第六章_三维打印快速成型工艺
快速成型工艺原理
快速成型工艺原理
快速成型工艺原理是一种利用计算机辅助设计和制造技术来快速制造产品的方法。
它的基本原理是通过将设计文件转换为数字模型，然后利用特定的机器设备将数字模型逐层反复打印、切割或烧结，最终形成所需产品。
具体而言，快速成型工艺主要包括以下几个步骤：
1. 数字设计：首先，通过计算机辅助设计软件或三维扫描技术，将产品的外形和结构设计成数字模型。
这个数字模型可以是由设计师直接绘制的，也可以通过扫描现有产品来获取。
2. 制造预处理：在将数字模型送入快速成型设备之前，需要对数字模型进行一些预处理工作。
这包括将数字模型切割成多个薄片或层，并为每一层生成相应的机床路径。
3. 快速成型：在快速成型设备中，根据预处理过的数字模型，通过逐层制造的方式来建立真实的产品。
常用的快速成型方法包括喷墨打印、激光烧结、光固化、熔融沉积等。
不同的方法实现建立产品的方式各有不同，但都遵循了建立模型的基本原理。
4. 后处理：完成产品的快速成型后，可能需要进行一些后处理工作来提高产品的质量和性能。
例如，对产品进行打磨、抛光、涂覆等工艺处理，以及进行物理、化学或热处理等，以满足特定的要求。
通过快速成型工艺，可以大大缩短产品的设计和制造周期，节省成本，提高生产效率。
它在诸多领域都有广泛的应用，如汽车工业、医疗器械、航空航天等。
并且，随着技术的不断进步，快速成型工艺正在逐渐演变和发展，为制造业带来更多的创新和机遇。
3D打印快速成型
发展方向
标准和标准的制定机构 当一间实验室作出了图纸，需要拿出来共享时，会发现有太多的 格式和标准了，因此，3D 打印原型机这个领域看起来像是野蛮生 长，毫无标准。 开源的设计、配置和软件 当有了统一的标准后，3D 打印行业将会迎来开源。现在，太多的 团队注重提高自己的3D 打印水平，在自我的闭环中发展。实际上， 行业需要设备和软件的开源，在统一的标准下产生更多有用、高 效、开放的创新。 原型机实验室 原型机打印并不受到重视，所以现在很多医疗器械商都是在一个 脏乱、布满灰尘的地方放置打印设备。其实，现在已经有商业化 运营的3D 打印实验室，来帮助这些企业打印出质量更高的原型机。
5
成型
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 仸何形状的物品。 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，也有部分打印机如 Objet Connex 系列还有三维 Systems' ProJet 系列可以打印 出16微米薄的一层。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。
第6章 三维印刷成型工艺及材料
Nantong Institute of Technology
6.1 概述
国内外广泛关注： 三维印刷成型零件的性能 三维印刷成型打印材料 三维印刷成型粘结剂 三维印刷成型设备
Nantong Institute of Technology
6.2 成型原理及工艺
6.2.1 成型原理
工艺原理：喷头在计算机控制下，按 照截面轮廓的信息，在铺好的一层粉 末材料上，有选择性地喷射粘结剂， 使部分粉末粘结，形成截面层。一层 完成后，工作台再下降一个层厚，铺 粉，喷射粘结剂，进行下一层的粘结， 如此循环形成产品原型。用粘结剂粘 结的原型件强度较低，要置于加热炉 中，作进一步的固化或烧结。
图6-5 液滴喷射分类
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6.3 成型系统
6.3.1 喷墨系统 ，液滴发生器中振荡器发出振动信号，产生的扰 动使射流断裂并生成均匀的液滴；液滴在极化电场获得定量的电荷，当通过 外加偏转电场时，液滴落下的轨迹被精确控制，液滴沉积在预定位置。而不 带电的墨滴将积于集液槽内回收。
工业级覆膜砂3DP打印机快速 成型产品
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6.2 成型原理及工艺
6.2.3 工艺特点
缺点： （1）精度和表面质量较差 （2）原型件强度低 （3）原材料成本高
近100万元
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6.3 成型系统
6.1 概述
1989年，麻省理工学院（MIT）的Emanual Sachs 申请了3DP专利。
3D打印成型工艺
3D打印成型工艺详解
根据3D打印的成型工艺类型，3D打印技术可以分为很多种，现在比 较成熟的主流快速成型技术有SLA、SLS、FDM、3DP、LOM等。
成型原理 高分子聚合反应
烧结和熔化
技术名称 激光立体光固化（Stereo Lithography Apparatus， SLA）
高分子打印技术（Polymer Printing） 高分子喷射技术（Polymer Jetting） 数字化光照加工技术（Digital Lighting Processing， DLP） 选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering， SLS） 选择性激光熔化技术（Selective Laser Melting， SLM） 电子束熔化技术（Electron Beam Melting， EBM）
3D打印成型原理
2 黏合叠层
另一个优点是，很多原材料都可以制成粉末的形态，比如尼龙、钢、青铜和钛等， 因此粉末材料应用的范围也更加广泛。但这种方法制造的物体表面往往不光滑、 多孔，也不能同时打印不同类型的粉末，粉末处理不当，还有爆炸的危险。SLS成 型是高温过程，产品“打印”完成后需要冷却，视打印层的尺寸和厚度不同，有 的物体甚至需要一整天的冷却时间。
3D打印成型工艺详解
三维打印技术（3DP）
3DP的原理和普通打印机非常相似，这 也是三维打印这一名称的由来。其最大 的特点是小型化和易操作性，适用于商 业、办公、科研和个人工作室等场合， 但缺点是精度和表面光洁度都较低。因 此在打印方式上的改进必不可少，例如 压电式三维打印类似于传统的二维喷墨 打印，可以打印超高精细度的样件，适 用于小型精细零件的快速成型，相对于 SLA，其设备更容易维护，产品表面质 量也较好。
3D打印期末知识点
3D打印期末知识点第⼀章概论1、 3D打印技术是增材制造技术的简称，其加⼯原理是什么？基于平⾯离散与堆积原理的成形⽅法。
获得实体的三维CAD模型数据进⾏平⾯分层离散化，然后利⽤专有的CAM制造系统将离散材料逐层累加原理制造实体零件的数字化制造技术。
2、 3D打印主要有哪些⽅法，各种主要⽅法的英⽂及缩写是什么？①采⽤光敏树脂材料通过激光照射逐层固化⽽成型的光固化成型法（SLA）②采⽤纸材等薄层材料通过逐层粘结和激光切割⽽成型的叠层实体制造法（LOM）③采⽤粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化⽽成型的选择性激光烧结法（SLS）④采⽤熔融材料加热熔化挤压喷射冷却⽽成型的熔融沉积制造法（FDM）⑤喷涂喷墨设备（3DP）3、快速成型是哪些先进技术的集成?新材料、激光应⽤技术、精密伺服驱动技术、计算机技术、数控技术4、快速原型的主要⽤途有哪些?其显著优势是什么？主要⽤途：可⽤于新产品的外观评估、装配检验及功能检验等，作为样件可直接替代机加⼯或者其他成形⼯艺制造的单件或⼩批量的产品，也可⽤于硅橡胶模具的母模或熔模铸造的消失型等，从⽽批量地翻制塑料及⾦属零件。
显著优势：制造周期⼤⼤缩短，成本⼤⼤降低。
基于快速原型的快速模具制造技术进⼀步发挥了快速成型制造技术的优越性，可在短期内迅速推出满⾜⽤户需求的⼀定批量的产品，⼤幅度降低了新产品开发研制的成本和投资风险，缩短了新产品研制和投放市场的周期，在⼩批量、多品种、改型快的现代制造模式下具有强劲的发展势头。
5、快速成型技术发展趋势有哪些?⾦属零件的直接快速成型、概念创新与⼯艺改进、数据优化处理及分层⽅式的演变、快速成型设备的专⽤化和⼤型化、开发性能优越的成型材、成型材料系列化、标准化、喷射成型技术的⼴泛应⽤、梯度功能材料的应⽤、组织⼯程材料快速成型、开发新的成型能源、拓展新的应⽤领域、集成化6、快速成型的特点（⾮作业）⾃由成型制造、制造过程快速、添加式和数字化驱动成型⽅式、技术⾼度集成、突出的经济效益、⼴泛的应⽤领域第⼆章光固化快速成型⼯艺1、光固化快速成型加⼯原理。
第6章 快速成型制造的几种典型工艺及后处理
4) 可使用的材料种类较少。
5) 液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止其提前 发生聚合反应，选择时有局限性。 6) 需要二次固化。
6.1.2 光固化成型的特点
图6-2 SLA制作的原型
6.1.3 光固化成型的后处理
1) 当原型在激光成型系统中生成后，工作台升出液面，停留5～1
0min，以晾干多余的树脂。 2) 用工业酒精和丙酮对树脂原型表面和型腔内部进行清洗，尤其 需要将内部未排干的树脂清洗干净。 3) 从工作台上取出原型，去除原型表面的支撑。 4) 由于原型中尚有部分未完全固化的树脂，清洗过的原型必须放 在后固化装置的转盘上进行完全固化，以满足所要求的机械性能。
图6-14 STL导入快速成型软件
2.将STL文件数据处理软件
图6-15 叶轮的成型方向和布局
2.将STL文件数据处理软件
图6-16 分层参数的设置界面
3.将分层数据文件输入快速成型设备
4.后处理
图6-17 叶轮整体的FDM原型
6.7.2 基于3DP的成型实例
1.三维打印机的准备 2.三维打印前的准备
6.5 三维打印(3DP)
图6-11 三维喷涂粘结(3DP)制作的原型
三维打印
(Three Dimensional Printing ，简称3DP)：
三维打印原理类似于喷墨打印机原理，首先铺粉，利用喷嘴按 指定路径将液态粘结剂喷在粉层上的特定区域，粘结后去除多 余的材料便得到所需的原型或零件。也可以直接逐层喷涂陶瓷 或其他材料粉浆，硬化后即得到所需的原型或零件。
6.6 几种典型成型方法的分析比较
表6-1 几种典型成型方法比较
6.7 成型实例
6.7.1 基于FDM的成型实例
快速成型的前处理-3D打印
快速成型的前处理快速成型的前处理分为以下几个方面。
一、三维模型构造的方法由于快速成型机只能接受计算机构造的工件三维模型（即立体图，见图1），然后才能进行分层切片处理，因此，首先必须建立三维模型，目前构造三维模型主要有以下办法：图1 瞌睡虫睡眠仪表壳体的三维模型（1）应用计算机三维设计软件，根据产品的要求设计三维模型；（2）应用计算机三维设计软件，将已有产品的二维三视图转换为三维模型；（3）仿制产品时，应用反求工程和反求软件，得到产品的三维模型。
（4）利用Internet网络，将用户设计的三维模型直接传输到快速成型工作站。
具体构造三维模型的方法如图2所示。
图2 构造三维模型的方法二、用计算机辅助设计软件构造三维模型在586或奔腾（PENTIUM）个人计算机或工作站上，用三维计算机辅助设计（CAD）软件，根据产品的要求，可以设计其三维模型，或将已有的产品的二维三视图转换成三维模型。
随着计算机辅助设计技术的发展，出现了许多三维模型的形体表达方法，其中常见的有以下几种：1、构造实体几何法（Constructive Solid Geometry），简称CSG法）构造实体几何法又称为积木块几何法（Building-Block Geometry），这种方法用布尔（Boolean）运算法则（并、交、减）将一些较简单的体素（如立方体、圆柱体、环椎体）进行组合，变化成复杂形状的三维模型实体。
它的优点是，数据结构比较简单，无冗余的几何信息，所得到的实体真实有效，并且能方便地进行修改。
其缺点是，可用于产生和修改实体的算法有限，构成图形的计算量很大，比较费时间。
2、边界表达法（Boundary Representation，简称B—rep法）边界表达法根据顶点、边和面构成的表面来精切地描述三维模型实体。
这种方法的优点是，能快速地绘制立体或线框模型。
它的缺点是数据是以表格形式出现的，空间占有量大；修改设计不如CSG法简单，例如要修改实心立方体上的一个简单孔的尺寸，必须先用填实来删除这个孔，然后才能绘制一个新孔；所得到的实体不一定总是真实有效，可能出现错误的孔洞和颠倒现象；描述不一定总是唯一。
三维打印成型
三维打印成型的应用
缺点
制造零件精度和表面质量差
尽管打印层厚已经很小，但 CAD 模型的曲面在成型的部件中变成阶梯形状。
制件强度低
我的研究生课题
压电式喷射三维打印系统的研发 与制作
三维打印成型制件的一些维打印成型的发展
1997年美国Z corporation 得到麻省理工的专利授权后，推出一系列的打印成型系统，该成型的粉末 材料主要为淀粉或环氧树脂，通过水性粘结剂喷射到粉末表面将其粘结起来，主要用于制作概念模型 。 1998年Grau等人采用三维打印成型方法制作AI2O3陶瓷模具。 1995 年，美国 MicroFab 公司 研究了金属液滴喷射成型实验，通过改变压电喷 射系统的振动频率来实现对焊料液滴喷射的控制，并随着喷头在平面上的精确运动， 焊滴被准确地喷射到基板上，从而成型微细结构件。 美国 3D Systems 公司采用呈线性排列的多个热喷头，选择性地喷射液滴，逐层喷射熔化的热塑性塑 料。 以色列 Objet公司推出的 Objet Quadra 三维打印成型系统，利用压电喷射原理喷射光敏聚合物液滴 ，并采用紫外光逐层固化。 2011 年 Objet 公司推出了适用于三维打印医疗和牙科用户的新型生物相容性材料，该新型材料适用 于需要长期皮肤接触和短期粘膜接触的应用情况。Objet 推出的 Objet260 Connex 多材料三维打印机 能够同时喷出两种材料的技术，可以同时打印结合柔性和刚性材料，或者结合透明和不透明部件的模 型。 日本的Kawamoto 等人构建了基于静电式喷射原理的三维打印系统，可用于喷射高粘度液体，且成型精 度极高。 在国内，台湾的成功大学和台北科技大学研制出了基于商用压电喷墨打印机构建 的三维打印设备，对石膏、淀粉等粉末材料进行了相关的成型研究，该类三维打印设 备成本较低，而且具有较高的喷射成型精度。 同济大学研制出了基于美国惠普公司的热气泡式商用喷墨喷射系统的三维打印设备，利用该设备喷射 自行配制的粘结材料，
3D快速成型技术
历史和发展
3D快速成型技术的起源：20世纪80年代美国科学家发明了立体光刻技术
3D快速成型技术的发展：从最初的立体光刻技术发展到现在的多种3D打 印技术
3D快速成型技术的应用：广泛应用于工业制造、医疗、教育等领域
3D快速成型技术的未来：随着技术的不断进步3D打印技术将更加普及应 用领域也将更加广泛。
3D快速成型技术 的材料
塑料材料
聚乳酸（PL）：可生物降解环保材料 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（BS）：强度高耐热性好 聚碳酸酯（PC）：透明性好耐冲击 聚醚醚酮（PEEK）：耐高温耐磨损化学稳定性好
金属材料
钛合金： 强度高、 重量轻、 耐腐蚀
铝合金： 强度高、 重量轻、 耐腐蚀
铜合金： 导电性好、 耐腐蚀
原型制造
设计阶段：使用CD软件设计3D模 型
打印阶段：使用3D打印机逐层打印 出原型
添加标题
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添加标题
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切片阶段：将3D模型转换为2D切 片
后处理阶段：对打印出的原型进行 打磨、上色等处理
后处理
清洗：去除多余的粉末或树脂 固化：使用紫外线或热源固化成型件 打磨：去除成型件表面的粗糙部分 涂装：根据需求进行喷漆或电镀处理 组装：将成型件与其他部件组装成最终产品 质量检测：检查成型件的尺寸、精度和表面质量
性能
医疗设备：制 造定制化医疗 器械满足个性
化需求
建筑设计：快 速制造建筑模 型提高设计效
率和准确性
医学领域的应用案例
3D打印假体：用于替换受损或缺失的骨骼、关节等 3D打印器官：用于器官移植如心脏、肝脏等 3D打印药物：用于个性化药物治疗如癌症、糖尿病等 3D打印医疗器械：用于手术辅助如手术导板、手术器械等
【工程师手册】3D快速成型的工艺方法
【工程师手册】3D快速成型的工艺方法目前快速成型主要工艺方法及其分类见图1所示。
仅介绍目前较为常用的工艺方法。
立体光固化成型法（SL, Stereo-Lithography）光固化法(SL)是目前最为成熟和广泛应用的一种快速成型制造工艺（如图2）。
这种工艺以液态光敏树脂为原材料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合(固化)反应，从而形成零件的一个薄层截面。
完成一个扫描区域的液态光敏树脂固化层后，工作台下降一个层厚，使固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描、固化，新固化的一层牢固地粘接在一层上，如此反复直至完成整个零件的固化成型。
图2：立体光固化成型法原理图SL工艺的优点是精度较高，一般尺寸精度可控制在0.01mm;表面质量好;原材料利用率接近100%;能制造形状特别复杂、精细的零件;设备市场占有率很高。
缺点是需要设计支撑;可以选择的材料种类有限;制件容易发生翘曲变形;材料价格较昂贵。
该工艺适合比较复杂的中小型零件的制作。
选择性激光烧结法(SLS,Selective Laser Sintering)选择性激光烧结法(SLS)是在工作台上均匀铺上一层很薄(100μ-200μ)的作金属(或金属)粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层截面轮廓逐点地进行扫描、烧结，使粉末固化成截面形状（如图3）。
完成一个层面后工作台下降一个层厚，滚动铺粉机构在已烧结的表面再铺上一层粉末进行下一层烧结。
未烧结的粉末保留在原位置起支撑作用，这个过程重复进行直至完成整个零件的扫描、烧结，去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理后便获得需要的零件。
用金属粉或陶瓷粉进行直接烧结的工艺正在实验研究阶段，它可以直接制造工程材料的零件。
图3：选择性激光烧结法原理图SLS工艺的优点是原型件机械性能好，强度高;无须设计和构建支撑;可选材料种类多且利用率高(100%)。
第六章三维打印快速成型工艺.
第一节 三维喷涂粘结快速成型工艺
2. 三维喷涂粘结快速成型工艺的特点
三维喷涂粘结快速成型制造技术在将固态粉末生成三维零件的过程中与传统
方法比较具有很多优点： ◎ 成本低 ◎ 材料广泛 ◎ 成型速度快 ◎ 安全性较好 ◎ 应用范围广
三维喷涂粘结快速成型技术在制造模型时也存在许多缺点，如果使用粉状材料，
3D Systems公司作为快速成型设备全球最早的设备供应商，一直以来
致力于快速成型技术的研发与技术服务工作，在引领SLA光固化快速成型 技术的同时，也陆续开展了其他快速成型技术的研究，陆续推出SLS设备
及3DP设备等。近期，成功并购Z Corp公司，3DP技术的实力和地位再上
新台阶。面向不同用户的需求，目前推出的3DP设备分为Personal系列与 Professional系列。2009年以来，3D Systems公司推出价格1万美元以下的面 向小客户的Personal 3DP设备。主要型号有Glider、Axis Kit、RapMan、3D Touch、ProJet 1000、ProJet 1500、V-Flash等。
第一节 三维喷涂粘结快速成型工艺
⑦ 计算机控制活塞使之下降一定高度(等于片层厚度)。 ⑧ 重复步骤④、⑤、⑥、⑦四步，一层层地将整个零件坯体制作出来。 ⑨ 取出零件坯，去除未粘结的粉末，并将这些粉末回收。 ⑩ 对零件坯进行后续处理，在温控炉中进行焙烧，焙烧温度按要求随时间变化。 后续处理的目的是为了保证零件有足够的机械强度及耐热强度。
其中三维打印快速成型技术因其材料较为广泛，设备成本较低且可小型化 到办公室使用等，近年来发展较为迅速。三维打印快速成型工艺之所以称之为打 印成型，是因为该种快速成型工艺是以某种喷头作为成型源，其运动方式与喷墨 打印机的打印头类似，在台面上做X-Y平面运动，所不同的是喷头喷出的不是传 统喷墨打印机的墨水，而是粘结剂、熔融材料或光敏材料等，基于快速成型技术 基本的堆积建造模式，实现原型的快速制作。 依据其使用材料不同及固化方式不同，3DP快速成型技术可分为粉末材料三 维喷涂粘结成型、熔融5 Z Corp公司的Z650设备及其制作的彩色模型
3D 打印FDM 快速成型原理
型 的 底 层 之 间 建 立 缓 冲 层 ，使 原 型 制 作 完 成 后 便 于 剥 离 工 作 平 台 。此 外 ，基 础 支 撑 还
可以给制造过程提供一个基准面 [1 ] 。所以 FDM 造型的关键一步是制作支撑。
2.4.2 实体制作
至喷头，经过加热、熔化，从喷头挤出粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。每一
层 截 面 完 成 后 ，工 作 台 下 降 一 层 的 高 度 ，再 继 续 进 行 下 一 层 的 造 型 。如 此 重 复 ，直 至
完成整个实体的造型。每层的厚度根据喷头挤丝的直径大小确定。
图1 FDM
工艺原理图
FDM 工艺关键是保持熔融的成型材料刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固点高 1 ℃左右[2 ] 。目前，最常用的熔丝线材主要是 ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性 塑料等。1998 年澳大利亚开发出了一种新型的金属材料用于 FDM 工艺———塑料 复合材料丝。
工艺原理
1.1 快速成型技术的基本原理
快速成型技术是对零件的三维 CAD 实体模
型 ，按 照 一 定 的 厚 度 进 行 分 层 切 片 处 理 ，生 成 二 维 的 截 面 信 息 ，然 后 根 据 每 一 层 的 截
面 信 息 ，利 用 不 同 的 方 法 生 成 截 面 的 形 状 。这 一 过 程 反 复 进 行 ，各 截 面 层 层 叠 加 ，最
2.4 造型
产品的造型包括两个方面:支撑制作和实体制作。
2.4.1 支撑制作
由于 FDM 的工艺特点，系统必须对产品三维 CAD 模型做支撑
处 理 ，否 则 ，在 分 层 制 造 过 程 中 ，当 上 层 截 面 大 于 下 层 截 面 时 ，上 层 截 面 的 多 出 部 分
3D打印快速成型
器，其生成的
或者 文件经常被用作全
彩打印的输入文件。
第8页，共15页。
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 方向）以及平面方 向即 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 微米，即0.1毫米，也有部分打印机如Objet C onnex 系列还有三维 S ystems' ProJ et 系列可以打印出 微米薄 的一层。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 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。
第4页，共15页。
原理
打印是添加剂制造技术的一种形 式，在添加剂制造技术中三维对象 是通过连续的物理层创建出来的。
打印机相对于其他的添加剂制造技术 而言，具有速度快，价格便宜，高易用 性等优点。 打印机就是可以“打印” 出真实 物体的一种设备，功能上与激 光成型技术一样，采用分层加工、迭加 成形，即通过逐层增加材料来生成 实 体，与传统的去除材料加工技术完全不 同。称之为“打印机”是参照了其技术 原理，因为分层加工的过程与喷墨打印 十分相似。
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图6-11 3D Systems公司的Gilder三维打印机
第三节 三维打印快速成型设备及材料
3D Touch Printer 增加了触摸屏，型号分为单头、双头和三头等，轮廓尺寸 为600×600×700mm，重量为38kg，价格约为4000美元，适合于家庭、学校教 室及办公室使用。下图为3D Touch Printer的照片。
y
MJM 喷头
z
x
工作台
图6-4 多喷嘴喷墨三维打印原理
第六章 三维打印快速成型及其他快速成型工艺
1
三维喷涂粘结快速成型工艺
喷墨式三维打印快速成型工艺 三维打印快速成型设备及材料
2
3
4
其他快速成型工艺
第三节 三维打印快速成型设备及材料
三维打印快速成型技术作为喷射成形技术之一，具有快捷、适用材料广等许
图6-12 3D Systems公司的3D Touch三维打印机
第三节 三维打印快速成型设备及材料
Glider 3D Printer与3D Touch Printer使用的材料有PLA（白、蓝、绿）和ABS（黑、
红）丝材，直径3mm，如图6-13所示。表6-5给出了3D Systems公司上述Personal 3D
① 易于分散且稳定，可长期储存； ② 不腐蚀喷头； ③ 粘度低，表面张力高； ④ 不易干涸，能延长喷头抗堵塞时间。
第一节 三维喷涂粘结快速成型工艺
（2）基本工艺参数
三维喷涂粘结快速成型的基本工艺参数包括：喷头到粉末层的距离，粉层厚 度，喷射和扫描速度，辊子运动参数，每层间隔时间等。当制件精度及强度要求较 高时，层厚应取较小值。粘结液与粉末空隙体积比即为饱和度，其程度取决于层厚 、喷射量及扫描速度的大小，对制件的性能和质量具有较大影响。喷射与扫描速度 应根据制件精度与质量及时间的要求与层厚等因素综合考虑。
第一节 三维喷涂粘结快速成型工艺
a) 结构陶瓷制品
b) 注射模具
图6-2 采用3DP工艺制作的结构陶瓷制品和注射模具
图6-3 经过3DP工艺制作的金属制件
第一节 三维喷涂粘结快速成型工艺
4. 三维喷涂粘结快速成型技术若干问题
（1）成型材料性能要求
三维喷涂粘结快速成型工艺对粉末材料的基本要求如下： ① 颗粒小，尺度均匀； ② 流动性好，确保供粉系统不堵塞； ③ 熔滴喷射冲击时不产生凹坑、溅散和空洞等； ④ 与粘结液作用后固化迅速。 三维喷涂粘结快速成型工艺对粘结液的基本要求如下：
1.三维喷涂粘结快速成型工艺的基本原理
粉末材料三维打印粘结（3DP或3DPG-Three Dimensional Printing Gluing）快
速成型工艺是由美国麻省理工学院开发成功的，它的工作过程类似于喷墨打印机 。目前使用的材料多为粉末材料（如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等），其工 艺过程与SLS工艺类似，所不同的是材料粉末不是通过激光烧结连接起来的，而 是通过喷头喷涂粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘 结剂粘结的零件强度较低，还需后处理。后处理过程主要是先烧掉粘接剂，然后 在高温下渗入金属，使零件致密化以提高强度。
（4）成型精度
三维喷涂粘结快速成型技术制作的模型的精度由两个方面决定：一是喷涂粘 结时制作的模型坯的精度，二是模型坯经后续处理(焙烧)后的精度。
第六章 三维打印快速成型及其他快速成型工艺
1
三维喷涂粘结快速成型工艺
喷墨式三维打印快速成型工艺 三维打印快速成型设备及材料
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其他快速成型工艺
第二节 喷墨式三维打印快速成型工艺
依据其使用材料不同及固化方式不同，3DP快速成型技术可分为粉末材料三 维喷涂粘结成型、熔融材料喷墨三维打印成型两大类工艺。
第六章 三维打印快速成型及其他快速成型工艺
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三维喷涂粘结快速成型工艺
喷墨式三维打印快速成型工艺 三维打印快速成型设备及材料
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其他快速成型工艺
第一节 三维喷涂粘结快速成型工艺
② 设计完成后，在计算机中将模型生成STL文件，并利用专用软件将其切成薄片。
每层的厚度由操作者决定，在需要高精度的区域通常切得很薄。 ③ 计算机将每一层分成矢量数据，用以控制粘结剂喷射头移动的走向和速度。
④ 用专用铺粉装置将陶瓷粉末铺在活塞台面上。
⑤ 用校平鼓将粉末滚平，粉末的厚度应等于计算机切片处理中片层的厚度。 ⑥ 计算机控制的喷射头按步骤③的要求进行扫描喷涂粘结，有粘接剂的部位，陶 瓷粉粘结成实体的陶瓷体，周围无粘结剂的粉末则起支撑粘结层的作用。
第三节 三维打印快速成型设备及材料
图6-9 Objet公司的Eden型号设备
a) Objet24
b) Objet30
图6-10 Objet公司的Eden型号设备
第三节 三维打印快速成型设备及材料
第三节 三维打印快速成型设备及材料
第三节 三维打印快速成型设备及材料
3. 3D Systems公司开发的设备及材料
printers使用的丝材的基本参数和要求。
图6-13 3D Systems公司的Personal 三维打印机使用的丝材
第三节 三维打印快速成型设备及材料
ProJet 1000&1500个人打印机及V-Flash 个人打印机具有更高的打 印分辨率和速度、更明亮的色彩及打印的模型耐久性更好，其设备主 要参数如表6-6所示，使用材料为VisiJet FTI，其性能如表6-7所示。
第三节 三维打印快速成型设备及材料
Glider 3D Printer的外轮廓尺寸只有508（W）×406.4（D）×355.6（H）mm 大小，重量只有7kg。建造速度为23mm/h，可制作模型的大小为203（W）×203（ D）×140（H）mm。层厚为0.3mm，喷嘴直径为0.5mm，位置精度为0.1mm。下图 为Gilder 3D Printer的照片，售价仅1400美元左右。
其模型精度和表面粗糙度比较差，零件易变形甚至出现裂纹等，模型强度较低，这 些都是该技术目前需要解决的问题。
第一节 三维喷涂粘结快速成型工艺
3. 三维喷涂粘结快速成型工艺过程
三维喷涂粘结快速成型技术制作模型的过程与SLS工艺过程类似，下面以三维
喷涂粘结快速成型工艺在陶瓷制品中的应用为例，介绍其工艺过程。 ① 利用三维CAD系统完成所需生产的零件的模50设备及其制作的彩色模型
第三节 三维打印快速成型设备及材料
2. Objet公司开发的设备及材料
第三节 三维打印快速成型设备及材料
a) Connex500
b) Connex350V
图6-8 Objet公司的Objet260型号设备
图6-7 Objet公司的Connex型号设备
图6-1 三维喷涂粘结工艺原理
第一节 三维喷涂粘结快速成型工艺
2. 三维喷涂粘结快速成型工艺的特点
三维喷涂粘结快速成型制造技术在将固态粉末生成三维零件的过程中与传统
方法比较具有很多优点： ◎ 成本低 ◎ 材料广泛 ◎ 成型速度快 ◎ 安全性较好 ◎ 应用范围广
三维喷涂粘结快速成型技术在制造模型时也存在许多缺点，如果使用粉状材料，
像三维喷涂粘结快速成型工艺的建造过程类似于SLS工艺一样，喷墨式三维打
印快速成型工艺的建造过程类似于FDM工艺。喷墨式三维打印快速成型设备的喷 头更像喷墨式打印机的打印头。与喷涂粘结工艺显著不同之处是其累积的叠层不 是通过铺粉后喷射粘结液固化形成的，而是从喷射头直接喷射液态的工程塑料瞬 间凝固而形成薄层。 多喷嘴喷射成型为喷墨式三维打 原材料 印设备的主要成型方式，喷嘴呈线性 分布。喷嘴数量越来越多，打印精度 （分辨率）越来越高，如3D Systems公 司的ProJet6000型设备的特清晰打印模 式（XHD）的打印精度为0.075mm， 层厚为0.05mm。微熔滴直径的大小决 定了其成型的精度或打印分辨率，喷 嘴的数量多少决定了成型效率的高低。
第一节 三维喷涂粘结快速成型工艺
以粉末作为成型材料的 3DP的工艺原理如图6-1所示。 首先按照设定的层厚进行铺 粉，随后根据当前叠层的截
面信息，利用喷嘴按指定路
径将液态粘结剂喷在预先铺 好的粉层特定区域，之后工 作台下降一个层厚的距离， 继续进行下一叠层的铺粉， 逐层粘结后去除多余底料便 得到所需形状制件。
（3）成型速度
三维喷涂粘结快速成型工艺的成型速度受粘结剂喷射量的限制。典型的喷嘴 以1cm3/min的流量喷射粘结剂，若有100个喷嘴，则模型制作速度为200cm3/min。 美国麻省理工学院开发了两种形式的喷射系统:点滴式与连续式。这种多喷嘴的点 滴式系统的成型速度已达每层仅用5s的时间(每层面积为0.5m×0.5m)，而连续式的 则达到每层0.025s的时间。
快速成型与快速模具制造技术及其应用
机械工业出版社（第三版）
第六章
三维打印快速成型及其他快速成型工艺
第六章 三维打印快速成型及其他快速成型工艺
除了前面介绍的4种快速成型技术方法比较成熟之外，其它的许多技术也已
经实用化，如三维打印成型（Three Dimensional Printing， 3DP）、光掩膜法（ Solid Ground Curing，SGC）、数码累积成型（Digital Brick Laying，DBL）、弹 道微粒制造(Ballistic Particle Manufacturing，BPM)、直接壳法（Direct Shell Production Casting，DSPC）、三维焊接（Three Dimensional Welding）、直接烧 结技术、全息干涉制造、光束干涉固化等。其中三维打印快速成型技术因其材料 较为广泛，设备成本较低且可小型化到办公室使用等，近年来发展较为迅速。三 维打印快速成型工艺之所以称之为打印成型，是因为该种快速成型工艺是以某种 喷头作为成型源，其运动方式与喷墨打印机的打印头类似，在台面上做X-Y平面 运动，所不同的是喷头喷出的不是传统喷墨打印机的墨水，而是粘结剂、熔融材 料或光敏材料等，基于快速成型技术基本的堆积建造模式，实现原型的快速制作 。