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3D打印机在未来的发展方向

作为新一轮工业革命的重要标志之一,3D打印机在智能制造、中国制造2025与工业4.0、云制造等领域会发挥着非常重要的作用,未来在各个行业都有着广阔的应用。

从科研的角度来看,3D打印机中的几何设计与优化仍有许多新的问题和新的方向值得去探索。这里列举几个从事研究的问题和方向,以供大家探讨交流。

1、3D几何的表达

现在的基于点和三角网格的表达,或者基于NURBS曲面表达的3D形状是适合于数控加工(减材制造)的;我们认为,隐式曲面在增材制造方面具有系列良好的优点,切片计算快,几何计算简单等。我们正在研究基于隐式曲面的几何表达用于3D打印的广泛应用。

2、成型精度会得到进一步提升

快速成型件的精度大部分是在0.1毫米左右,从高度方面的精度上来看,要符合这个标准是比较困难的。对成型件的精度产生影响的原因主要是有两个,一个是利用三维CAD模型进行转换了以后,得到了STL格局文件,然后跟着进行切片处理的时候会一定的误差出现;还有一个是在成型的时候,出现了翘曲变形的情况,还有就是在成型好了以后,因为有会一部分的水分,温度进入,还有内应力会产生变化等原因都会造成不能得到精确预计的变形情况。要是在未来的发展过程中可以顺利的解决这两个问题,对于精度的提升是非常有帮助的。

2、不断的开发新材料

现在很多快速成型材料物理性能都不是非常好,很难达到功能性以及半功能性零件的需要,一定要进行后加工处理才可以。因为材料技术的开发是比较专业的,大部分的快速成型材料的成本都是比较高的,也会提高生产成本。所以一定要提高快速成型新材料的研发能力,要提高新材料的性能,也要减少成本,这对于快速成型技术的发展是非常有帮助的。

  1. 组合材料

材料的不同组合能得到不同物理特性的物体,组合优化也是是几何的空间分布优化;不同的组合材料、功能材料、梯度材料的设计与优化,使用多重材料混合打印是个值得探索的方向。

  1. 动态机构设计

3D打印机的机构设计研究仍处在初级阶段,3D打印机的机械结构与其它制造方式相比显得较为简单,人们对于机器人的憧憬,对于3D打印机构设计这个研究方向而言既是一个机会也是一个挑战。如何更简单、高效地设计动态3D打印模型甚至3D打印机器人可能成为未来这方面研究的重点。

5、4D打印

智能材料(Smart Material),在外界环境激励下,如温度场、电磁场、湿度、光等,能够自动完成相应的反应(比如膨胀或收缩)。4D打印技术是指由3D打印技术制造的智能材料结构,在一定的环境激励下,可以随时间产生形状结构的变化。4D打印技术相比于3D打印技术增加了一个额外的维度:时间t;广义来讲,在4D打印中t是广义的,它是可表征一切智能打印材料中所隐含的可变参量的总代表。4D打印对于制造业所带来的变革将是深远的,具有非常广阔的应用前景。

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