
[4]李志君.3D打印技术在塑料加工成型及模具设计课程群教学改革中的应用探索[J].科教文汇旬刊,2015.
[5]厉成龙.3D打印技术在现代模具制造中的应用[J].装备制造技术,2015.
快速成型3d打印技术论文篇三:
《试谈3D打印技术及其应用发展》
【摘要】本文通过分析3D打印机的原理,总结了几种典型的3D打印技术,分析其市场应用和发展方向,得出3D打印技术的发展会引领第三次工业革命的发展。
【关键词】3D;打印机;3D打印技术
1.前言
近来,三维(3D)打印技术[1]在发达国家兴起,前不久在网上流传的3D打印手枪,引来许多网友围观。
3D打印现在已不再只是概念产物,全球已有不少公司推出了个人3D打印机,它已在平常生活中开始普及。
2012年4月,英国《经济学人》刊文认为,3D打印技术将与其他数字化生产模式一起,推动第三次工业革命的实现。
传统制造技术是“减材制造技术”,3D打印则是“增材制造技术”,它具有制造成本低、生产周期短等明显优势。
2.3D打印机的原理及技术
2.13D打印机
3D打印机是近年来在民用市场出现的一个新词。
在专业领域有另一个名称叫“快速成形技术”[2]。
快速成形技术诞生于20世纪80年代后期,是基于材料堆积法的一种全新制造技术。
它集分层制造技术、机械工程、数控技术、CAD、激光技术、逆向工程技术、材料科学于一体,可以直接、快速、自动、精确地将设计电子模型转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种低成本而高效的实现手段。
快速成形技术就是利用三维CAD的数据,通过快速成型机,将一层层的材料堆积成实体原型。
不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同,成形原理和系统特点也各有不同。
但是基本原理一样,那就是“分层制造,逐层叠加”[3],类似于数学上的积分过程。
形象地讲,快速成形系统就像是一台“立体打印机”,因此得名。
2.23D打印机的原理
3D打印机根据零件的形状,每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面,然后再把它们逐层粘结起来,就得到了所需制造的立体的零件。
每个截面数据相当于医学上的一张CT像片;整个制造过程就像一个“积分”的过程。
整个过程是在电脑的控制下,由3D打印系统自动完成的。
不同公司3D打印使用的成形材料不同,系统的工作原理也有所区别,但其基本原理都是一样的,那就是“分层制造、逐层叠加”。
这种工艺可以形象地叫做“增长法”。
2.33D打印技术
2.3.1SLA技术
光固化成型法(SLA)是用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由点到线,由线到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面。
这样层层叠加构成一个三维实体。
SLA是最早实用化的快速成形技术,采用液态光敏树脂原料。
其工艺过程是,首先通过CAD设计出三维实体模型,利用离散程序将模型进行切片处理,设计扫描路径,产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动;激光光束通过数控装置控制的扫描器,按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面,使表面特定区域内的一层树脂固化后,当一层加工完毕后,就生成零件的一个截面;然后升降台下降一定距离,固化层上覆盖另一层液态树脂,再进行第二层扫描,第二固化层牢固地粘结在前一固化层上,这样一层层叠加而成三维工件原型。
将原型从树脂中取出后,进行最终固化,再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。
SLA技术主要用于制造多种模具、模型等;还可以在原料中通过加入其它成分,用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。
SLA技术成形速度较快,精度较高,但由于树脂固化过程中产生收缩,不可避免地会产生应力或引起形变。
因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。
2.3.2SLS技术
选择性激光烧结技术(SLS)是采用激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成型的固化层,层层叠加生成所需形状的零件。
其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。
整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成,工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层,计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。
粉末完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉。
控制激光束再扫描烧结新层。
如此循环往复,层层叠加,直到三维零件成型。
最后,将未烧结的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件。
对于金属粉末激光烧结,在烧结之前,整个工作台被加热至一定温度,可减少成型中的热变形,并利于层与层之间的结合。
与其它3D打印机技术相比,SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。
从理论上说,任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。
目前,可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。
由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统,所以SLS的应用广泛。
2.3.3PDM技术
熔积成型(FDM)法,该方法使用丝状材料(石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝)为原料,利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度(约比熔点高1℃),在计算机的控制下,喷头作x-y平面运动,将熔融的材料涂覆在工作台上,冷却后形成工件的一层截面,一层成形后,喷头上移一层高度,进行下一层涂覆,这样逐层堆积形成三维工件。
该技术污染小,材料可以回收,用于中、小型工件的成形。
成形材料:
固体丝状工程塑料;制件性能相当于工程塑料或蜡模;主要用于塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。
2.3.4LOM技术
分层实体制造法(LOM),又称层叠法成形,它以片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料,其成形原理如图所示,激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据,将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。
切割完一层后,送料机构将新的一层纸叠加上去,利用热粘压装置将已切割层粘合在一起,然后再进行切割,这样一层层地切割、粘合,最终成为三维工件。
LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等,此方法除了可以制造模具、模型外,还可以直接制造结构件或功能件。
LOM技术的优点是工作可靠,模型支撑性好,成本低,效率高。
缺点是前、后处理费时费力,且不能制造中空结构件。
成形材料主要是涂敷有热敏胶的纤维纸;制件性能相当于高级木材;主要用途是快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。
3.3D打印技术的市场应用及发展方向
3.1建筑设计领域
建筑模型的传统制作方式,渐渐无法满足高端设计项目的要求。
全数字还原不失真的立体展示和风洞及相关测试的标准,现如今众多设计机构的大型设施或场馆都利用3D打印技术先期构建精确建筑模型来进行效果展示与相关测试[4],3D打印技术所发挥的优势和无可比拟的逼真效果为设计师所认同。
3.2磨具制造领域
玩具制作等传统的模具制造领域[5],往往模具生产时间长,成本高。
将3D打印技术与传统的模具制造技术相结合,可以大大缩短模具的开发周期,提高生产率,是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。
3D打印技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种,直接制模是指采用3D打印技术直接堆积制造出模具,间接制模是先制出快速成型零件,再由零件复制得到所需要的模具。
3.3医学领域
在医学领域的应用近几年来,人们对3D打印技术在医学领域的应用研究较多。
以医学影像数据为基础,利用3D打印技术制作人体器官模型,对外科手术有极大的应用价值,近年来许多医院推出3D打印胎儿服务。
3.4航空航天领域
在航空航天领域中,空气动力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。
该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性,采用3D打印技术,根据CAD模型,由3D打印设备自动完成实体模型,能够很好的保证模型质量。
3.5家电和食品领域
3D打印技术在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用,使许多家电企业走在了国内前列。
美的、华宝、小天鹅、海尔等都先后采用3D打印技术来开发新产品,收到了很好的效果。
3D打印在食品领域也有成功的应用。
做成的鲜肉特别有弹性,而且烹饪后肉质松散有嚼头,丝毫不逊于真正的肉,就连肉里的微细血管都能打印出来。
人们吃到“3D肉”的日子不会太远,因为美国泰尔基金会近日已投资成立了“鲜肉3D打印技术公司”,希望能够为大众提供安全放心的猪肉产品。
这种利用糖、蛋白质、脂肪、肌肉细胞等原材料打印出的肉具有和真正的肉类相似的口感和纹理,就连肉里的微细血管都能打印出来。
4.总结
3D打印是产业界自主创新的过程,政府主要负责引导方向,要让民营企业有充分的自主发展空间,同时对一些敏感行业或者产品要加强监管。
3D打印技术市场潜力巨大,势必成为引领未来制造业趋势的众多突破之一。
这些突破将使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具,改由更加灵巧的电脑软件主宰,这便是第三次工业革命的到来的标志[6]。
在这种势头下,传统的制造业将逐渐失去竞争力。
参考文献
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[5]乔益民,王家
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