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《成型机械》3D打印机结课论文


《成型机械》结课论文
快速成型—3D 打印机
学 专 姓 学 院: 业: 名: 号: 赵 英 机械与车辆工程学院

任课教师:





3D 打印机又称三维打印机(3DP),是一种累积制造技术,即快速成形技术的一种机 器,它是一种数字模型文件为基础,运用特殊蜡材、粉末状金属

或塑料等可粘合材料, 通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。 关键词: 3D 打印机;逐层打印;快速成型

一、3D 打印机简介 3D 打印机,又称为三维打印机、三维快速成型,是一种由恩里科· 迪尼发明设计的 新型打印机。3D 打印机不同于传统打印机,其原料不是墨水,而是各种材料,如建筑 材料、食品材料等;其产品不是纸质物,而是各种零件、模型、食品或机器等。3D 打印 技术现已应用于珠宝、鞋类、建筑、医疗、航空航天等多种领域,并将在不久的未来实 现其在食品方面的应用,3D 打印正在逐步改变着我们的生活。

二、3D 打印机原理 3D 打印机堆叠薄层的形式有多种多样。3D 打印机与传统打印机最大的区别在于它 使用的“墨水”是实实在在的原材料,堆叠薄层的形式有多种多样,可用于打印的介质种 类多样,从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质, 令打印出来的物体一头坚硬而另 一头柔软。 1、有些 3D 打印机使用“喷墨”的方式。即使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物 质 喷涂在铸模托盘上,此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小 的距离,以供下一层堆叠上来。 2、还有的使用一种叫做“熔积成型”的技术,整个流程是在喷头内熔化塑料,然后 通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。 3、还有一些系统使用一种叫做“激光烧结”的技术,以粉末微粒作为打印介质。粉 末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层,熔铸成指定形状,然后由喷出的液 态粘合剂进行固化。 4、有的则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒,当遇到包含孔洞及悬臂这样的复 杂结构时,介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉 末不会被熔铸,最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。

三、3D 打印机的技术 1、SLA 技术 3D 打印机 SLA 是最早实用化的快速成形技术。SLA 是“Stereo lithography Appearance”的缩 写,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。

SLA 技术主要用于制造多种模具、模型等;还可以在原料中通过加入其它成分,用 SLA 原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA 技术成形速度较快,精度较高,但由于树 脂固化过程中产生收缩, 不可避免地会产生应力或引起形变。 因此开发收缩小、 固化快、 强度高的光敏材料是其发展趋势。 2、SLS 技术 3D 打印机 选择性激光烧结(SLS) ”是最古老的 3D 打印技术之一。 它使用激光作为能量源来 烧结粉末材料以制造出实体模型。与其他一些增材制造工艺,如熔融沉积成型(FDM) 不同,SLS 不需要支撑结构,并且生成的部件具有更为精细的细节。 与其它 3D 打印机技术相比, SLS 最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。 从理论上说,任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为 SLS 的成型材料。 目前,可成功进行 SLS 成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合 粉末材料。由于 SLS 成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途 以及 SLS 无需设计和制造复杂的支撑系统,所以 SLS 的应用越来越广泛。 3D 打印机技术中,金属粉末 SLS 技术是近年来人们研究的一个热点。实现使用高 熔点金属直接烧结成型零件,对用传统切削加工方法难以制造出高强度零件,对快速成 型技术更广泛的应用具有特别重要的意义。展望未来,SLS 形技术在金属材料领域中研 究方向应该是单元体系金属零件烧结成型,多元合金材料零件的烧结成型,先进金属材 料如金属纳米材料,非晶态金属合金等的激光烧结成型等,尤其适合于硬质合金材料微 型元件的成型。此外,根据零件的具体功能及经济要求来烧结形成具有功能梯度和结构 梯度的零件。我们相信,随着人们对激光烧结金属粉末成型机理的掌握,对各种金属材 料最佳烧结参数的获得,以及专用的快速成型材料的出现,SLS 技术的研究和引用必将 进入一个新的境界。 3、LOM 技术 3D 打印机 分层实体制造法(LOM——Laminated Object Manufacturing) ,LOM 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,其成形原理如图所示,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。 LOM 常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等,此方法除了可以制造模具、模型外,

还可以直接制造结构件或功能件。该技术的特点是工作可靠,模型支撑性好,成本低, 效率高。缺点是前、后处理费时费力,且不能制造中空结构件。 4、FDM 技术 3、D 打印机 熔积成型(FDM——Fused Deposition Modeling)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 x-y 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。该技术污染小,材料可以回收,用于中、小型工件的成形。

四、3D 打印机技术的市场应用 目前,3D 打印技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家 电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这 一技术本身的发展,其应用领域将不断拓展。3D 打印技术的实际应用主要集中在以下 几个方面: 1、建筑设计领域 建筑模型的传统制作方式,渐渐无法满足高端设计项目的要求。全数字还原不失真 的立体展示和风洞及相关测试的标准,现如今众多设计机构的大型设施或场馆都利用 3D 打印技术先期构建精确建筑模型来进行效果展示与相关测试,3D 打印技术所发挥的 优势和无可比拟的逼真效果为设计师所认同。 2、机械制造领域 由于 3D 打印技术自身的特点,使得其在机械制造领域内,获得广泛的应用,多用 于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件,由于只需单件生产,或少于 50 件的小批量,一般均可用 3D 打印技术直接进行成型,成本低,周期短。 3、模具制造领域 例如玩具制作等传统的模具制造领域,往往模具生产时间长,成本高。将 3D 打印 技术与传统的模具制造技术相结合,可以大大缩短模具制造的开发周期,提高生产率, 是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。3D 打印技术在模具制造方面的应用可分 为直接制模和间接制模两种,直接制模是指采用 3D 打印技术直接堆积制造出模具,间 接制模是先制出快速成型零件,再由零件复制得到所需要的模具。 4、医学领域

在医学领域的应用近几年来,人们对 3D 打印技术在医学领域的应用研究较多。以 医学影像数据为基础,利用 3D 打印技术制作人体器官模型,对外科手术有极大的应用 价值。 5、航天领域 在航空航天领域中,空气动力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计性能先进的天地 往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型形状复杂、精度要 求高、又具有流线型特性,采用 3D 打印技术,根据 CAD 模型,由 3D 打印设备自动完 成实体模型,能够很好的保证模型质量。

五、结语 3D 打印技术对于生产者来说,可大幅降低生产成本,提高原材料和能源的使用效 率,减少对环境的影响,它还使消费者能根据自己的需求量身定制产品。 3D 打印机既不需要用纸,也不需要用墨,而是通过电子制图、远程数据传输、激 光扫描、材料熔化等一系列技术,使特定金属粉或者记忆材料熔化,并按照电子模型图 的指示一层层重新叠加起来,最终把电子模型图变成实物。其优点是大大节省工业样品 制作时间,且可以“打印”造型复杂的产品。 因此许多专家认为,这种技术代表制造业发展新趋势。

【参考文献】 : [1] 王雪莹.3D 打印技术与产业的发展及前景分析.中国高新技术企事业,2012 . [2 王灿才.3D 打印的发展现状分析.丝网印刷,2012. [3] 刘厚才,默健华,等.三维打印快速成形技术及其应用,机械科学与技术,2007. [4] 胡发宗等.三维立体打印机的成形技术.模具技术,2004.


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