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什么是3D打印?

文章来源:西安锐普3D打印公司 人气:509 发表时间:2024-06-14

  




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什么是3D打印?


  3D打印中有哪些几何处理的问题?


  一、背景:传统的制造加工工艺


  我们生活中所使用的物品是如何制造出来的?制造物品的方法和工艺有很多,传统的制造方法可归纳为有以下两种:


  1.等材制造工艺。比如铸造,是一种金属热加工工艺,是将液体金属(例:铜、铁、铝、锡、铅等)浇铸到与零件形状相适应的空腔(称为铸模,材料可以是砂、金属甚至陶瓷)中,待其冷却凝固后,以获得零件或毛坯的方法。人类在几千年前就掌握了这种制造工艺,比如出土的春秋战国时期的青铜器皿就是通过铸造制造的。


  再比如锻造,是利用锻压机械对金属坯料施加压力,使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的制造工艺。人类在几千年前也掌握了这种制造工艺,就是民间俗称的“打铁”工艺。一般地,由于锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷,优化微观组织结构,锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。


  另一种是冲压,是靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力,使之产生塑性变形或分离,从而获得所需形状和尺寸的工件(冲压件)的成形加工工艺。生活中很多物品,比如汽车的车身、容器的壳体,仪器仪表、家用电器、办公机械、生活器皿等,都是冲压件。冲压和锻造同属塑性加工。


  由于这些加工工艺在加工物品的过程中,材料只是从一种形式变到另一种形式,材料并没有增加或减少,因此称为等材制造工艺。


  2.减材制造工艺。一般是指在数控机床上进行零件加工的工艺方法,车铣刨磨是四种基本的加工方式,包括车削加工、铣削加工、刨削加工、磨削加工,不同零件所需的加工方式不同,有的零件需使用其中多种方式才可完成零件的加工。由于这种加工工艺将多余的材料从工件中削除,被削除的材料是浪费(称为废料)的,因此称为减材制造工艺。


  二、3D打印并不神秘:它只是一种新型的制造和加工工艺


  3D打印技术出现在上世纪80年代末至90年代初(也称为快速成型技术),至今也就30年不到的时间。其原理很简单:以3D数字模型文件为输入,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。


  形象来讲,普通的打印机是将2D图像或图形数字文件通过墨水输出到纸张上;3D打印机则是将实实在在的原材料(比如金属、陶瓷、塑料、砂等)输出为一薄层(物理上具有一定的厚度),然后不断重复一层层叠加起来,最终变成空间实物。因此,3D打印在输出某一分层时,过程与喷墨打印是相似的。就像盖房子,是通过一块一块砖所累积而成,而3D打印的物品是通过原材料的一粒一粒所累积而成。


  由于3D打印是将材料一层一层堆积而成,因此也称为增材制造工艺。3D打印并不神秘,相对于具有千年的等材制造工艺和具有百年的减材制造工艺,它只是一种制造成型的新工艺,只有30年不到的历史。


  三、比较:3D打印区别于其他制造工艺有哪些优势和劣势?


  相对于等材制造工艺与减材制造工艺,3D打印具有许多的优势,已有很多文章进行了详细的分析与阐述。笔者认为,相对于传统的制造工艺,3D打印具有如下三个最主要的优势:


  1.设计空间无限。对于几何结构复杂物品(比如内部有非常复杂的拓扑结构或空腔结构的物品),传统的制造工艺是无法进行加工的,需要将物品进行分解分别加工再组装。而3D打印将物体分解成一层一层的2D区域,因此加工任意复杂的物体都没有问题,加工精度只是取决于打印机所能输出的最小材料颗粒。这是3D打印带给我们最大的优势,能让设计者设计任意复杂的几何形状,设计空间无限。正是这个优势,给了我们在几何设计与优化方面大量需要解决的问题,后面会详述。


  2.零技能制造。传统的制造工艺设备庞大且昂贵,需要较高的技能才能进行操作。而3D打印机(比如FDM3D打印机)小巧而廉价,有些已经进入家庭,使用简单方便;相对于昂贵的铸模,3D打印只需要一个数字化文件即可进行成型。因此,通过3D打印,能够轻松实现产品的个性化设计与定制,大大缩短了产品的研发时间。这个优势给了我们非机械专业的研究工作者,也能进行相关的几何、结构、材料等方面的研究,大大加深和拓展了制造中所存在的相关研究问题。


  3.材料无限组合。多喷头的3D打印机能够对多种材料进行组合打印。通过材料的堆叠和组合,打印的物品具有与单一材料所不同的物理和力学的特性。因此,通过不同材料的组合,可以产生性能不同的“新的材料”。这个优势提供给了我们利用控制材料的分布来控制物品的物理、力学及结构的特性,从而能产生多样化的物品,增加产品的灵活性。


  总之,3D打印技术最被看重的三大优势是加速产品的研发过程、提供个性化和定制产品和增加生产的灵活性。从成型工艺上看3D打印突破了传统成型方法,无需先行制作模具和机械加工,通过快速自动成型硬件系统与CAD软件模型结合就能够制造出各种形状复杂的产品,这使得产品的设计生产周期大大缩短,生产成本大幅下降。


  当然,3D打印作为一项年轻的成型工艺,还存在着许多的不足,比如成型时间慢、精度低、材料种类少、无法大批量生产等。现阶段3D打印的实际使用仍属于快速成型范畴,即为企业在生产正式的产品前提供产品原型的制造,业内也称作手板。因此,3D打印成型工艺现阶段是作为与传统制造工艺互补的方式存在,要成为主流的生产制造技术还尚需时日。但是要相信,人类对技术的追求是无限的,随着3D打印设备和打印材料的研发的不断进步,3D打印技术会越来越被广泛得到使用。


  从另一个角度来看,3D打印技术让制造从工厂走向了家庭,催生了大量的个人设计者(即创客),激发了无限的创意设计的可能。这是笔者认为3D打印技术能带给我们大众最大的意义,后面会详细阐述。


  四、定位:3D打印的相关领域


  3D打印是一种新型的快速成型技术,它综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多领域的前沿技术,涉及的领域较多。


  笔者认为,3D打印作为一种制造工艺(Manufacturing),最主要涉及有3个方面:


  1.材料(Material)。即用于3D打印中的材料,包括树脂、金属、陶瓷、塑料或天然材料等,这些材料通过堆积形成实在的功能产品。


  2.设备(Machine)。3D打印设备将材料按照软件(设计数据和制作数据)的要求实现产品的成型。现有的3D打印设备有许多种类,稍后会介绍。


  3.建模(Modeling)。这是3D打印工艺中的软件部分。包括切片、模型的构建与优化、成型过程控制等。这是3D打印工艺中的软件部分。


  笔者在2014年的SiggraphAsia国际会议上做的第一次有关3D打印的教程Course(链接)上,提出了3D打印的3M概念,即material,machine,modeling,这就像三条桌腿一样,共同支撑着manufacturing的桌面及其发展(3M+1M),缺一不可。


  如果将3D打印比作做一道菜,材料就是菜的原料,设备就是锅,而建模则是菜谱和制作方法。建模作为3D打印的“大脑”,在成型过程中起到至关重要的作用,这正是我们从事计算机图形学和几何建模的研究工作者的研究工作。因此,计算机图形学是3D打印中的不可或缺的一个重要研究领域。在计算机图形学中,近年来出现大量的有关几何、结构设计与优化的研究论文,笔者也在这方面做了系列的研究工作,后面会详述。


  五、3D打印常用材料简介


  “巧妇难为无米之炊”,材料是3D打印的物质基础,是当前制约3D打印发展的瓶颈之一。在3D打印中所使用的材料主要包括工程塑料、橡胶、光敏树脂、石膏、金属和陶瓷等,在生物应用领域还有人造骨粉、细胞生物原料等。这些材料都是针对3D打印设备和工艺来研发的,有不同的形态,比如粉末状、丝状、层片状、液体状等。比如,粉末状3D打印材料的颗粒呈现球形状,半径在100微米以下。


  以下简单介绍一些常用的3D打印材料(主要来自于Medtec),更详细的资料可从网上获取。


  工程塑料指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料,是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。工程塑料是当前应用最广泛的一类3D打印材料,常见的有ABS类材料、PC类材料、尼龙类材料等。ABS材料是FDM(熔融沉积造型)快速成型工艺常用的热塑性工程塑料,具有强度高、韧性好、耐冲击等优点。


  光敏树脂即UV树脂,由聚合物单体与预聚体组成,其中加有光(紫外光)引发剂(或称为光敏剂)。在一定波长的紫外光(2500~300nm)照射下能立刻引起聚合反应完成固化。光敏树脂一般为液态,可用于制作高强度、耐高温、防水材料。目前,研究光敏材料3D打印技术的主要有美国3Dsystem公司和以色列object公司。常见的光敏树脂有somosNEXT材料、树脂somos11122材料、somos19120材料和环氧树脂。


  橡胶类材料具备多种级别弹性材料的特征,这些材料所具备的硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度,使其非常适合于要求防滑或柔软表面的应用领域。3D打印的橡胶类产品主要有消费类电子产品、医疗设备以及汽车内饰、轮胎、垫片等。


  金属材料:在国防领域,欧美发达国家非常重视3D打印技术的发展,不惜投入巨资加以研究,而3D打印金属零部件一直是研究和应用的重点。3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前,应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等。