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国内外3D打印技术进展

供稿人:殷媛媛  供稿时间:2013-5-31   关键字:3D打印  增材制造  
目前,根据打印所用材料及生成片层方式的不同,3D打印的实现方法有很多种。一些方法使用熔化或软化的材料产生层,如选择性激光烧结(SLS)和熔融沉积成型(FDM)技术。有些则采用其他液体材料加工方法,如光固化成型(SLA)。而在层压板制造(LOM)中,纸、聚合物、金属等材料的薄层被剪裁成一定形状并粘接在一起。这些3D打印技术由不同公司所研发倡导,主要区别在于打印速度、成本、可选择材料和色彩能力等存在不同。表1总结了现有的三维打印实现技术,可归纳为挤出成型技术、粒状物料成型、光聚合成型等几种主要类型,每种类型又包括一种或多种技术路径。
表1 三维打印主要实现技术
类型
技术
基本材料
挤出成型
熔融沉积(FDM)
热塑性塑料(如PLA、ABS)、共融金属、可食用材料
粒状物料成型
直接金属激光烧结(DMLS)
几乎任何金属合金
电子束熔炼 (EBM)
钛合金
选择性热烧结 (SHS)
热塑性粉末
选择性激光烧结 (SLS)
热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末
基于粉末床、喷头和石膏的三维打印(PP)
光聚合成型
光固化成型 (SLA)
光敏聚合物
数字光处理 (DLP)
液体树脂
层压型
层压板制造 (LOM)
纸、金属箔、塑料薄膜
数据出处:Wikipedia,“3D printing”,2012.
挤出成型技术:FDM
熔融沉积成型(FDM)是由Stratasys公司于20世纪80年代中后期发明的一种快速成型开发技术。熔融沉积成型设备采用成卷的塑料丝或金属丝作为材料供应给挤压喷嘴,喷嘴加热融化材料,并在计算机辅助制造软件的控制以及步进电机或伺服电机的驱动下,沿水平和垂直方向移动。热塑性塑料材质的小珠子被从喷嘴中挤出,形成层并迅速硬化,打印完毕后,拿掉固定在零件或模型外部的支撑材料即可。目前,FDM技术可打印的材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(通常称为ABS工程塑料)、聚碳酸酯、聚乳酸、聚苯砜等。
 
与其他的三维打印技术相比,FDM是唯一使用工业级热塑料作为成型材料的积层制造方法,打印出的物件可耐受高热、腐蚀性化学物质、抗菌和强烈的机械应力,被用于制造概念模型、功能原型,甚至直接制造零部件和生产工具。FDM技术被Stratasys公司的Dimension、uPrint和Fortus全线产品以及惠普大幅面打印机作为核心技术所采用。2012年3月发布的超大型快速成型系统Fortus 900mc,代表了当今FDM技术的最高成型精度、成型尺寸和产能,成型尺寸高达914.4×609.6×914.4mm,打印误差为每mm +0.089mm或+0.0015mm,层厚最小仅为0.178mm,被用于打印真正的产品级零部件。
粒状物料成型技术:SLS、DMLS、EBM、PP
(1)激光烧结
一种方法是有选择性在颗粒层中融化打印材料。在这种方法中,未融化的材料被作为生成物件的支撑或薄壁,从而减少对其他支撑材料的需求。通常采用激光来烧结材料并形成固体,例如:选择性激光烧结(SLS)技术,主要采用金属和聚合物作为打印材料,具体包括尼龙、添加玻璃纤维的尼龙、刚性玻璃纤维、聚醚醚酮、聚苯乙烯、尼龙及铝粉的混合材料、尼龙及碳纤维的混合材料、人造橡胶等,3D Systems公司的sPro系列3D打印机即采用SLS技术实现;直接金属激光烧结(DMLS)技术,已实现可打印几乎任何金属合金,有代表性的是德国EOS公司的直接金属激光烧结设备。
 
(2)电子束熔炼
电子束熔炼(EBM)技术是一种金属部件的积层制造技术,可打印材料如钛合金等。电子束熔炼技术通过高真空环境下的电子束将融化的金属粉末层层叠加。与直接金属激光烧结技术低于熔点的生产环境有所不同,电子束熔炼技术生产出的物件密度高、无空隙且非常坚固。采用电子束熔炼技术的代表设备为瑞典ARCAM公司的EBM系统。
 
(3)喷头式粉末打印
另一种方法是喷头式粉末3D打印技术。使用这种技术的3D打印机每次喷一层石膏或者树脂粉末,并通过横截面粘合。重复该过程,直到打印完每一层。此技术允许打印全色彩原型和弹性部件,将蜡状物、热固性树脂和塑料加入粉末一起打印还可以增加强度。采用喷头式粉末成型打印技术的代表设备为3D Systems公司的ZPrinter系列3D打印机。
光聚合成型技术:SLA、DLP
(1)光固化成型
光聚合成型的主要实现途径是用于生产固体部件的光固化成型 (SLA)技术。SLA技术最早由美国3D Systems公司成功商业化,其Projet系列和iPro系列3D打印设备均采用SLA技术实现。该技术由于具有成型过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度高以及能够实现比较精细的成型尺寸等特点,而成为广泛应用的快速成型工艺方法。但SLA系统是对液态光敏聚合物进行操作的精密设备,对工作环境要求苛刻。而且成型件多为树脂类,强度、刚度、耐热性有限,不利于长时间保存。
Objet公司的PolyJet系统是一种喷头打印机技术,目前已实现以16~30μm的超薄层喷射光敏聚合物材料,并层层构建到托盘上,直至部件制作完成。每一层光敏聚合物在喷出时即采用紫外线光固化,打印出的物件即为完全凝固的模型,无需后固化。被设计用来支撑复杂几何形状的凝胶体支撑材料,通过手剥和水洗即可除去。
 
(2)数字光处理
在数字光处理(DLP)技术中,大桶的物体聚合物被暴露在数字光处理投影机的安全灯环境下,暴露的液体聚合物快速变硬。然后,设备的构建盘以较小的增量向下移动,液体聚合物再次暴露在光线下。这个过程被不断重复,直到模型建成。最后排除桶中的液体聚合物,留下实体模型。采用DLP技术的代表设备是德国EnvisionTec公司的Ultra 3D打印机数字光处理快速成型系统。
参考文献
[1]David L.Bell.Ming C. Leu. David W. Rosen.Roadmap for Additive Manufacturing
Identifying the Future of Freeform Processing.[EB/OL].[2009].http://wohlersass_ ociates.com/roadmap2009.pdf
[2]Wohlers Report 2012. Additive Manufacturing and 3D Printing State of the Industry Annual Worldwide Progress Report [EB/OL].[2012-12-21].http://wohlers­associates. com/2012_ contents.htm
[3]3D printing.[EB/OL].[2012-12-14].http://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing
[4]H.Kodama.Automatic Method for Fabricating a Three-Dimensional Plastic Model with Photo Hardening Polymer[J].Rev Sci Instrum.1981.pp.1770-73.
[5]Additive Manufacturing Will Change in the Next 5-10 Years.[EB/OL]. [2012-02-05]. http://www.forbes.com/sites/tjmccue/2012/05/02/additive-manufacturing-will-change-in-the-next-5-10-years/
[6]王运赣等.三维打印自由成形[M].北京.机械工业出版社.2012.

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