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3D打印机地技术原理

工程训练I大作业

--3D打印机的技术原理

学院名称　

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　　　　　学号　

　　　　　学生姓名　

成绩　

2018年03月18日

3D打印机的技术原理

 3D打印（3D printing），是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。

运用该技术进行生产的主要流程是：

应用计算机软件，设计出立体的加工样式，然后通过特定的成型设备（俗称“3D打印机”），用液态、粉末、丝状的固体材料逐层“打印”出产品。

3D打印是“增材制造”（Additive Manufacturing）的主要实现形式。

“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。

传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。

而“增材制造”与之截然不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过叠加材料的方法生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。

国际上喜欢用“Additive Manufacturing”（简称AM）来表示3D打印技术，国内专业术语是增量制造、增材制造或添加制造。

2009年美国ASTM成立了F42委员会，将AM定义为：

“Process of joining materials to make objects from 3d model data,usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies.” 即：

一种与传统的材料去处加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。

目前主流的3D打印技术有：

1、SLS激光粉末烧结成型（Se1ected Laser Sintering）； 

2、3DP三维打印（3Dimension Printer）；  

3、SLA激光光固化（Stereo lithography）； 

4、FDM熔融沉积造型（Fused Deposition Modeling）  

3D打印机的用途，能够实现哪些功能  

3D打印能够发挥的作用，按照产品设计研发的流程来说：

 3D打印不仅仅可以快速制作设计原型，从最初的概念设计到最终产品制造，3D打印在产品设计制造的各个环节都具备变革性优势。

许多企业在产品设计早期，就会使用3D打印设备快速制作足够多的模型用于评估，不仅节省了时间，而且减少了设计缺陷。

随着产品设计研发的进展，他们会采用3D打印反复制作手板模型用于设计沟通、设计验证、装配测试和宣传展示，以实现产品功能改善、生产成本降低、品质更好、市场接受度提升的目标。

在产品小批量试制阶段，3D打印为快速打样提供了最佳方案，3D打印出来的样品可以用于宣传展示、市场调查、试销售等。

而在产品量产环节，也已经有越来越多的企业在采用3D打印方式来加快交付周期、降低个性化定制价格、改善产品交付质量，以及提高生产效率。

3D打印能够发挥的作用，按照不同应用行业来说：

近年来，3D打印技术发展迅速，通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，该技术已成为现代模型、模具和零件制造的有效手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学、文化创意等领域得到了一定应用，在工程和教学研究等应用领域也占有独特地位。

具体应用领域包括：

1、工业制造：

产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证；制作模具原型或直接打印模具，直接打印产品。

3D打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。

3D打印的家用器具模型，也被用于企业的宣传、营销活动中； 

2、文化创意和数码娱乐：

形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。

科幻类电影《阿凡达》运用3D打印塑造了部分角色和道具，3D打印的小提琴接近了手工艺的水平； 

3、航空航天、国防军工：

复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、机构的直接制造； 

4、生物医疗：

人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等； 

5、消费品：

珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造； 

6、建筑工程：

建筑模型风动实验和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模拟； 

7、教育：

模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。

在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印机已经被用于教学和科研；  

8、个性化定制：

基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。

什么样的三维数据才能够用于3D打印     

3D打印的标准数据格式STL  

STL（Stereo Lithography Interface Specification）格式是目前3D打印/增材制造设备使用的通用接口格式，是由美国3Dsystems公司于1988年制定的一个接口协议，是一种为3D打印/增材制造技术服务的三维图形文件格式，目前已成为3D打印/增材制造的事实上的标准格式。

  STL格式是存储三维模型信息的一种简单方法，它将复杂的数字模型以一系列的三维三角形面片来近似表达。

STL模型是一种空间封闭的、有界的、正则的唯一表达物体的模型，具有点、线、面的几何信息，能够输入给增材制造设备，用于快速制作实物样品。

随着增材制造技术的发展和应用，STL文件格式也得到了各CAD/CAM软件公司的广泛支持。

在医学、自然科学和工程领域里，STL技术也得到了广泛的应用。

利用三维扫描仪等三维数字化工具对物理原型进行多方位三维扫描，经过点云数据的预处理与优化，得到物体完整的三维数据模型，对该数据模型进行表面三角形小平面化处理，类似于有限元的网格划分，即用许多空间三角形面片来逼近CAD模型，当三角形面片小到一定程度，其近似性可达到工程允许的精度范围内，其数据文件称为STL文件，可以直接输入3D打印/增材制造设备，用于3D打印/增材制造。

STL文件格式化对3D打印/增材制造精度影响  

3D打印时，由于要将复杂的三维加工转化为一系列简单的二维加工的叠加，因此，成型精度主要取决于二维（X，Y）平面上的加工精度，以及高度（Z）方向上的叠加精度。

从3D打印机本身而言，可以将X、Y、Z三方向的运动位置精度控制在微米级水平，因而能得到精度相当高的工件。

因此，特别在加工复杂的自由曲面及内型腔时，3D打印/增材制造比传统的加工方法表现出更明显的优势。

然而影响工件最终精度的因素不仅有3D打印机本身的精度，还有一些其它因素，其中比较重要的是CAD模型的前期处理造成的误差。

对于绝大多数增材制造设备而言，开始成型前，必须对工件的三维CAD模型进行STL格式化和切片等前期处理，以便得到一系列的截面轮廓。

STL格式己成为3D打印行业事实上的通用标准。

在计算机数据处理能力足够的前提下，进行STL格式化时，应选择更小、更多的三角面片，使之更逼近原始三维模型的表面，这样可以降低由STL格式化所带来的误差影响。

中国3D打印前景展望   

3D打印机对传统制造业会带来哪些冲击   

3D打印产业上游包括材料技术、控制技术、光机电技术、软件技术，中游是立足于信息技术的数字化平台，下游涉及国防科工、航空航天、汽车摩配、家电电子、医疗卫生、文化创意等行业，其发展将会深刻影响先进制造业、工业设计业、生产性服务业、文化创意业、电子商务业及制造业信息化工程。

3D打印机给传统制造业带来的冲击，大致有以下几点：

1、3D打印技术的发展满足了消费者的需求，将导致工业制造模式的变化      

相比生产大规模标准化产品的模具制造，3D打印可以在一定约束下随意生产制作个性化产品，可称之为“大规模定制制造模式”，是以互联网为支撑的智能化大规模定制的方式，或者是“分散生产，就地销售”方式，标志着个性化消费时代的到来。

从前，消费者都是在店里挑选、购买已经生产好的商品，现在则可以根据各自的需求，在“3D打印店”定制，边生产边体验，及时获得自己喜欢的产品。

2. 3D打印技术具备传统模具制造没有的独特优势  

3D打印技术是不受产品结构和形状的限制的，任何复杂的造型和结构，只要有CAD数据，都可以轻松完成，这样就给个性化、定制化提供了可能性；而且使用3D打印技术，是不需要开模具的，实现了无模化制造，可使新产品研制的成本下降为传统方式的1/3-1/5 ，周期缩短为1/5-1/10 。

再加上3D打印设备大部分可以实现无人值守、24小时不间断加工，也就为厂商节约了人工成本，提高了生产效率。

3D打印的后期辅助加工量大大减小，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度，尤其适合一些高保密性的行业，如军工、核电领域。

3D打印技术“打印”的产品是自然无缝连接的，一体成型，结构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法。

3. 3D打印技术符合低碳环保的发展理念  

“第三次工业革命”概念的真正兴起和全球化传播，与全球可持续发展面临的压力息息相关。

具体来说：

一是至20世纪80年代，石油和其他化石能源的日渐枯竭，及随之而来的全球气候变化给人类的持续生存带来了危机。

二是化石燃料驱动的原有工业经济模式，不再能支撑全球的可持续发展，需要寻求一种使人类进入“后碳”时代的新模式。

3D打印技术适逢其会，以绿色、节能、低碳、环保的全新姿态迅速得到了全球政府和机构的认可和信赖。

3D打印采用的是加法式制造技术，区别与传统的减法式、铣削式制造方式，基本上是生产多少重量的东西，所耗费的也就是同等重量的材料，因此所耗费的材料明显减少；个性化定制以后也不产生产品库存，可以在减少碳排放和原材料消耗的前提下，保持更高的生产效率。

3D打印的原材料使用仅为传统生产方式的1/10，这在如今资源珍贵的时代无疑具备巨大优势。

4.3D打印能有效促进工业设计产业的发展，而全球制造业未来的竞争在于高附加值的设计环节

原先的制造业是生产、加工环节制约着研发设计环节，新产品的研制从一开始就需要考虑到最终能否被生产出来；而3D打印技术对于产品设计没有限制，只要能设计得出来，完成CAD建模，任何结构和形状都可以被生产出来，如此一来，工业设计方面的创意和能量将被无限释放，谁具备突出的工业设计能力，谁就将成为未来全球制造业的领头羊，创造高额利润。

中国制造业，如果还是停留在国外设计、国内制造或者来料加工的阶段，那么未来只能在低附加值的加工制造环节上苦苦挣扎，因此，中国政府和制造业的有识之士都已经开始积极呼吁和大力传播3D打印技术，国内的工业设计教育和产业也得到了越来越多的关注和重视。

国内3D打印技术市场现状

3D打印技术在国外已经开始被广泛应用在各领域，帮助人们提高开发效率，降低生产成本，3D打印机已经开始普及开来。

而在国内，由于起步较晚，目前还被能够得到广泛普及，主要原因体现在：

1、市场培育还有一长段路要走。

目前，我国多数制造企业尚未接受“数字化设计”、“批量个性化生产”等先进制造理念，对3D打印这一新兴技术的战略意义认识不足，不了解到这种新兴技术能够做什么，可以创造多大的价值。

2、企业级、专业级的3D打印设备及其材料还比较昂贵，客户接受程度低。

虽然目前市面上已经有一些价格低至几千元的3D打印机，但是这种入门级的3D打印机更多适合个人、发烧友购买使用，很难用于工业制造、建设工程等领域，更别说航空航天和医疗等专业应用了。

而专业级的3D打印设备动辄几十万乃至上百万，让许多关注3D打印技术的企业望而却步。

3、材料种类还不是足够丰富，也限制了3D打印技术的推广。

尽管就塑料材料来说，就已经有上百种之多，从弹性的到刚性的，从遇热融化的到耐高温的，从透明的到不透明的，从生物相容性的到可铸造的，种类繁多，但是目前依然比不上传统制造所拥有的材料种类。

4．三维数字化技术尚未普及，也限制了3D打印机的市场空间。

因为3D打印的前提是计算机里面有一个三维数据可供打印，而三维数据的获取和创建对于普通大众来说还是一个技术活。

国内专业数字化领域实力最强的是杭州先临三维科技股份有限公司，他们自主研发了多种面向不同应用领域的三维扫描仪，可以帮助快速获取物体的三维数据，输出的STL数字模型就可以用于3D打印，比起CAD建模来门槛更低、速度更快。

目前，现在市面上已经有十几种不同的3D打印机成型技术，包括SLS、DMLS、FDM、SLA、DLP、FFF、MEM、LOM、EBM、SHS、3DP等，不同技术类型的3D打印机打印出成品所需要的材料是不同的，其中比较成熟的有SLS、FDM、SLA、LOM和3DP等。

3.1 SLA（Stereo lithography Appearance） 

SLA 即立体光固化成型法，用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料（液态光敏树脂原料）表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。

这样层层叠加构成一个三维实体。

图2 SLA技术成型原理图

3.2 FDM（Fused Deposition Modeling） 

FDM 即熔积成型法，该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高1℃），在计算机的控制下，喷头作平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。

图3 FDM技术成型原理图

3.3 SLS （Selective Laser Sintering） 

SLS即选择性激光烧结，其整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。

粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。

控制激光束再扫描烧结新层。

如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。

最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。

对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。

3.4 3DP（Three-Dimensional Printing） 

3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。

所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。

用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。

具体工艺过程如下：

上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：

0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。

喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。

铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。

如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。

未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。

3.5LOM（LaminatedObjectManufacturing）

LOM即分层实体制造法，又称层叠法成形，它以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。

切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。

图6LOM技术成型原理图车辆牌照图像识别算法研究与实现