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3D打印核心技术及发展前景

时间:2019-08-07 来源:《才智》杂志 作者:admin 点击:

  摘要:本文通过对3D打印的概念及其原理进行介绍,进一步分析了3D打印中的相关核心技术,并对其未来发展前景进行了展望,从而为3D打印核心技术的未来发展指明了方向。

  关键词:3D打印;核心技术;发展前景

  引言

  随着科技的进步,在工业制造领域中出现了一种革命性的技术,即3D打印技术,该技术是利用计算机软件对产品的加工样式进行立体化设计,然后通过3D打印设备中的固体材料将其打印出来,该技术不仅打印效率高,而且具备很高的打印精度,这使其能够在工业制造、航空航天、建筑工程等诸多领域中广泛应用。由此可见,在现代化信息技术、材料技术等多种新型技术的带动下,3D打印技术的未来发展前景是非常广阔的,而该技术作为一门新型的多学科交叉技术,需要各个领域共同努力来进行研发,才能使其核心技术真正被人们所掌握。

  一、3D打印技术综述

  (一)3D打印的概念

  3D打印技术是近些年来民用市场中出现的一个全新概念,其在专业领域中又被称之为快速成形技术,该技术最早起源于上世纪八十年代,是以材料堆积法为基础而研发的高新制造技术,是近些年来工业制造领域中一项具有革命性意义的新型技术,其涉及到分层制造技术、材料科学、数控技术、逆向工程技术等多项技术成果,该技术其是以三维数字模型作为打印基础,并通过3D打印设备的运用,利用粉末状的石膏、金属、树脂等可粘合材料,按照逐层打印的方式来对实物进行构造,该技术的打印精度极高,而且打印速度非常快,最薄打印厚度甚至可以达到0.025mm,这使其在工业制造领域中有着其他制造技术所无法比拟的应用优势。该技术能够按照设计人员的设计思想来对零件或原型进行自动、快速、精确的制作,从而大大节约了制造成本,实现了对设计方案的高效化生产。可以说,快速成形技术是通过三维CAD数据的运用,借助于快速成型机将材料按照逐层堆积的方式来制作成实体原型。

  (三)3D打印的基本原理

  对于3D打印技术的原理来说,其工作原理基本与传统的打印机是相同的,其是将需要设计的产品参数转化成相应的3D数据,然后利用3D打印设备将这些3D数据划分到各个层中进行逐层分切,通过逐层构建的方式来对产品进行逐层打印。比如,在对塑料汽车产品进行制作时,需要在计算机中利用3D软件制作一个包含汽车参数的3D模型,然后在3D打印设备中添加塑料可粘合材料,并由3D打印设备将其按照3D模型的各个层次进行逐层打印出来。在打印过程中,汽车3D模型会按照相应的层厚来切成很多片,通过对这些片进行依次打印,然后利用可粘合材料将这些片粘合在一起,即可制作出需要设计的汽车模型。

  二、3D打印核心技术分析

  (一)快速成形技术分析

  在3D打印技术中,立体光固化成型技术便是其中一种核心技术,该技术的英文缩写为SLA,SLA技术是采用具有特定强度和波长的激光束,使其能够在光固化材料的表面进行聚焦,通过从点至线、从线至面的方式来凝固材料,以此构建这个层面的实体,然后利用升降台在此层面的上部进行另一层面固化,通过这种逐层固化叠加的方式来构建三维实体。SLA技术在模具、模型制造中的应用广泛,通过该技术能够有效替代在产品制作时需要利用蜡模来进行铸造。SLA技术具有较高的成形效率,在成形精度上也比较高,不过因为其所使用的树脂固化材料在凝固时会因收缩而发生形变,因此对于某些精度要求极高的打印产品是难以满足其制作要求的,因此需要采用光敏材料来进行改善,这也是SLA技术的未来发展趋势。

  (二)选择性激光烧结技术

  选择性激光烧结技术也是3D打印技术中的核心技术之一,该技术的英文缩写为SLS,SLS技术最早出现于1989年,并于1992年正式被应用于工业生产中,该技术是利用激光来对固体粉末进行有选择的分层烧结,使固体粉末通过分层烧结的方式得以层层固化,并采用层层叠加的方式来打印出相应的零部件,该技术需要通过CAD软件来构建产品的三维模型,并对产品数据进行相应的处理后,经过铺粉、烧结和后处理等多个环节来完成整个打印过程。SLS技术相比于其他技术来说,在成型材料的来源上较为广泛,无论是哪种成型材料,只要是能够通过加热来进行原子粘结,都可将其当作SLS技术的成型材料,目前SLS技术所使用的成型材料主要包括高分子、石蜡、陶瓷及金属粉末等,正是因为SLS技术的成型材料种类众多,因此能够大大节约用料,能够在多个领域中得以广泛使用。

  (三)分层实体制造技术

  分层实体制造技术同样是3D打印技术的核心技术之一,该技术的英文简称为LOM技术,这种技术是将片材作为原材料的,比如塑料、纸片、复合材料、薄膜等,都可以充当LOM技术的原材料。LOM技术是通过计算机中的激光切割系统来对产品的横截面轮廓数据进行提取的,然后运用激光在纸上切割成产品的轮廓,在激光用纸的背面涂有一层热熔胶,在产品轮廓被切割完毕后会利用热粘压设备将各个切割层进行粘合,然后再次进行切割,通过逐层切割与粘合的方式来打印出想要的三维实物。LOM技术具有良好的模型支撑性,而且制作成本较低、打印效率较高,不过需要进行前处理与后处理,而且对于内部中空的结构件来说是无法通过该技术进行打印的。

  (四)熔积成型技术

  熔积成型技术也是该3D打印技术的核心技术,该技术的英文缩写为FDM技术,FDM技术的原料主要为丝状材料,如塑料、石蜡、合金丝等,该技术通过电加热来对丝状材料进行加热,在丝状材料熔化以后将其输送到喷头中,然后利用计算机来控制喷头进行平面运动,使熔融材料能够按照特定的路径进行涂覆,在此过程中熔融材料会重新凝固,进而使工件的上一层面成形后,喷头高度会调高到下一层,然后继续涂覆,直至各层均涂覆为止,通过熔融材料在各个层面中的堆积来形成三维工件,FDM技术具有污染小的应用优势。

  三、3D打印技术的发展前景

  目前,3D打印技术已经广泛应用于考古文物、医学、建筑等各个领域,并引起了社会的高度关注,这也使3D打印技术在短短的几年里发展速度异常迅猛。不过现阶段对于3D打印技术的应用与研发仍旧处于初期阶段,在核心技术研发速度上较为缓慢,而且在知识产权保护与产业规划方面还有许多问题亟需解决。不过,随着科技的进步,3D打印技术的发展速度必将越来越快,在制作精度提高的同时,还能使制作成本进一步的降低。而3D打印设备也将实现移动化、灵活化与便捷化,3D打印产品不仅能够实现随时随地的生产与配送,用户也能利用手机终端或智能机器人来完成产品的整个3D打印过程。

  结语

  总而言之,3D打印技术的出现,为我国制造领域带来了革命性的影响,给人们的生产生活也带来了巨大的便利,虽然我国对3D打印技术中核心技术的研发尚未真正成熟,距离3D打印技术的大规模应用还有一定的距离,但这项技术给世界带来的改变却是有目共睹的。相信随着时间的推移,3D打印技术中的核心技术必将牢牢的掌握在我们的手里,进而使3D打印技术能够在世界范围内真正的大放异彩。

  参考文献:

  [1]李昕. 3D打印技术及其应用综述[J]. 凿岩机械气动工具,2014(04):36-41.

  [2]王子明,刘玮. 3D打印技术及其在建筑领域的应用[J]. 混凝土世界,2015(01):50-57.

  [3]张云波,乔雯钰,张鑫鑫,马芳,翟莲娜,顾哲明. 3D打印用高分子材料的研究与应用进展[J]. 上海塑料,2015(01):1-5.

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