深度解读3D打印(增材制造)技术

国际金属加工网 2015年02月28日

3D打印技术的快速发展已经对某些传统行业造成了一定的影响甚至冲击。随着3D打印技术的更新迭代,这种影响将会日益深远。

3D打印技术(ThreeDimensionsPrintingTechnology)是快速成形技术的一种,它是将计算机设计出的三维数字模型分解成若干层平面切片,然后由3D打印机把粉末状、液状或丝状塑料、金属、陶瓷或砂等可粘合材料按切片图形逐层叠加,最终堆积成完整物体的技术[1]。该技术综合了数字建模技术、信息技术、机电控制技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识,是一种具有很高科技含量的综合性应用技术。3D打印技术可以实现大规模的个性化生产,可以制造出传统生产技术无法制造出的外形。并且可以实现首件的净型成形,大大减小了后期的辅助加工量,避免了委外加工的数据泄密和时间跨度。另外,由于其制造准备和数据转换的时间大幅减少,使得单件试制、小批量生产的周期和成本降低,特别适合新产品的开发和单件小批量零件的生产[2]。这些优势使3D打印成为一种潮流,目前已在建筑、工业设计、珠宝、鞋类、模型制造、汽车航空航天医疗、教育、地理信息系统等诸多领域都得到了广泛的应用。该技术将会带来全球制造业经济的重大变革,同时它也是第三次工业革命中数字化制造的重要标志。3D打印产业将成为下一个具有广阔前景的朝阳产业。扩展阅读3D工业打印机最新技术与应用专题

3D打印的技术原理及步骤

原理

3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本,用软件将其离散分解成若干层平面切片,然后由数控成型系统利用激光束、热熔喷嘴等方式将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。3D打印机是3D打印的核心装备,它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统,主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。与传统制造业的“减材制造技术”相反,3D打印遵从的是加法原则,即“逐层叠加”原则,不再需要传统的刀具、夹具和机床,能实现设计制造一体化,从而大幅降低了生产成本和缩短了加工周期,提高了原材料和能源的利用率,减少了对环境的影响,并且能实现复杂结构产品的设计制造,成型产品的密度也更加均匀。

步骤

辅助设计人员使用计算机建模软件制作出产品的三维数字模型,再根据模型自动分析出打印的工序,之后按下“打印”键,3D打印机就可以把它们打印出来。3D打印与传统打印原理是一样的,只是所用的打印原材料不一样,传统打印用的是“墨水”,而用于3D打印的原材料则必须是能够液化、粉末化、丝化的塑料、金属、陶瓷或砂等,在打印完成后又能重新结合起来,并具有合格的物理、化学性质。

三维设计

三维打印的设计过程是:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维立体模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。3D设计软件是3D打印的数据源头,3D打印所需的模型是由3D设计软件创建的,国内的3D设计软件包括CAD、中望3D、CAXA等。虽然目前3D打印的专用软件不少,但更为直观、简单、实用的3D打印专用软件还有待开发。

切片处理

3D打印与激光成型技术一样,采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层的打印过程分为两步[3],首先打印机通过读取文件中的横截面信息,在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散。然后喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将被“打印”成型,打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型,而剩余粉末还可循环利用。

完成打印

3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够,但在弯曲的表面可能会比较粗糙,像图像上的锯齿一样,要获得更高分辨率的物品可以先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体,再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

3D打印的常用材料及主要技术

3D打印的常用材料

全彩色石膏材料

材料本身是石膏基粉末,是用粘接剂结合在一起,同时用喷墨头嵌入。使用该材料打印出来的产品坚硬,稍脆,但它是唯一一个可以打印全彩色的材[4],打印出来的样品色彩亮丽,栩栩如生。

工程塑料

工程塑料是被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料,是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。主要有以下三种。

PC材料

它是真正的热塑性材料,具备工程塑料的所有特性。高强度,耐高温,抗冲击,抗弯曲,可以作为最终零部件使用,应用于交通工具及家电行业。

PC-ISO材料

它是一种通过医学卫生认证的热塑性材料,广泛应用于药品及医疗器械行业,可以用于手术模拟,颅骨修复,牙科等专业领域。

PC-ABS材料

它是一种应用最广泛的热塑性工程塑料,应用于汽车,家电及通信行业。

3D打印

光敏树脂

由聚合物单体与预聚体组成,其中加有光(紫外光)引发剂(或称为光敏剂)。在一定波长的紫外光(250-300纳米)照射下立刻引起聚合反应完成固化,一般为液态。一般用于制作高强度、耐高温、防水等的材料。主要有以下三种。

Somos19120材料

它是粉红色材质,铸造专用材料。成型后直接代替精密铸造的蜡膜原型,避免开模具的风险,大大缩短周期。拥有低留灰烬和高精度等特点。

Somos11122材料

它是半透明材质,类ABS材料。抛光后能做到近似透明的艺术效果。此种材料广泛用于医学研究、工艺品制作和工业设计等行业。

SomosNext材料

它是白色材质,类PC新材料,材料韧性较好,精度和表面质量更佳,制作的部件拥有最先进的刚性和韧性结合。

3D打印常用的材料还有尼龙材料、金属材料、石蜡材料、橡胶材料、生物材料等。

3D打印的主要技术

SLA立体光固化成型技术

该技术的原理是用特定波长与强度的“光”聚焦到“光固化材料”表面,从而完成单层材料的图形化。使用的材料是液态光敏树脂。特点是成形速度较快,精度相对较高,外形表面非常好。主要用于制造多种模具、模型。

FDM容积成型技术

其原理是将丝状材料通过加热器的挤压头熔化成液体,微喷头作x-y平面运动,将熔融的材料涂覆在成型的“作品”上,冷却后便完成一层图形的制作。使用的材料是丝状材料(石蜡、金属、工程塑料、低熔点合金丝)。特点是使用、维护简单,成本较低,速度快,复杂程度原型仅需要几个小时即可成型。主要用于塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

LOM分层实体制造技术

其原理是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薄材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,利用粘压装置将已切割层粘合在一起。使用的材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜及涂敷有热敏胶的纤维纸等。特点是工作可靠,模型支撑性好,成本低,效率高。主要用于快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。

3DP三维粉末粘接技术

其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,获得最终工件。使用的材料是粉末材料,如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等。特点是成型速度快、无需支撑结构,而且能够输出彩色打印产品,目前其他技术比较难以实现。主要应用在专业领域。

SLS选择性激光烧结技术

其原理是先铺一层粉末材料,控制激光束有选择性地进行烧结,使粉末材料温度升至熔化点,被烧结部分便固化形成图形,接着不断重复铺粉、烧结的过程,直至完成整个模型成型。使用的材料是金属粉末材料(Ni基合金混铜粉、Ti、Fe、Cu粉末等)。特点是成品精度好、强度相对较高,最主要的优势在于金属成品的制作。主要应用在高端制造领域。

安全隐患

3D打印机是能源吞食者

根据拉夫伯拉大学的研究显示,当塑料随着高温和激光融化的时候,做一个相同质量的模型,3D打印机所消耗的电力能源比注射模塑的方法多约50到100倍。2009年,麻省理工学院的环境友好制造业项目指出,激光直接产生金属沉积物(金属粉末融合在一起)所需电能是传统铸造方法和加工方法的好几百倍之多。正因为如此,3D打印机为小批量生产提供了更好的条件。工业型的3D打印机并不会在短时间内减少我们对煤电能源的使用。

有害的空气排放物

根据伊利诺理工大学的研究显示,当你在家里使用3D台式打印机的时候,它可能会对人的健康产生危害。3D打印台式机在工作时的排放物与点燃一根香烟或是在一个煤气炉或电热炉上做菜时所产生的排放物相类似。2013年有一项研究第一次去测量3D台式打印机产生的空气中的颗粒排放物。当塑料融化、打印小型物体的时候,3D打印机使用PLA长丝以每分钟20亿个的速度放射出极细微的粒子,而使用ABS放射粒子的速度更是高达每分钟200亿个。这些粒子可以在人体的肺部、血管中沉积下来,会影响到人体健康,特别是对于有哮喘病的人。

对塑料的依赖

在微小网上曾刊登过一篇关于ABS和PLA材料的介绍,这两种都是3D打印过程中常用的材料。而历史上曾有一次大型的环境保护运动,就是宣扬从环保袋到水瓶再到家庭用品都使用可回收的材料代替塑料,旨在减少人们对塑料的依赖性。而最受欢迎的、最便宜的3D打印机使用的就是塑料长丝。虽然总体来说,使用原材料能够减少浪费,但是机器会把没用过或者是多出来的塑料物质留在打印机上,这些塑料副产品最终会进入到垃圾填埋堆里。如果3D打印准备实现工业化,那么副产品或其他可回收的塑料物质就需要被重新利用。

知识产权和牌照的战争

一月份的时候,3D System获得了玩具特许权持有者Gentle Giant 公司颁发的合法牌照,诸如霍比特人、行尸走肉、哈利波特、异形和星球大战。高德纳公司曾经说过,四年内他们公司可能会付给牌照持有者或知识产权持有者至少1000亿美元。3D打印将会改变这一企业市场的状况——同时也会改变黑市对这些持有权的供求状况,法律在这方面一定要下点功夫才行。这一种潜在的数字化剽窃现状比得上互联网对电影和音乐产业版权、商标和非法下载的挑战程度。微小网上有一篇《3D打印如何挑战知识产权》的资讯,就很好地讨论了3D打印对知识产权保护方面的影响。

枪支管理的漏洞

第一支成功打印出来的3D枪支已经是旧闻了,但是它影响力却是非常重要。像如今,有许多设计师在微小网上的分享的3D枪支作品深受3D爱好者的喜爱和欢迎。全球范围内公司企业不断发展,它们都想要出售这些枪支或是CAD的设计。Solid Concepts是一家工程公司,它曾经用第一把3D打印的金属手枪发射出子弹。国会颁布的“不可探测枪支法案”,禁止不可被金属探测器或是X射线扫描仪检测的枪支,又被延长了十年的有效期限。但是,这使法律在枪支管理这一方面存在了一个漏洞:3D打印枪支即使含有小件的金属也不在这一法案的禁止范围内。如今,在国会对这一问题忽视过久后,立法者正尝试修复这一漏洞,为此,他们对打印枪支提出了一些特别的要求。

制造商的责任划分

武器可以使用3D打印技术打印出来,那么一些安全设备如头盔、自行车车轮和儿童玩具等也可以通过打印出来。当然,这会涉及到知识产权和商标归属权的问题,但是最大的问题还是责任划分的问题。如果一个人使用了3D打印的枪支射伤或杀死了某个人,或是使用3D打印的刀具刺伤某人,或是戴着3D打印的头盔骑着自行车撞断了别人的脖子,那么谁应该承担这个责任呢

生物打印的道德和规范

关于生物打印技术的道德争论已经开始了。Organovo公司正在与国家眼科研究中心和国家推进转化科学中心合作打印肝细胞和眼组织细胞。科学家们提议将人体干细胞和犬肌肉细胞混合从而创造出更强大的器官组织。软骨打印是目前最具有实践性的生物打印技术,想要打印出全部器官仍然是很多年后才能实现的事,但是3D打印在医药方面的发展应用十分快速。关于生物打印在道德、种族和法律上的问题也开始出现,随着生物打印变得越来越普遍,也就不可避免地会导致一场战争。

3D打印毒品的可能性

从分子的角度上使用3D打印机合成化学药物是有可能的。一位格拉斯哥大学的研究学者创造出了一个能制造毒品和药物的3D“Chemputer”模型。他想通过让病人自己拿着从药房得到的药物清单就能直接打印出所需药物的方式,在制药行业发动一场革命。当然,这仍然有很长的路要走,但是它坚持让DIY药物,自己制造出从可卡因到蓖麻毒素的药品成为可能。

对国家的安全威胁

国防大学发出了一份白皮书强调3D打印技术对国家安全方面的威胁性。由于对企业部门来说,还有涉及到很多法律上、经济上的问题以及3D打印机能打印出一系列尚不可控制的产品的可能性。此白皮书还指出,在不久的将来,有关国家安全风险的问题是绝对要被探讨和分析的。

与食品有关的安全问题

你可以用你的MakerBot打印出一把叉子或是勺子,但如果你使用的是ABS塑料的话,就会含有BPA。幸运的是,为了解决这一问题,人们制造出可放入口中的新的长丝,但这些长丝还没有被普及。许多3D打印机也会存在如果清洗不干净时会有细菌滋生的问题。为了使3D打印的食品和厨房用具更加安全健康,就有必要研发一种含FPA认证的机器。人们大概也不会想吃到有毒的盘子装着的经基因改造的比萨。

发展

3D打印技术最早可追溯至1984年,世界上第一台3D打印机诞生于1986年,引起关注和商业化应用开发则是近几年的事。美国政府已将人工智能、3D打印、机器人作为重振美国制造业的三大支柱,其中3D打印是第一个得到政府扶持的产业。我国工信部也正在组织研究制定3D打印技术路线图、中长期发展战略、3D打印技术规范和标准,以及3D打印产业发展的专项财税政策。目前,华中科技大学史玉升科研团队经过十多年的努力,已研发出全球最大的“3D打印机”,这一“3D打印机”可加工零件长宽最大尺寸均达到1.2米。与此同时,民用3D打印机市场也在快速崛起,3D打印机制造厂商也在不断增多[5]。

目前,3D打印技术主要应用于工业企业新产品设计、试制及快速打印成形;个性化产品设计及快速打印制造;模型制造;医疗行业;建筑业;汽车制造业;航空航天;食品产业;教育科研;军事等行业中[6]。从长远看,这项技术应用范围之广将超乎想象,最终将给人们的生产和生活方式带来颠覆式的改变。但由于受制于材料、成本、打印速度、制造精度等多方面因素,这项技术并不能完全取代传统的减材制造法并实现大规模工业化生产,未来相当长的一段时间内两种生产方式将并存、互补。

建议

为了使3D打印技术得到更加迅速的发展,国家可以采取财税金融政策上积极支持、积极引导建立行业协会,鼓励研发,加强教育培训等措施,进一步促进3D打印的社会化推广。

制定数字化制造规划,促进3D产业优先发展

建议将3D打印技术定位为生产性服务业、文化创意、工业设计、先进制造、电子商务及制造业信息化工程的关键技术和共性技术,将该产业纳入优先发展产业及产品目录。在财税金融政策上,鼓励企业投资、研发、生产和应用3D打印,支持3D打印设备的进出口。

加强产业联盟、行业协会建设,推动3D产业协同发展

积极引导工业设计企业、3D数字化技术提供商、3D打印机及材料研发企业和机构、3D打印服务应用提供商组建产业联盟,利用有关学会、协会的平台加强研讨和交流,共同推动3D打印技术研发和行业标准制定。促进3D打印技术发展的市场平台建设,包括3D打印电子商务平台、3D打印数据安全和产权保护机制、3D打印及周边项目投融资机制等,促进产业可持续发展。

加大科技扶持力度,提升3D打印技术水平

设立专项基金,重点推进数字化技术、软件控制、打印装置、材料技术等关键技术的研发。在研发扶持中,要注意建立公平、公正的研发绩效评估体系,鼓励各研发主体探索不同的技术路径。加强对3D打印产学研合作的支持,特别对实施产业化的企业在市场销售、社会推广上给予政策支持。

加强教育培训,促进3D打印社会化推广

将3D打印技术纳入相关学科建设体系,培养3D打印技术人才。依靠行业协会、博览会、论坛等组织形式进行3D打印技术和周边应用的培训。在科技馆、文化艺术中心、青少年活动中心等公共机构进行3D打印技术的展示、宣传和推广。发展3D打印服务中心,推广3D打印技术应用,为发展3D打印产业积累应用经验。


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