1、3D打印技术的由来

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广西城市职业学院3D创新创意研发中心 莫中凯
Envision Tec Ultra3D Objet PolyJet 3D Systems SLA
1.1.2 3D打印是一种多学科复合制造技术
3D打印技术是数字化技术、新材料 技术、软件技术、光学技术、机械工程 等多学科发展的产物。
3D打印可以分为两个过程:一是数 据处理,利用三维扫描仪和计算机辅助 设计获取模型数据,将模型数据进行切 片分层处理,将三维数据分解成为二维 数据;其二是制造过程,依据分层的二 维数据,采用所选定的制造工艺方法制 作与数据分层厚度相同的层片,将层片 按顺序叠加起来,构成了最终的三维实 体,实现从二维层片到三维实体的过程 。
根据所用材料及生成层片方式的区 别,总体可归纳为:挤出成型、粒状粉 末物料成型、光聚合成型。
1)挤出成型 主要代表有熔融沉积成型(FDM)
技术。它是唯一使用工业级热塑料( PLA、尼龙等)作为成型材料的层积制 造方法。成品可耐受一定温度、化学腐 蚀,还可抗菌和抗一定的应力,主要用 于制造概念模型、功能原型、零部件以 及生产工具等。
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1.3 3D打印的优势与不足
优势6:零技能制造
传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能,传统的制造机器仍然 需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。3D打印机做同样复杂的物品, 3D打印机所需要的操作技能甚至比注塑机更少。
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1.3 3D打印的优势与不足
优势3:一次成型,无须组装
传统的大规模生产建立在组装线基础上,产品组成部件越多,组装耗费 的时间和成本就越多。3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上 面的配套铰链,不需要组装。省略组装就缩短了供应链,节省在劳动力 和运输方面的花费。供应链越短,污染也越少。
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1.2 3D打印的起源及发展
纵观近年 3D 打印发展史,3D 打印已逐步从单纯的技术研 发转化为实际生产力,广泛应用于汽车制造、医疗、科学研究 、建筑设计等领域,不断实现技术突破。3D 打印正逐步步入 拐点期,技术层面的突破性进展将成为 3D 打印推动工业 4.0 革命,引领“中国制造”向“中国智造”转变的着力点。
1.3 3D打印的优势与不足
优势7:不占空间、便携制造
就单位生产空间而言,与传统制造机器相比,3D打印机的制造能力更强。 同时,所需的物理空间也更小。
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1.3 3D打印的优势与不足
优势8:减少废弃副产品
与传统的金属制造技术相比,3D打印机制造金属时产生较少的副产 品。传统金属加工的浪费量惊人,大量金属原材料被丢弃在工厂车 间里。3D打印制造金属时浪费量减少。随着打印材料的进步,“净 成形”制造可能成为更环保的加工方式。
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3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的 方式,并以不同层构建创建部件。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙 材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。
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1.1.1 3D打印技术的分类
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1.3 3D打印的优势与不足
2:机器的限制
3D打印要成为主流技术,它对机器的材料和功能要求都不会低。目 前很多形状都可以被打印出来,但是要保证成品的精度、还原度,就 对机器提出了很高的要求。特别是多材料、多功能、高精度的3D打印 设备要进入普通家庭还是有很长的路要走。
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3D打印技术原理
将计算机内的三维数据 模型进行分层割片,得到各 层数据,计算机根据隔层数 据信息来控制激光器(或喷 嘴)有选择地逐层烧结(固 化,热熔凝结等)形成一层 层微小厚度的实体,再熔结、 聚合、黏结使各层黏结成一 体,最终造出实体模型、模 具。
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1.百度文库 3D打印的优势与不足
5:费用的承担
1999年,世界上第一个实验室培养的器官植入人体,一个年轻人 接受了用3D合成的膀胱。这项技术开启了再生器官—的探索之路。这 些器官用患者自己的细胞制成,基本没有排斥反应的风险。
2009年,用器官打印技术和一台3D生物打印机,打印出第一条血 管。
相信我们在不久的将来会遇到极大的道德挑战。
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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。
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通俗地说,3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设 备,比如打印一个机器人、打印玩具车,打印各种模型,甚至是食 物等等。
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1.3 3D打印的优势与不足
优势9:材料无限组合
对当今的加工制造机器而言,将不同原材料结合成单一产品是件难 事,因为传统的制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将多 种原材料融合在一起。随着多材料3D打印技术的发展,我们有能力 将不同原材料融合在一个产品中。
1.3.2 3D打印的挑战及产业发展瓶颈 1:材料的限制
材料瓶颈已经成为限制3D打印发展的首要问题。因为未来3D打印 的真正发展将在高端领域即工业应用,而目前高端打印材料的发展尚 无法满足3D打印技术发展的需要。
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1.3 3D打印的优势与不足
1:材料的限制
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1.3 3D打印的优势与不足
优势10:精确的实体复制
三维扫描技术与3D打印技术的结合,共同提高了实体世界与数字世界 之间的形态转换和分辨率,我们可以扫描、编辑和复制实体对象,创建 精确的副本或优化原件。
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1.3 3D打印的优势与不足
3D打印涉及的领域非常广泛,因此这个行业暂时不需要考虑太多 的监管问题。即使要通过某项监管措施,那也会是针对某种应用(比 如打印武器)而非技术本身。但这并不意味着诉讼及其他法律问题完 全不会阻碍3D打印加速发展的脚步。
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1.3 3D打印的优势与不足
4:道德的挑战
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1.3 3D打印的优势与不足
优势4:零时间交付,快速制造
与传统制造模式相比,3D打印能在短时间内快速的完成用户需求的小批量 定制化物件,降低新产品开发研制的成本和投资风险,缩短新产品研制和 投放市场的周期,同时也减少了运输和库存的成本。
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3D打印技术制作的 《钢铁侠》手掌
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1.2 3D打印的起源及发展
3D打印技术的核心制造思想最早起源于18世纪末19世 纪初的美国。20世纪50年代后出现了几百个关于3D打印的 专利。直至 20 世纪 80 年代中期开始,至今经过三十年的 发展,该技术已趋于成熟,并初步形成规模化体系,全球 3D 综合竞争态势也呈现出“美国主导、欧洲协同发展、日 本追随、中国后发”的基本格局。特别是 2012 年,美国率 先将 3D 打印 纳入发展工作计划之中,自此在全球迅速形 成了 3D 打印技术热潮,3D 打印技术 的发展实现了质的飞 跃。因而,2012 年可称为“3D 打印元年”。
“目前在工业级打印材料方面存在的问题主要是,第一,可适用的 材料成熟度跟不上3D市场的发展;第二,打印流畅性不足;第三,材料强 度不够;第四,材料对人体的安全性与对环境的友好性的矛盾;第五是 材料标准化及系列化规范的制定。
3D打印对粉末材料的粒度分布、松装密度、氧含量、流动性等性 能要求很高。但目前还没有形成一个行业性的标准,因此在材料特性 的选择上前期要花很长的时间。
主要分为三种:一种是由美国3D Systems公司开发的立体 光刻成型(SL)技术。该技术具有成型过程自动化程度高、制 作模型表面质量好、尺寸精度高等特点,但由于液态光敏聚合 物的特性,要求SLA设备的工作环境较为苛刻。成型件多为树 脂类,强度、刚度及耐热性有限,不利于长时间保存。
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撰写人员 完成时间
莫中凯 2017-3-26
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目录
1.1 什么是3D打印技术 1.2 3D打印的起源及发展 1.3 3D打印的优势与不足 1.4 中国3D打印的现状
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1.1 什么是3D打印技术
3D打印技术,即增材 制造,是一种以数字三维模 型文件为基础,运用高能束 源或者热熔等方式,将液体、 粉末等特殊材料堆积黏结, 最终叠加成型,直接构造出 实体的一种技术。 增材制造-减材制造(普通)
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1.1.1 3D打印技术的分类
2)粒状粉末物料成型 主要分为两类:一类是通过激光或者电子束有选择地在颗
粒层中熔化打印材料,而未熔化的材料则作为物体的支撑,无 需其他支撑材料。
另一类采用喷头式粉末成型打印技术,该打印机在每一 层喷射石膏或者在树脂粉末之间添加黏结剂,通过横截面进行 黏合,重复至每一层打印完成。 3)光聚合成型
1.3 3D打印的优势与不足
优势5:设计空间无限
传统制造技术和工匠制造的产品形状有限,制造形状的能力受制于所使 用的工具。例如,传统的木制车床只能制造圆形物品,轧机只能加工用 铣刀组装的部件,制模机仅能制造模铸形状。3D打印机可以突破这些局 限,开辟巨大的设计空间,甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形 状。
1.1.1 3D打印技术的分类
第二种是Objet公司的PolyJet喷头打印技术,才用紫外光对 喷头喷射出直径为16-30μm的光聚合物材料进行照射固化,直 至部件制作完成。
第三种是德国Envision Tec公司的Ultra3D打印数字光处理 (DLP)成型系统。该系统能够构建组合型的3D部件,使用高 分辨率的数字光处理器投影仪来固化液态光聚合物,从而快速 精准地完成模型制造。
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1.3 3D打印的优势与不足
优势2:产品多样化不增加成本
一台3D打印机可以打印许多形状,它可以像工匠一样每次都做出不 同形状的物品。传统的制造设备功能较少,做出的形状种类有限。 3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本,一台3D打印机只需 要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。
理论上来说,所有的材料都可以用于3D打印,但目前主要以石膏、 光敏树脂、塑料为主,这很难满足大众用户的需求。
工业级的3D打印材料更是十分有限,目前适用的金属材料只有10 余种,而且只有专用的金属粉末材料才能满足金属零件的打印需要。
需要用到金属粉末材料的3D打印为工业级打印机,即选择性激光 烧结(SLS)和选择性激光熔化(SLM)技术。
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1.3 3D打印的优势与不足
3:知识产权的忧虑
多个行业可能会感到3D打印以及它可能绕过知识产权保护而构成 的威胁。尽管相关法律问题十分复杂难缠,但这也难以阻止一些公司, 比如汽车零部件行业(每年产值为1400亿美元)通过法律渠道保护自 己的利益,从而让3D打印技术或其应用长期寸步难行。相比知识产权 盗用而言,还有些问题层次更深。担保、设计授权、相关责任——从 法律观点看,相关问题还远不止于这些。
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1.3 3D打印的优势与不足
1.3.1 3D打印的优势----传统制造业无法企及 优势1:制造复杂物品不增加成本
就传统制造而言,物体形状越复杂,制造成本越高。对3D打印机而言,制 造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、 技能或成本。
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