3D打印技术的研究现状和前景打印版.pdfVIP

3D 打印技术 一、3D 打印的概念 我们日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而所谓的3D 打 印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料 是墨水和纸张，而3D 打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是 实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠 加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。 3D 打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系 统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料 进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等 机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D 打印将三维实体变为 若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这 种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从 计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延 伸。 二、3D 打印的原理 3D 打印并非是新鲜的技术，这个思想起源于 19 世纪末的美国，并在 20 世纪 80 年代得以发展和推广。中国物联网校企联盟把它称作 “上上个世纪的思想，上个世纪的 技术，这个世纪的市场”。三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印 机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。 使用打印机就像打印一封信：轻点电脑屏幕上的 “打印”按钮，一份数字文件便被 传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在 3D 打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD ）完成一系列数字切片，并将这些切片的信 息传送到3D 打印机上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。 3D 打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的 “墨水”是实实在在的原材料。 三、3D 打印的过程 1) 三维设计阶段：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型 “分区”成 逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。 设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL 文件格式。一个STL 文件使用 三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY 是一种通过 1 扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML 或者WRL 文件经常被用作全彩打印的 输入文件。 2) 打印过程：打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材 料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实 体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。 打印机打出的截面的厚度（即Z 方向）以及平面方向即X-Y 方向的分辨率是以dpi （像素每英寸）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米。而平面方向则 可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的 “墨水滴”的直径通常为50到100 个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂 程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性 能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。 传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术 则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸 的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。 3) 完成：三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（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通过如下方法：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。 有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑 物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东 西）作为支撑物。 四、3D 打印的技术 许多相互竞争的技术是可用的。它们的不 同之处在于以不同层构建创建部件，并且以可 用的材料的方式。一些方法利用熔化或软化可 塑性材料的方法来制造打印的 “墨水”，例如：选择性激光烧结（selective