三D打印快速成型关键技术及其应用.doc

3D打印迅速成型技术及其应用摘要：本文简介了3D打印技术基本原理及其制造流程。通过某些实例阐明了3D打印应用重要是阐明在当代军事方面应用。一 引言3D打印（3DPRINTING）即3D打印技术，又3D打印制造是20世纪80年代才兴起一门新兴技术，是21世纪制造业最具影响技术之一。随着计算机与网络技术发展，信息高速公路加快了科技传播速度，产品生命周期越来越短，公司之间竞争不再只是质量和成本上竞争，而更重要是产品上市时间竞争。因而，通过计算机仿真和3D打印增长产品信息量，以便更快完毕设计及其制造过程，将产品设计和制造过程时间周期尽量缩短，防止投产后发现问题导致不可挽回损失。3D打印技术是由CAD模型直接驱动迅速制造复杂形状三维实体技术总称。简朴讲，3D打印制造技术就是迅速制造新产品首版样件技术，它可以在没有任何刀具、模具及工装夹具状况下，迅速直接实现零件单件生产。该技术突破了制造业老式模式，特别适合于新产品开发、单件或少批量产品试制等。它是机械工程、计算机CAD、电子技术、数控技术、激光技术、材料科学等多学科互相渗入与交叉产物。它可迅速，精确地将设计思想转变为具备一定功能原型或零件，以便进行迅速评估，修改及功能测试，从而大大缩短产品研制周期，减少开发费用，加快新产品推向市场进程。自从美国3D公司在1987年推出世界上第一台商用迅速原形制造设备以来，迅速原形技术迅速发展。投入研究经费大幅增长，技术成果丰硕。原形化系统产品销量高速增长。在这方面美国，日本始终处在领先地位，国内在这方面起步较晚，但是奋起直追，开展研究并获得一定成果，国内也有些成熟产品问世，她们正在各种生产领域上发挥着作用。二3D打印技术简介2.1 3D打印系统工作原理和制造工艺3D打印技术是一种逐级制造技术，它采用离散/堆积成型原理，其过程是：先得到所需零件计算机三维曲面或实体模型；然后依照工艺规定，将其按一定厚度进行分层，将本来三维模型变成二维平面信息，即离散过程；再将分层后数据进行一定解决，加入加工参数，产生数控代码；在微机控制下，数控系统以平面加工方式，有序地持续加工出每个薄层，并使它们自动粘接而成型，从而制造出所需产品实物样件或成品，这就是材料堆积过程。已知自由曲面CAD模型，如果使用老式办法和数控机床进行加工，那么复杂自由曲面，成本高，效率低。近年来，3D打印即广泛被运用于工业生产中。各种3D打印技术过程都涉及CAD模型建立、生成STL文献格式、3D打印制作、模型分层切片和后置解决五个环节，其制造过程如图1所示（1） 运用激光固化树脂材料光造型法（Stereolithography）。光造型装置始终以美国3DSYSTEMS公司型产品独占鳌头,并形成垄断市场。其工作原理如下：由激光器发出紫外光,经光学系统汇集成一支细光束,该光束在计算机控制下有选取扫描液体光敏树脂表面,运用光敏树脂遇紫外光凝固机理,一层一层固化光敏树脂,每固化一层后,工作台下降一精准距离,并按新一层表面几何信息使激光扫描器对液面进行扫描,使新一层树脂固化并紧紧粘在前一层已固化树脂上,如此重复,直至制作生成零件实体模型。激光立体造型制造精度当前可达0.1,重要用作为产品提供样品和实验模型。此外,日本帝人制机开发SOLIFORM可直接制作注射成型模具和真空注塑模具。（2） 纸张叠层造型法。纸张叠层造型法当前以HELISYS公司开发LOM装置应用最广。该装置采用专用滚筒纸,由加热辊筒使纸张加热联接,然后用激光将纸切断,待加热辊筒自动离开后,再由激光将纸张裁切成层面规定形状。（3） 熔融造型法熔融造型法（FDM）。以美国STRATASYS公司开发产品FDM(FUSEDDEPOSITIONMODELLING)应用最为广泛。工作时,直接由计算机控制。喷头挤出热塑材料并按照层面几何信息逐级由下而上制作出实体模型。技术最大特点是速度快(普通模型仅需几小时即可成型)、无污染,在原型开发和精铸蜡模等方面得到广泛应用。FDM生产可选成型材料种类较多，原材料费用低，因而到广泛应用。但是FDM也有其固有缺陷。精度低，热融制造中很难控制精度，难以制造构造复杂构件，且材料制造是处在熔点附近，因而构件强度小，也不适合制造大型制件，这些特点都限制了FDM应用范畴。（4） 热可塑造型法（SLS）。以DTM公司开发选取性激光烧结即SLS(SELECTIVELASERSINTERING)应用较多。该办法是用激光熔融烧结树脂粉末方式制作样件。工作时,由激光器发出光束在计算机控制下,依照几何形体各层横截面几何信息对材料粉末进行扫描,激光扫描处粉末熔化并凝固在一起。然后,铺上一层新粉末,再用激光扫描烧结,如此重复,直至制成所需样件。2.2 3D打印制造长处3D打印技术加工特点:3D打印技术突破了“毛坯切削加工品”老式零件加工模式,开创了不用刀具制作零件先河,是一种运用薄层叠加加工办法。与老式切削加工办法相比,3D打印加工至少具备如下长处:(1) 可迅速制造出具备自由曲面和更为复杂形态零件,如零件中凹槽、凸肩和空心某些等，这些运用老式工艺很难加工,从而大大减少了新产品开发成本和开发周期。在时间特别重要今天，它可觉得公司节约大量研发时间。(2) 它属于非接触加工,不需要切削加工所必须刀具和夹具,无刀具磨损和切削力影响。只需要一套特定设备，工序简朴，没有老式加工啰嗦工序。老式加工中每一种工序都需要机床等复杂加工设备，且加工过程复杂，对操作人员技术规定很高。(3) 无振动、噪声和切削废料。可觉得公司节约宝贵试制原料，简化生产。老式制造中由于多是机械制造，噪音较大。且加工时边角料多。导致资源挥霍。(4) 可实现完全自动化生产。操作可以由电脑控制，无需人过多干预。真正实现了自动化。(5) 加工效率高,能迅速制作出产品实体模型及模具。精度高，生产产品质量好。(6) 3D打印技术在产品开发中核心作用和重要意义是很明显，它不受复杂形状限制，可迅速地将示于计算机屏幕上设计变为进一步评估实物。依照原型，可对设计对的性、造型合理性、可装配性和干涉性，进行详细检查。通过原型检查可使开发产品中风险减到最底限度。三3D打印技术在军事方面应用当前，3D打印技术在军事领域应用重要是武器装备受损部件维修和复杂构造件生产。3D打印成型技术打印出手枪及零部件41武器装备受损部件维修美国国防部曾采用激光近净成型进行受损零件现场维修，以及专用零件小批量生产。安妮斯顿陆军基地采用激光近净成型成功维修M1艾布拉姆斯坦克燃气涡轮。美国海军水下作战中心（NUWC）实行了迅速制造与维修（RMR)筹划，该筹划采用选取性激光烧结，直接金属激光烧结、熔融堆积成型以及电子束。42武器装备复杂构造件生产红石兵工厂美国陆军航空与导弹研究开发与工程中心（AMRDEC）通过立体光刻成型技术、熔融沉积建模、分层制造、激光近净成型、选取性激光烧结等技术，进行设计验证和最优化研究。为了评估人机工程特性与性能，AMEDEC采用立体光刻成型技术制造导弹控制操纵杆，避免了老式生产设备所需耗费大量时间和设备成本，减少了总生产成本，缩短了开发周期。美国国防部与工业界联合实行了采用类似立体光刻成型办法合金构造件迅速生产项目，其生产效率比老式铁合金加工工艺高80%。F-15猎鹰喷气式战斗机铁合金外挂架冀肋备件采用激光3D打印工艺，使零件需求可以在2个月内得到迅速满足，并最大限度保持飞机可用性。正是由于这些长处，选取性激光烧结工艺被授予年国防制造技术成就奖。使用3D打印技术制造UH-60直升机门把手，相比老式工艺节约了140万美元，从而验证了3D打印技术在成本方面具备一定优势。除了美国，欧洲宇航防务集团（EADS）一种科研小组也致力于使用3D打印技术制造飞机整个机翼。截止3月研究者已使用该技术制造出了飞机起落架支架和其他飞机零件。四 结束语近来两年，3D打印技术概念引起了国内外政府、军方、公司高度注重，但其实3D打印技术已经发展有30余年。美国知名智库高德纳（Gartner）公司高德纳新兴IT技术显示度周期特别报告以为，3D打印技术正处在高循环曲线显示度顶点。预测该技术在将来25年内到达生产力成熟期。然而，通过度析发现，3D打印技术却很难取代老式制造工艺，在军事领域应用重要集中在对受损部件修复、复杂构造部件生产以及小批量部件生产等方面，与老式制造工艺形成了较好互补关系。例如，美国筹划使用3D打印技术在太空空间站上制造空间站部件备件。因而，将来3D打印技术也许会在武器装备制造、航空航天中某些特定领域有所应用，但大面积，全方位代替老式工艺也许性不大。参照文献1颜永年，张人佶迅速制造技术发展道路与发展趋势J电加工与模具，2：25-292朱辉杰融入载人航天精神Dimension3D打印机推动中华人民共和国空间事业持续发展JCAD/CAM与制造业信息化，8：583张德胜运用太阳能三维打印线聚光光源和打印办法：中华人民共和国，Ap-01-23