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3D打印机技术原理、工艺流程及技术优势?3D打印产业布道者创想三维详解

       近年来,3D打印技术的飞速发展,吸引了越来越多人的关注。据P&S市场研究公司发布的3D打印市场研究报告显示,到2023年,全球3D打印市场预计将达到318.63亿美元。这与3D打印相关的主要优势包括成本效益、单步制造工艺以及易于开发定制产品,3D打印技术的采用预计将在未来几年增加。

 

一、3D打印机技术原理

3D打印(3DP)即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,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。

 

3D打印技术通常以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统(3D打印机),利用激光束、热熔喷嘴等方式,将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊的可粘合材料,进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,从而制造出实体产品。

3D打印产业布道者创想三维表示,与传统制造工艺相比,3D打印技术集信息技术、精密机械及材料科学等科学技术于一身,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,被誉为是近20年来制造领域的最重大成果之一。

 

二、3D打印的工艺流程

3D 打印的工艺流程一般分为三步,即三维建模、产品成型和成品后处理。简单来说,在进行3D打印的之前,需要先通过计算机建模软件进行产品的建模(现成的模型文件可也),或者通过扫描设备获取所打印产品的3D模型,比如动物模型、人物、或者微缩建筑等等;然后将模型信息转化成3D打印机可以识别的中间文件-STL文件数据,传输到3D打印机上,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。

 

1. 三维建模

三维建模过程先通过CAD等计算机建模软件建模,再利用专业切片软件(如创想三维切片软件、Cura等)将建成的三维模型“分区”成逐层的截面数据,即切片数据,用于指导打印机逐层打印。

 

计算机建模软件和3D打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。三维文件的产生既可以来源于设计师设计物体,也可以通过扫描实际物体产生。PLY是一种通过扫描产生三维文件的扫描器,其生成的VRML或者WRL文件也被用作3D打印的输入文件。

 

2. 产品成型

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任何形状的物品。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平面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。

 

3. 成品后处理

由不同打印技术特点和打印材料决定,3D打印机的分辨率有时对达不到应用要求,为获得更高分辨率的物品,需要进行成品后处理。具体方法包括首先使用3D打印机打出稍大一点的物体,再经过表面打磨得到表面光滑的“高分辨率”物品;在打印的过程中使用支撑物,例如打印有倒挂状的物体时,需要用到支撑物,打印完成后通过成品后处理除去。

 

三、3D打印的技术优势

3D打印是对一系列“增材制造”技术的统称,而所谓“增材制造”是相对于传统制造业的“减材制造”而言的。传统制造业的产品成型一般需要经过开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等过程;相对于传统制造业,增材制造是一种“自下而上” 的制造方法,不需要复杂的工艺、庞大的机床、众多的人力,直接从三维建模数据中便可生成任何形状的零件。因此,相对于传统制造业,3D打印的的技术优势主要体现在:

 

1. 对产品结构复杂性的边际成本极低

就传统制造而言,物体形状越复杂,制造成本越高、耗时越久。而3D打印对于复杂结构的制造边际成本几乎为零,制造一个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,这打破了传统制造业计算制造成本的方式。因此,所制产品结构越复杂,3D打印技术的优势就越明显,在高度定制的部件,尤其是针对那些不可能通过传统工艺来改进的功能部件方面具有明显的性价比优势。这将主要应用于一些对于精度要求和工艺细节要求很高的制成品,包括小型零件和大型构件。

例如F-22军用战斗机的机身隔框是由钛合金锻件加工而成,传统工艺的成本大约为加工1吨重量的钛合金复杂结构件需花费2500万元。而LAM采用3D打印技术,节约了90%十分昂贵的原材料,加之不需要制造专用的模具,原本相当于材料成本1-2倍的加工费用现在只需要原来的10%。我国大型客机C919机头工程样机的钛合金主风挡整体窗框,也是用3D打印技术生产的,只花了55天,零件成本不到20万美元。

而实现复杂产品结构的生产,还将至少带来以下衍生的应用价值:

1)轻量化

由于3D打印实现了各种复杂结构的直接制造,从而使得通过结构设计实现产品轻量化具有了可行性,降低产品重量的同时节省了宝贵的原材料,可以在航空、风力发电机叶片、体育运动器材、船舶制造、列车机车等领域广泛使用。具体来说,3D打印通过结构设计层面实现轻量化的主要途径有四种:中空夹层/薄壁加筋结构、镂空点阵结构、一体化结构实现、异形拓扑优化结构。

 

2)随行冷却

注塑成型是在传统制造业中被大量使用的工艺。由于模具的质量直接决定了注塑生产效率,并决定产品质量,从而决定产品附加值,所以如何在最小周期时间内,高效冷却塑料产品成为随形冷却模具,是设计与制造过程中的关键考量因素,而冷却在这其间扮演了重要的角色。传统的模具内冷却通道是通过二次加工来实现的。通过交叉钻孔产生创造管直线的内部网络,通过内置流体插头来调整流速和方向。这种方法的局限性在于:渠道网络的形状是有限的,所以冷却通道离模具的表面远,使得冷却效率低。不仅如此,还也不得不面对额外的加工和装配时间,以及盲点的渠道网络可能被堵塞的风险。而且,在复杂的情况下,为了预留随形冷却通道的加工,模具还需要被切分成几个部分来制造,然后在拼接成一整块模具,这导致了额外的制造环节,并且还会缩短模具的寿命。 

3D打印制造摆脱了交叉钻孔的限制,可以设计内部通道更靠近模具的冷却表面,并具有平滑的角落,更快的流量,增加热量转移到冷却液的效率。还可以根据冷却要求设计不同的冷却回路,旨在以一致的速度进行散热,以促进散热的均匀性。

 

3)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。由于3D打印对于产品结构复杂性敏感度较低,将使得现在受制于制造工艺的产品设计,可以在3D打印技术的辅助下突破这些局限,开辟巨大的设计空间。

空客等公司描绘了3D打印技术辅助下未来人类的生活场景——飞机、汽车、建筑乃至太空探索将呈现出完全不同的形态,而这并非完全是科幻小说,事实上一些技术已经存在了,Arconic公司把这些设想实现的时间设定为2062年。

 

2. 小规模、定制化与多样化

3D打印的成本对规模相对不敏感,一台3D打印机可以打印各种形状,可以用各种原料打印三维模型,应用对象可以是任何行业,只要这些行业需要模型和原型。因此不必像传统制造那样设计专门的模具、配置专用的生产设备。因此3D打印更适用于生产小规模、定制化、多样化的产品,从而改变了传统制造的供给和需求关系,能够实现根据客户需求高度个性化生产。

比如,在军用领域,机械维修团队可以利用3D打印技术就地加工一些制成品,来保证紧急状况下的机械平台维护;而以往在大部分情况下,陆战坦克、装甲车等装备在受到损害后,超过一定比例,就会因为成本原因直接废弃。在快速制造高精度模型的领域,3D打印的优越性是无法被传统工艺取代的。

 

 

3. 先天具有互联网基因

制造业与互联网融合发展已经成为“十三五”规划的重要内核,也是实现“中国制造2025”战略规划的重要手段。而3D打印的本质是数据驱动型的制造方式,从建模到切片再到打印成型,天生就具备数据和互联网的基因。3D打印可以通过互联网信息技术平台,和物联网、大数据等技术紧密融合,实现智能化制造,成为实现工业4.0的重要途径之一。

一是在产品的设计开发端,实现“人人都可以开发产品”。3D打印支持构建CAD分析和产品开发验证平台,在这样的一个平台,3D打印技术能迅速将设计创意转变为实物模型,特别针对复杂结构的制作。企业和个人可以充分根据自己的需求设计和开发产品,不仅应用自己的资源开发,更可以利用全社会、全世界的资源开发,从而打破了传统生产方式中设计和制造之间的生产资源、加工工艺壁垒,充分释放了人的作用,让创新创业流动了起来。同时,这些产品的数据将不断积累在数据库中,知识和经验通过互联网实现了共享,又将激发新的创新,一旦这种创新能力被释放出来,未来的想象空间极大。

二是在生产制造端,实现“分布式制造”。由于工艺复杂,打印机购置成本高昂,打印需求不稳定等,不是每个3D打印的客户都需要购置3D打印机。通过打造线上线下联动的物联网云平台,可以把闲置的3D打印设备实现互联共享,平台根据制造需求,将订单分派到周边的打印设备,能大大提高个性化定制的响应速度,从而实现3D打印大规模定制化服务。而平台自身由于链接起了上下游资源,可以在3D打印设计原型、数据提供、设备服务、工艺处理等方面快速积累优势。

 

关于创想三维

深圳市创想三维科技有限公司是国际知名的3D打印机制造商,是国内热熔沉积(FDM)和光固化(DLP)3D打印机研发、量产的先行者。公司一直致力于3D打印机的市场化应用,为个人、家庭、学校、企业提供高效实惠的3D打印综合方案,满足每个创意对于效益、质量及快速成型的要求。创想三维是首批增材制造(3D打印)企学研实践教育联盟会员,国家创新中心金卡会员,已通过国家高新技术企业、中国著名品牌、中国自主创新品牌、ISO9001等多项认证,拥有数十项桌面级、工业级、教育级3D打印机专利。

 

一直以来,公司致力于推广3D打印技术,并坚持以产业布道者的精神,生产品质更好的3D打印机,提供更多优质优价的产品、细致周到的服务,为千家万户带去科技的便捷和乐趣,为中国制造业的崛起添砖加瓦!


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