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第一台3D打印机由查尔斯·赫尔在1986年发明,这台3D打印机使用立体光固成型技术。经过30年的发展,3D打印形成了不同的技术路线和工艺,不同的工艺对应着不同的打印设备及材料。
3D打印技术路径
3D打印技术发展至今,在最初的基础上已经衍生出几十种打印技术。美国材料与测试协会增材制造技术委员会(ASTM F42)增材制造技术委员会在其发布的《增材制造技术标准术语》(ASTMF2792-12a)中把打印原理分为七大类,主流的技术都可以归入这七类原理。
经过几十年的发展,目前已经开发出多种3D打印技术路径,从大类上划分为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型和其他成型几大类,挤出成型主要代表技术路径为熔融沉积成型(FDM);粒状物成型技术路径主要包括电子束熔化成型(EBM)、选择性激光烧结(SLS)、三维打印(3DP)、选择性热烧结(SHS)等;光聚合成型主要包括光固化(SLA)、数字光处理(DLP)、聚合物喷射(PI);其他技术包括激光熔覆快速制造技术(LENS)、熔丝制造(FFF)、融化压模(MEM)、层压板制造(LOM)等。其中,FDM、SLA、LOM、SLS、3DP为主流技术。
粒状物料成型
顾名思义,各种粒状物料成型工艺均采用粒状物料,包括金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末等等,不同的工艺对材料的物理、化学性能有差别化的要求,通过这些技术可以将粉末材料转化为固体材料,赋予一定的结构和机械性能。
所不同的是在进行粉末连接的时候采用的方法不同,一般有激光、电子束、热量、粘剂等。采用激光、电子束进行3D打印的一般需要较为苛刻的外部条件,适用于工业3D打印机;利用粘剂、热进行连接的对外部环境要求不算太苛刻,可发展桌面级打印机。
粒状物成型技术路径主要包括电子束熔化成型(EBM)、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光融化(SLM)、三维打印(3DP)、选择性热烧结(SHS)、金属激光烧结(DMLS)等。
粒状物料成型相关技术的优点,包括成型速度快、材料广泛、能够制造复杂构造等特点,但同时也存在强度低、一般需要后处理、部分技术路径需要预加工、成本较高等缺点。受制于机械性能较差等因素,目前通过粒状物料成型3D打印工艺更多地应用于产品开发阶段。
光聚合成型
光聚合成型类3D打印技术是利用光敏材料在光照射下固化成型的3D打印技术的统称。主要包括三种技术路线:其一是由美国3D Systems开发并最早实现商业化的光固化成型技术(SLA);其二是由德国envision TEC公司基于数字光处理(DLP)投影仪技术开发的DLP技术;其三则是由以色列Objet公司(2012年与Stratasys合并)开发的聚合物喷射技术(PolyJet)。
其中,SLA使用的光源为紫外激光束,DLP使用的光源为数字光处理器,PolyJet使用的光源为紫外光。三种技术虽然原理相近,但由于光源以及具体工艺的差异,导致在打印速度、精度、光洁度等方面各有优劣,在应用方面也是各有侧重。
3D打印工艺
打印工艺与设备主要基于常规热源、激光热源、电子束、粘结、层压和光固化等不同的材料成型方式。不同原理的技术所制成产品具有不同的性能,其应用也受到相应限制。这些3D 打印技术由不同公司研发倡导,主要区别在于打印速度、成本、可选材料及色彩能力等。
熔融沉积成型(FDM)
熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)技术由美国学者Scott Crump于1988年研制成功,并据此于1989年成立Stratasys公司。
FDM技术将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出,喷嘴按照零件每一层的预定轨迹,以固定的速率移动,进行熔体沉积。每完成一层,工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层,如此反复最终实现零件的沉积成型。其每一层片的厚度由挤出丝的直径决定,通常是0.25-0.50mm。
成型过程需要恒温环境,熔融状态的丝挤出成型后如果骤然受到冷却,容易造成翘曲和开裂,适当的环境温度最大限度地减小这种造型缺陷,提高成型质量和精度。
FDM的优势在于材料来源广泛,可使用工业级热塑原料,设备所需技术水平较低,进入门槛和生产成本相对较低。但缺点在于,由于温度的不稳定会对材料成型的稳定性造成影响,线材的直径影响产品的精度,使得打印精度较低、表面粗糙。喷头移动速度影响成型速度,并且复杂构件不易制造。
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。目前FDM在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30%。
选择性激光烧结(SLS)
激光烧结,又称为粉末床熔融技术,是在粒状层中选择性地融化打印材料,通常采用激光来烧结材料并形成固体。在这种方法中,未融化的材料作为生成物件的支撑薄壁,从而减少了对其他支撑材料的需求。激光烧结技术主要包括选择性激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)和直接金属激光烧结(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)两种类型。
SLS由美国得克萨斯大学奥斯汀分校的C. R. Dechard于1989年研制成功,并将此技术商业化成立了DTM公司(2001年已被3D Systems收购)。
3D打印技术路径
3D打印技术发展至今,在最初的基础上已经衍生出几十种打印技术。美国材料与测试协会增材制造技术委员会(ASTM F42)增材制造技术委员会在其发布的《增材制造技术标准术语》(ASTMF2792-12a)中把打印原理分为七大类,主流的技术都可以归入这七类原理。
经过几十年的发展,目前已经开发出多种3D打印技术路径,从大类上划分为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型和其他成型几大类,挤出成型主要代表技术路径为熔融沉积成型(FDM);粒状物成型技术路径主要包括电子束熔化成型(EBM)、选择性激光烧结(SLS)、三维打印(3DP)、选择性热烧结(SHS)等;光聚合成型主要包括光固化(SLA)、数字光处理(DLP)、聚合物喷射(PI);其他技术包括激光熔覆快速制造技术(LENS)、熔丝制造(FFF)、融化压模(MEM)、层压板制造(LOM)等。其中,FDM、SLA、LOM、SLS、3DP为主流技术。
粒状物料成型
顾名思义,各种粒状物料成型工艺均采用粒状物料,包括金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末等等,不同的工艺对材料的物理、化学性能有差别化的要求,通过这些技术可以将粉末材料转化为固体材料,赋予一定的结构和机械性能。
所不同的是在进行粉末连接的时候采用的方法不同,一般有激光、电子束、热量、粘剂等。采用激光、电子束进行3D打印的一般需要较为苛刻的外部条件,适用于工业3D打印机;利用粘剂、热进行连接的对外部环境要求不算太苛刻,可发展桌面级打印机。
粒状物成型技术路径主要包括电子束熔化成型(EBM)、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光融化(SLM)、三维打印(3DP)、选择性热烧结(SHS)、金属激光烧结(DMLS)等。
粒状物料成型相关技术的优点,包括成型速度快、材料广泛、能够制造复杂构造等特点,但同时也存在强度低、一般需要后处理、部分技术路径需要预加工、成本较高等缺点。受制于机械性能较差等因素,目前通过粒状物料成型3D打印工艺更多地应用于产品开发阶段。
光聚合成型
光聚合成型类3D打印技术是利用光敏材料在光照射下固化成型的3D打印技术的统称。主要包括三种技术路线:其一是由美国3D Systems开发并最早实现商业化的光固化成型技术(SLA);其二是由德国envision TEC公司基于数字光处理(DLP)投影仪技术开发的DLP技术;其三则是由以色列Objet公司(2012年与Stratasys合并)开发的聚合物喷射技术(PolyJet)。
其中,SLA使用的光源为紫外激光束,DLP使用的光源为数字光处理器,PolyJet使用的光源为紫外光。三种技术虽然原理相近,但由于光源以及具体工艺的差异,导致在打印速度、精度、光洁度等方面各有优劣,在应用方面也是各有侧重。
3D打印工艺
打印工艺与设备主要基于常规热源、激光热源、电子束、粘结、层压和光固化等不同的材料成型方式。不同原理的技术所制成产品具有不同的性能,其应用也受到相应限制。这些3D 打印技术由不同公司研发倡导,主要区别在于打印速度、成本、可选材料及色彩能力等。
熔融沉积成型(FDM)
熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)技术由美国学者Scott Crump于1988年研制成功,并据此于1989年成立Stratasys公司。
FDM技术将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出,喷嘴按照零件每一层的预定轨迹,以固定的速率移动,进行熔体沉积。每完成一层,工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层,如此反复最终实现零件的沉积成型。其每一层片的厚度由挤出丝的直径决定,通常是0.25-0.50mm。
成型过程需要恒温环境,熔融状态的丝挤出成型后如果骤然受到冷却,容易造成翘曲和开裂,适当的环境温度最大限度地减小这种造型缺陷,提高成型质量和精度。
FDM的优势在于材料来源广泛,可使用工业级热塑原料,设备所需技术水平较低,进入门槛和生产成本相对较低。但缺点在于,由于温度的不稳定会对材料成型的稳定性造成影响,线材的直径影响产品的精度,使得打印精度较低、表面粗糙。喷头移动速度影响成型速度,并且复杂构件不易制造。
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。目前FDM在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30%。
选择性激光烧结(SLS)
激光烧结,又称为粉末床熔融技术,是在粒状层中选择性地融化打印材料,通常采用激光来烧结材料并形成固体。在这种方法中,未融化的材料作为生成物件的支撑薄壁,从而减少了对其他支撑材料的需求。激光烧结技术主要包括选择性激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)和直接金属激光烧结(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)两种类型。
SLS由美国得克萨斯大学奥斯汀分校的C. R. Dechard于1989年研制成功,并将此技术商业化成立了DTM公司(2001年已被3D Systems收购)。