第一篇：3D打印技術(shù)之SLS(選擇性燒結(jié)成型法)

3D打印技術(shù)之SLS（選擇性燒結(jié)成型法）

粉末材料選擇性燒結(jié)（Selected Laser Sintering）

粉末材料選擇性燒結(jié)采用二氧化碳激光器對粉末材料（塑料粉等與粘結(jié)劑的混合粉）進(jìn)行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點一層層堆集成三維實體的快速成型方法。

粉末材料選擇性燒結(jié)采用二氧化碳激光器對粉末材料（塑料粉、陶瓷與粘結(jié)劑的混合粉、金屬與粘結(jié)劑的混合粉等）進(jìn)行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點一層層對集成三維實體的工藝方法。

在開始加工之前，先將充有氮氣的工作室升溫，并保持在粉末的熔點一下。成型時，送料筒上升，鋪粉滾筒移動，先在工作平臺上鋪一層粉末材料，然后激光束在計算機(jī)控制下按照截面輪廓對實心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié)，使粉末溶化繼而形成一層固體輪廓。

第一層燒結(jié)完成后，工作臺下降一截面層的高度，在鋪上一層粉末，進(jìn)行下一層燒結(jié)，如此循環(huán)，形成三維的原型零件。最后經(jīng)過5-10小時冷卻，即可從粉末缸中取出零件。未經(jīng)燒結(jié)的粉末能承托正在燒結(jié)的工件，當(dāng)燒結(jié)工序完成后，取出零件。粉末材料選擇性燒結(jié)工藝適合成型中小件，能直接的到塑料、陶瓷或金屬零件，零件的翹曲變形比液態(tài)光敏樹脂選擇性固化工藝要小。但這種工藝仍需對整個截面進(jìn)行掃描和燒結(jié)，加上工作室需要升溫和冷卻，成型時間較長。此外，由于受到粉末顆粒大小及激光點的限制，零件的表面一般呈多孔性。

在燒結(jié)陶瓷、金屬與粘結(jié)劑的混合粉并得到原型零件后，須將它置于加熱爐中，燒掉其中的粘結(jié)劑，并在孔隙中滲入填充物，其后處理復(fù)雜。粉末材料選擇性燒結(jié)快速原型工藝適合于產(chǎn)品設(shè)計的可視化表現(xiàn)和制作功能測試零件。由于它可采用各種不同成分的金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)、進(jìn)行滲銅等后處理，因而其制成的產(chǎn)品可具有與金屬零件相近的機(jī)械性能，但由于成型表面較粗糙，滲銅等工藝復(fù)雜，所以有待進(jìn)一步提高。

選擇性激光燒結(jié)（SLS）優(yōu)點

?（1）可以采用多種材料。從理論上說，任何加熱后能夠形成原子間粘結(jié)的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。

?（2）過程與零件復(fù)雜程度無關(guān)，制件的強(qiáng)度高。

?（3）材料利用率高，為燒結(jié)的粉末可重復(fù)使用，材料無浪費。?（4）無須支撐結(jié)構(gòu)。

?（5）與其他成型方法相比，能生產(chǎn)較硬的模具。SLS的缺點

?（1）原型結(jié)構(gòu)疏松、多孔，且有內(nèi)應(yīng)力，制作易變性。?（2）生成陶瓷、金屬制件的后處理較難。?（3）需要預(yù)熱和冷卻。

?（4）成型表面粗糙多孔，并受粉末顆粒大小及激光光斑的限制。?（5）成型過程產(chǎn)生有毒氣體及粉塵，污染環(huán)境。

第二篇：3D打印粉末燒結(jié)成型材料

3D打印粉末燒結(jié)成型材料——覆膜砂和覆膜陶瓷粉末

覆膜砂粉末、覆膜陶瓷粉末材料

（1）覆膜砂

與鑄造用覆膜砂類似，采用熱固性樹脂，如酚醛樹脂包覆鋯砂(ZrO2)、石英砂(SiO2)的方法制得。利用激光燒結(jié)方法，制得的原型可以直接當(dāng)作鑄造用砂型（芯）來制造金屬鑄件，其中鋯砂具有更好的鑄造性能，尤其適合于具有復(fù)雜形狀的有色合金鑄件，如鎂、鋁等合金的鑄造。

材料成分：包覆酚醛樹脂的石英砂或鋯砂，粒度160目以上；

應(yīng)用：用于制造砂型鑄造的石英或鋯型（芯）；

應(yīng)用實例：砂型鑄造及型芯的制作，適用于單件、小批量砂型鑄造金屬鑄件的生產(chǎn)，尤其適合用于傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實現(xiàn)的金屬鑄件。

（2）覆膜陶瓷粉

與覆膜砂的制作過程類似，被包覆陶瓷粉可以是Al2O3、ZrO2和SiC等，激光燒結(jié)快速成型后，結(jié)合后處理工藝，包括脫脂及高溫?zé)Y(jié)，可以快捷地制造精密鑄造用型殼，進(jìn)而澆注金屬零件。

也可以直接制造工程陶瓷制件，燒結(jié)后再經(jīng)熱等靜壓處理，零件最后相對密度高達(dá)99.9%，可用于含油軸承等耐磨、耐熱陶瓷零件。

第三篇：選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)的工藝與應(yīng)用

選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)的研究與應(yīng)用

摘要：介紹了選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)的基本原理、工藝過程和特點，闡述了激光燒結(jié)技術(shù)的材料和設(shè)備的選擇，列舉了激光燒結(jié)技術(shù)在各個領(lǐng)域特別是模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用，并且分析了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題以及前景的展望。關(guān)鍵詞：快速成型；選擇型激光燒結(jié)（SLS）；模具制造 1.引言

快速原型技術(shù)（Rapid Prototyping，PR）是一種涉及多學(xué)科的新型綜合制造技術(shù)。它是借助計算機(jī)、激光、精密傳動和數(shù)控技術(shù)等現(xiàn)代手段，根據(jù)在計算機(jī)上構(gòu)造的三位模型，能在很短時間內(nèi)直接制造產(chǎn)品模型或樣品。快速原型技術(shù)改善了設(shè)計過程中的人機(jī)交流，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期，加快了產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度，降低了企業(yè)投資新產(chǎn)品的成本和風(fēng)險。

選擇性激光燒結(jié)機(jī)技術(shù)（Selective Laser Sintering，SLS）作為快速原型技術(shù)的常用工藝，是利用粉末材料在激光照射下燒結(jié)的原理，在計算機(jī)控制下層層堆積成型。與其他快速成型工藝相比，其最大的獨特性是能夠直接制作金屬制品，而且其工藝比較簡單、精度高、無需支撐結(jié)構(gòu)、材料利用率高。本文主要介紹選擇型激光燒結(jié)成型技術(shù)的基本原理、工藝特點、材料設(shè)備選擇以及應(yīng)用等內(nèi)容。2.選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）

2.1 選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）的基本原理和工藝過程

選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）工藝是一種基于離散-堆積思想的加工過程，其成形過程可分為在計算機(jī)上的離散過程和在成形機(jī)上的堆積過程，簡單描述如下：

（1）離散過程。首先用CAD軟件，根據(jù)產(chǎn)品的要求設(shè)計出零件的三維模型，然后對三維模型進(jìn)行表面網(wǎng)格處理，常用一系列相連三角形平面來逼近自由曲面，形成經(jīng)過近似處理的三維CAD模型文件。然后根據(jù)工藝要求，按一定的規(guī)則和精度要求，將CAD模型離散為一系列的單元，通常是由Z向離散為一系列層面，稱之為切片。然后將切片的輪廓線轉(zhuǎn)化成激光的掃描軌跡。

（2）堆積過程。首先，鋪粉滾筒移至最左邊，在加工區(qū)域內(nèi)用滾筒均勻地鋪上一層熱塑性粉狀材料，然后根據(jù)掃描軌跡，用激光在粉末材料表面繪出所加工的截面形狀，熱量使粉末材料熔化并在接合處與舊層粘接。當(dāng)一層掃描完成后，重新鋪粉、燒結(jié)，這樣逐層進(jìn)行，直到模型形成。因而SLS工藝是一種基于離

散堆積成形的數(shù)字化生產(chǎn)技術(shù)，通過離散把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列的二維制造的疊加，把零件的制造過程轉(zhuǎn)化為有序的簡單單元體的制造與結(jié)合過程，其意義是十分深遠(yuǎn)的。

圖1 SLS工藝基本原理

2.2 選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）的工藝特點

（1）SLS技術(shù)可以制成幾何形狀任意復(fù)雜的零件模具，而不受傳統(tǒng)機(jī)械加工方法中刀具無法到達(dá)某些型面的限制。

（2）制造過程中不需要設(shè)計模具，也不需要傳統(tǒng)的刀具或工裝等生產(chǎn)準(zhǔn)備工作，加工過程只需在一臺設(shè)備上完成，成形速度快。用于模具制造，可以大大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低費用，一般只需傳統(tǒng)加工方法30%-50%的工時和20%~35%的成本。

（3）實現(xiàn)了設(shè)計制造一體化。CAD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化(分層和層面信息處理)可100%地自動完成，根據(jù)層面信息可自動生成數(shù)控代碼，驅(qū)動成形機(jī)完成材料的逐層加工和堆積。

（4）屬非接觸式加工，加工過程中沒有振動、噪聲和切削廢料。（5）材料利用率高，并且未被燒結(jié)的粉末可以對下一層燒結(jié)起支撐作用，因此SLS工藝不需要設(shè)計和制作復(fù)雜的支撐系統(tǒng)。

（6）成形材料多樣性是選擇性激光燒結(jié)最顯著的特點，理論上凡經(jīng)激光加熱后能在粉末間形成原子聯(lián)接的粉末材料都可作為SLS成形材料。目前已商業(yè)

化的材料主要有塑料粉、蠟粉、覆膜金屬粉、表面涂有粘結(jié)劑的陶瓷粉、覆膜沙等。

3.選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）的材料和設(shè)備 3.1 選擇性激光燒結(jié)快速成型材料

選擇性激光燒結(jié)工藝材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、石蠟等材料的零件。特別是可以直接制造金屬零件，這是SLS工藝頗具吸引力。

用于SLS工藝的材料有各類粉末，包括金屬、陶瓷、石蠟以及聚合物的粉末，其粉末粒度一般在50-125微米之間。間接SLS用的復(fù)合粉末通常有兩種混合型式：一種是粘結(jié)劑粉末與金屬或陶瓷粉末按一定比例機(jī)械混合；另一種則是把金屬或陶瓷粉末放到粘結(jié)劑稀釋液中，制取具有粘結(jié)劑包裹的金屬或陶瓷粉末。實驗表明，后者制備雖然復(fù)雜，但燒結(jié)效果較前者好。

國外的許多快速原型系統(tǒng)開發(fā)公司和使用單位開發(fā)了許多適合于快速原型工藝的材料，其中在SLS領(lǐng)域，以DTM公司所開發(fā)的成型材料最具代表性。我國的快速成型材料及工藝研究相對落后，目前還處于起步階段，與國外相比還有較大差距。雖然已有多家單位進(jìn)行了研究，但還沒有專門的成型材料生產(chǎn)及銷售單位。

3.2 選擇性激光燒結(jié)快速成型制造設(shè)備

研究選擇性激光燒結(jié)設(shè)備工藝的單位有美國的DTM公司、3D Systems公司、德國的EOS公司，以及國內(nèi)的華中科技大學(xué)、北京隆源公司和中北大學(xué)等。其中，國內(nèi)華中科技大學(xué)的HRPS—ⅢA激光粉末燒結(jié)系統(tǒng)，在SLS掃描系統(tǒng)、切片模塊、數(shù)據(jù)處理、工藝規(guī)劃、和安全監(jiān)控等技術(shù)方面有自己先進(jìn)的特點。

圖2 選擇性激光燒結(jié)設(shè)備

4.選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）的應(yīng)用

4.1 選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）在快速原型制造中的應(yīng)用

可快速制造設(shè)計零件的原型，及時進(jìn)行評價、修正以提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量；使客戶獲得直觀的零件模型；制造教學(xué)、試驗用復(fù)雜模型。單件或小批量生產(chǎn)。對于那些不能批量生產(chǎn)或形狀很復(fù)雜的零件,利用SLS 技術(shù)來制造,可降低成本和節(jié)約生產(chǎn)時間,這對航空航天及國防工業(yè)更具有重大意義。4.2 選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）在模具制造中的應(yīng)用

（1）采用SLS技術(shù)直接制造模具。美國DTM公司于1994年推出Rapid Steel制造技術(shù)，在SLS—2000系統(tǒng)中燒結(jié)表面包覆樹脂材料的鐵粉，初次成形零件后，置人銅粉中再一起放人高溫爐進(jìn)行二次燒結(jié)，制造出的注塑模在性能上相當(dāng)于7075鋁合金，壽命可達(dá)5萬件以上。

（2）采用SLS技術(shù)快速制作高精度的復(fù)雜塑料模，代替木模進(jìn)行砂型鑄造?；蛘邔㈣T造樹脂砂作為巧燒結(jié)材料，直接生產(chǎn)出帶有鑄件型腔的樹脂砂模型, 進(jìn)行一次性澆鑄。在鑄造行業(yè)中, 傳統(tǒng)制造木模的方法，不僅周期長、精度低，而且對于一些復(fù)雜的鑄件，例如葉片、發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋等制造木模困難。采用SLS技術(shù)可以克服傳統(tǒng)制模方法的上述問題，制模速度快，成本低，可完成復(fù)雜模具的整體制造。

（3）選擇易熔消失模料作為燒結(jié)材料，采用SLS技術(shù)快速制作消失模，用于熔模鑄造，得到金屬精密制件或模具。運(yùn)用SLS技術(shù)能制造出任意復(fù)雜形狀的蠟型，實現(xiàn)快速、高精度、小批量生產(chǎn)。

（4）根據(jù)原型制造精度較高的EDM電極，然后由電火花加工模具型腔。一個中等大小，較為復(fù)雜的電極，通常只需要4到8小時即可完成，而且復(fù)形精度完全能滿足圖紙的要求。福特汽車公司曾采用此技術(shù)制造汽車模具取得了滿意的效果。

（5）以SLS成形實體為母模，翻制硅橡膠模，石膏模，環(huán)氧樹脂模，或者通過RP技術(shù)制作模具的基本原型，然后對其進(jìn)行表面處理，通過金屬冷噴涂或電鑄等方法，在原型表面形成一定厚度且具有一定強(qiáng)度、硬度和表面質(zhì)量的薄膜制作模具。

（6）將RP技術(shù)與精密鑄造技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)金屬模具的快速制造。上海

交通大學(xué)開發(fā)了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的鑄造模樣計算機(jī)輔助快速制造系統(tǒng)，為汽車行業(yè)制造了多種模具，北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司也為企業(yè)制造了多種精密鑄模。

5.選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）的現(xiàn)狀與展望

近十幾年來SLS技術(shù)得到了飛速發(fā)展，獲得了良好的應(yīng)用效果，但作為一項新興制造技術(shù)，尚處于一個不斷發(fā)展、不斷完善的過程之中。目前,SLS技術(shù)存在能量消耗大、成形件內(nèi)部疏松多孔、表面粗糙度較大，機(jī)械性能低等缺點，直接燒結(jié)金屬零件模具的技術(shù)也不成熟，需要復(fù)雜的后處理工藝，以此還有很大的發(fā)展空間。

（1）成形工藝和設(shè)備的開發(fā)與改進(jìn)，以提高成型件的表面質(zhì)量、尺寸精度和機(jī)械性能。

（2）新材料成型機(jī)理、成型性的研究與開發(fā)，為SLS 提供具有良好綜合性能的燒結(jié)粉末材料及形成快速成型材料的商品化。

（3）探索SLS 技術(shù)與傳統(tǒng)加工、特種加工等技術(shù)相結(jié)合的多種加工手段的綜合工藝，為快速模具、工具制造提供新的技術(shù)手段。

（4）后處理工藝的優(yōu)化。利用SLS 雖可直接成型金屬零件，但成型件的機(jī)械性能和熱學(xué)性能還不能很好滿足直接使用的要求，經(jīng)后處理后可明顯得到改善，但對尺寸精度有所影響，這就需要優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)有的后處理工藝以提高綜合質(zhì)量。

我國SLS技術(shù)起步比較晚，起點比較低，雖然經(jīng)過近幾年的發(fā)展取得了一系列的進(jìn)步和成績，但同時應(yīng)該清醒的認(rèn)識到與國外先進(jìn)水平的差距。因此，我們務(wù)必加緊包括選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)在內(nèi)的快速原型技術(shù)的發(fā)展，以適應(yīng)新形勢下制造業(yè)的國際競爭。6.結(jié)語

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS），是一種基于離散—堆積思想的加工過程，根據(jù)所選材料的差異有不同的工藝方法和加工方式。由于自身優(yōu)勢，SLS已經(jīng)得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，但也存在一些缺陷和不足。只有在實際工作中不斷積累經(jīng)驗，才能設(shè)計出既滿足使用要求有滿足燒結(jié)工藝要求的模型。隨著SLS 技術(shù)的發(fā)展,新工藝、新材料的不斷出現(xiàn),勢必會對未來的實際零件制造產(chǎn)生重大影響，對制造業(yè)產(chǎn)生巨大的推動作用。

第四篇：3D打印技術(shù)之SLA(立體光固化成型法)

3D打印技術(shù)之SLA（立體光固化成型法）

SLA（Stereo lithography Appearance），即立體光固化成型法。SLA技術(shù)3d打印機(jī)的原理

用特定波長與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點到線，由線到面順序凝固，完成一個層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面。這樣層層疊加構(gòu)成一個三維實體。

SLA是最早實用化的快速成形技術(shù)，采用液態(tài)光敏樹脂原料，工藝原理如圖所示。其工藝過程是：

首先，通過CAD設(shè)計出三維實體模型，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理，設(shè)計掃描路徑，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將精確控制激光掃描器和升降臺的運(yùn)動；

其次，激光光束通過數(shù)控裝置控制的掃描器，按設(shè)計的掃描路徑 照射到液態(tài)光敏樹脂表面，使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層樹脂固化后，當(dāng)一層加工完畢后，就生成零件的一個截面；

然后，升降臺下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂，再進(jìn)行第二層掃描，第二固化層牢固地粘結(jié)在前一固化層上，這樣一層層疊加而成三維工件原型，最后，將原型從樹脂中取出后，進(jìn)行最終固化，再經(jīng)打光、電鍍、噴漆或著色處理即得到要求的產(chǎn)品。

SLA技術(shù)主要用于制造多種模具、模型等；還可以在原料中通過加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)?。SLA技術(shù)成形速度較快，精度較高，但由于樹脂固化過程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。因此開發(fā)收縮小、固化快、強(qiáng)度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢。

SLA 技術(shù)的優(yōu)勢

1.光固化成型法是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，成熟度高，經(jīng)過時間的檢驗。

2.由CAD數(shù)字模型直接制成原型，加工速度快，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，無需切削工具與模具。

3.可以加工結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具。4.使CAD數(shù)字模型直觀化，降低錯誤修復(fù)的成本。

5.為實驗提供試樣，可以對計算機(jī)仿真計算的結(jié)果進(jìn)行驗證與校核。6.可聯(lián)機(jī)操作，可遠(yuǎn)程控制，利于生產(chǎn)的自動化。SLA 技術(shù)的缺陷

1.SLA系統(tǒng)造價高昂，使用和維護(hù)成本過高。

2.SLA系統(tǒng)是要對液體進(jìn)行操作的精密設(shè)備，對工作環(huán)境要求苛刻。3.成型件多為樹脂類，強(qiáng)度，剛度，耐熱性有限，不利于長時間保存。4.預(yù)處理軟件與驅(qū)動軟件運(yùn)算量大，與加工效果關(guān)聯(lián)性太高。

5.軟件系統(tǒng)操作復(fù)雜，入門困難；使用的文件格式不為廣大設(shè)計人員熟悉。

第五篇：3D打印快速成型技術(shù)

特種加工論文

題目3D打印快速成型技術(shù)

姓名 專業(yè) 班級 學(xué)號

3D打印快速成型技術(shù)

摘要：

本文主要介紹了特種加工中3D打印快速成型技術(shù)，首先介紹它的加工原理，然后分析它的特點、加工方式，然后說明其在實際生產(chǎn)中的主要應(yīng)用以及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：特種加工技術(shù)，3D打印快速成型，特點，應(yīng)用。

Abstract：

This article mainly introduced the special processing of 3 d printing rapid prototyping technology, introduces its processing principle, and analyzes its characteristics, processing methods, and then explain the main application in practical production and the development direction.Key words：Special processing technology, 3 d printing rapid prototyping, characteristics, application.一、引言

3D打?。?D PRINTING）即3D打印技術(shù)，又3D打印制造是20世紀(jì)80年代才興起的一門新興的技術(shù)，是21世紀(jì)制造業(yè)最具影響的技術(shù)之一。隨著計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息高速公路加快了科技傳播的速度，產(chǎn)品的生命周期越來越短，企業(yè)之間的競爭不再只是質(zhì)量和成本上的競爭，而更重要的是產(chǎn)品上市時間的競爭。因此，通過計算機(jī)仿真和3D打印增加產(chǎn)品的信息量，以便更快的完成設(shè)計及其制造過程，將產(chǎn)品設(shè)計和制造過程的時間周期盡量縮短，防止投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)問題造成不可挽回的損失。

3D打印技術(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造復(fù)雜形狀的三維實體的技術(shù)總稱。簡單的講，3D打印制造技術(shù)就是快速制造新產(chǎn)品首版樣件的技術(shù)，它可以在沒有任何刀具、模具及工裝夾具的情況下，快速直接的實現(xiàn)零件的單件生產(chǎn)。該技術(shù)突破了制造業(yè)的傳統(tǒng)模式，特別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)、單件或少批量產(chǎn)品試制等。它是機(jī)械工程、計算機(jī)CAD、電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、材料科學(xué)等多學(xué)科相互滲透與交叉的產(chǎn)物。它可快速，準(zhǔn)確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛄慵?，以便進(jìn)行快速評估，修改及功能測試，從而大大縮短產(chǎn)品的研制周期，減少開發(fā)費用，加快新產(chǎn)品推向市場的進(jìn)程。

自從美國3D公司在1987年推出世界上第一臺商用快速原形制造設(shè)備以來，快速原形技術(shù)快速發(fā)展。投入的研究經(jīng)費大幅增加，技術(shù)成果豐碩。原形化系統(tǒng)產(chǎn)品的銷量高速增長。在這方面美國，日本一直處于領(lǐng)先地位，我國在這方面起步較晚，但是奮起直追，開展研究并取得一定成果，國內(nèi)也有些成熟的產(chǎn)品問世，他們正在各種生產(chǎn)領(lǐng)域上發(fā)揮著作用。

二、打印系統(tǒng)的工作原理

3D打印技術(shù)是一種逐層制造技術(shù)，它采用離散/堆積成型原理，其過程是：先得到所需零件的計算機(jī)三維曲面或?qū)嶓w模型；然后根據(jù)工藝要求，將其按一定厚度進(jìn)行分層，將原來的三維模型變成二維平面信息，即離散過程；再將分層后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，加入加工參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼；在微機(jī)控制下，數(shù)控系統(tǒng)以平面加工方式，有序地連續(xù)加工出每個薄層，并使它們自動粘接而成型，從而制造出所需產(chǎn)品的實物樣件或成品，這就是材料的堆積過程。已知自由曲面CAD模型，如果使用傳統(tǒng)的方法和數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，那么復(fù)雜的自由曲面，成本高，效率低。近年來，3D打印即廣泛的被運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中。各種3D打印技術(shù)的過程都包括CAD模型建立、生成STL文件格式、3D打印制作、模型分層切片和后置處理五個步驟。

三、打印過程

（1）三維設(shè)計

三維打印的設(shè)計過程是：先通過計算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。

設(shè)計軟件和打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一種通過掃描產(chǎn)生的三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經(jīng)常被用作全彩打印的輸入文件。（2）切片處理

打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術(shù)的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機(jī)打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機(jī)如ObjetConnex 系列還有三維 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機(jī)相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。用傳統(tǒng)方法制造出一個模型通常需要數(shù)小時到數(shù)天，根據(jù)模型的尺寸以及復(fù)雜程度而定。而用三維打印的技術(shù)則可以將時間縮短為數(shù)個小時，當(dāng)然其是由打印機(jī)的性能以及模型的尺寸和復(fù)雜程度而定的。

傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術(shù)則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對較少的產(chǎn)品。一個桌面尺寸的三維打印機(jī)就可以滿足設(shè)計者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。（3）完成打印

三維打印機(jī)的分辨率對大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點的物體，再稍微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技術(shù)可以同時使用多種材料進(jìn)行打印。有些技術(shù)在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

四、打印造型法主要種類

（1）利用激光固化樹脂材料的光造型法（Stereolithography）。在樹脂槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，它在紫外激光束的照射下會快速固化。成型過程開始時，可升降的工作臺處于液面下一個截面層厚的高度，聚焦后的激光束，在計算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的要求，沿液面進(jìn)行掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂固化，從而得到該截面輪廓的樹脂薄片。然后，工作臺下降一層薄片的高度，以固化的樹脂薄片就被一層新的液態(tài)樹脂所覆蓋，以便進(jìn)行第二層激光掃描固化，新固化的一層牢粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)不已，直到整個產(chǎn)品成型完畢。最后升降臺升出液體樹脂表面，取出工件，進(jìn)行清洗、去處支撐、二次固化以及表面光潔處理等。激光立體造型制造精度目前可達(dá)±0.1ｍｍ,主要用作為產(chǎn)品提供樣品和實驗?zāi)Ｐ?。光敏樹脂選擇性固化快速成型技術(shù)適合于制作中小形工件，能直接得到樹脂或類似工程塑料的產(chǎn)品。主要用于概念模型的原型制作，或用來做簡單裝配檢驗和工藝規(guī)劃。

（2）粉末材料選擇性燒結(jié)（Selected Laser Sintering）是一種快速原型工藝，簡稱SLS。

粉末材料選擇性燒結(jié)采用二氧化碳激光器對粉末材料（塑料粉等與粘結(jié)劑的混合粉）進(jìn)行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點一層層堆集成三維實體的快速成型方法。粉末材料選擇性燒結(jié)采用二氧化碳激光器對粉末材料（塑料粉、陶瓷與粘結(jié)劑的混合粉、金屬與粘結(jié)劑的混合粉等）進(jìn)行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點一層層對集成三維實體的工藝方法。

在開始加工之前，先將充有氮氣的工作室升溫，并保持在粉末的熔點一下。成型時，送料筒上升，鋪粉滾筒移動，先在工作平臺上鋪一層粉末材料，然后激光束在計算機(jī)控制下按照截面輪廓對實心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié)，使粉末溶化繼而形成一層固體輪廓。第一層燒結(jié)完成后，工作臺下降一截面層的高度，在鋪上一層粉末，進(jìn)行下一層燒結(jié)，如此循環(huán)，形成三維的原型零件。最后經(jīng)過5-10小時冷卻，即可從粉末缸中取出零件。未經(jīng)燒結(jié)的粉末能承托正在燒結(jié)的工件，當(dāng)燒結(jié)工序完成后，取出零件。粉末材料選擇性燒結(jié)工藝適合成型中小件，能直接的到塑料、陶瓷或金屬零件，零件的翹曲變形比液態(tài)光敏樹脂選擇性固化工藝要小。但這種工藝仍需對整個截面進(jìn)行掃描和燒結(jié)，加上工作室需要升溫和冷卻，成型時間較長。此外，由于受到粉末顆粒大小及激光點的限制，零件的表面一般呈多孔性。在燒結(jié)陶瓷、金屬與粘結(jié)劑的混合粉并得到原型零件后，須將它置于加熱爐中，燒掉其中的粘結(jié)劑，并在孔隙中滲入填充物，其后處理復(fù)雜。粉末材料選擇性燒結(jié)快速原型工藝適合于產(chǎn)品設(shè)計的可視化表現(xiàn)和制作功能測試零件。由于它可采用各種不同成分的金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)、進(jìn)行滲銅等后處理，因而其制成的產(chǎn)品可具有與金屬零件相近的機(jī)械性能，但由于成型表面較粗糙，滲銅等工藝復(fù)雜，所以有待進(jìn)一步提高。

（3）熔融造型法熔融造型法（FDM）。工作時直接由計算機(jī)控制。噴頭擠出熱塑材料并按照層面幾何信息逐層由下而上制作出實體模型。ＦＤＭ技術(shù)的最大特點是速度快(一般模型僅需幾小時即可成型)、無污染,在原型開發(fā)和精鑄蠟?zāi)５确矫娴玫綇V泛應(yīng)用。FDM生產(chǎn)可選成型材料種類較多，原材料費用低，因而的到廣泛的應(yīng)用。但是FDM也有其固有的缺點。精度低，熱融制造中很難控制精度，難以制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，且材料的制造是處于熔點附近，因而構(gòu)件的強(qiáng)度小，也不適合制造大型的制件，這些特點都限制了FDM的應(yīng)用范圍。

（4）熱可塑造型法（SLS）。該方法是用2CO激光熔融燒結(jié)樹脂粉末的方式制作樣件。工作時,由2CO激光器發(fā)出的光束在計算機(jī)控制下,根據(jù)幾何形體各層橫截面的幾何信息對材料粉末進(jìn)行掃描,激光掃描處粉末熔化并凝固在一起。然后,鋪上一層新粉末,再用激光掃描燒結(jié),如此反復(fù),直至制成所需樣件。

五、3D打印制造特點

3D打印技術(shù)突破了“毛坯→切削→加工品”傳統(tǒng)的零件加工模式,開創(chuàng)了不用刀具制作零件的先河,是一種利用的薄層疊加的加工方法。與傳統(tǒng)的切削加工方法相比,3D打印加工至少具有以下特點:

(1)可迅速制造出具有自由曲面和更為復(fù)雜形態(tài)的零件,如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，這些利用傳統(tǒng)工藝很難加工的,從而大大降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和開發(fā)周期。在時間尤其重要的今天，它可以為企業(yè)節(jié)省大量的研發(fā)時間。

(2)它屬于非接觸加工,不需要切削加工所必需的刀具和夾具,無刀具磨損和切削力影響。只需要一套特定的設(shè)備，工序簡單，沒有傳統(tǒng)加工的煩瑣的工序。傳統(tǒng)的加工中每一個工序都需要機(jī)床等復(fù)雜加工設(shè)備，且加工過程復(fù)雜，對操作人員的技術(shù)要求很高。

(3)無振動、噪聲和切削廢料?？梢詾槠髽I(yè)節(jié)省寶貴的試制原料，簡化生產(chǎn)。傳統(tǒng)的制造中由于多是機(jī)械制造，噪音較大。且加工時邊角料多。造成資源的浪費。

(4)可實現(xiàn)完全自動化生產(chǎn)。操作可以由電腦控制，無需人的過多干預(yù)。真正實現(xiàn)了自動化。

(5)加工效率高,能快速制作出產(chǎn)品實體模。精度高，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量好。(6)3D打印技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的關(guān)鍵作用和重要意義是很明顯的，它不受復(fù)雜形狀的限制，可迅速地將示于計算機(jī)屏幕上的設(shè)計變?yōu)檫M(jìn)一步評估的實物。根據(jù)原型，可對設(shè)計的正確性、造型的合理性、可裝配性和干涉性，進(jìn)行具體的檢驗。通過原型的檢驗可使開發(fā)產(chǎn)品中的風(fēng)險減到最底的限度。

六、主要限制因素

（1）材料限制：雖然高端工業(yè)印刷可以實現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但無法實現(xiàn)打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，打印機(jī)也還沒有達(dá)到成熟的水平，無法支持日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。雖然研究者們在多材料打印上已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但除非這些進(jìn)展達(dá)到成熟并有效，否則材料依然會是3D打印的一大障礙。

（2）機(jī)器限制：3D打印技術(shù)在重建物體的幾何形狀和機(jī)能上已經(jīng)獲得了一定的水平，幾乎任何靜態(tài)的形狀都可以被打印出來，但是那些運(yùn)動的物體和它們的清晰度就難以實現(xiàn)了。這個困難對于制造商來說也許是可以解決的，但是3D打印技術(shù)想要進(jìn)入普通家庭，每個人都能隨意打印想要的東西，那么機(jī)器的限制就必須得到解決才行。

七、3D打印技術(shù)成型主要應(yīng)用

應(yīng)用領(lǐng)域：

3D打印機(jī)的應(yīng)用對象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。以色列的Stratasys公司認(rèn)為，3D打印機(jī)需求量較大的行業(yè)包括政府、航天和國防、醫(yī)療設(shè)備、高科技、教育業(yè)以及制造業(yè)。

八、結(jié)束語

最近兩年，3D打印技術(shù)概念引起了國內(nèi)外政府、軍方、企業(yè)的高度重視，但其實3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展有30余年。美國著名智庫高德納（Gartner）公司2012《高德納新興IT技術(shù)顯示度周期特別報告》認(rèn)為，3D打印技術(shù)正處于高循環(huán)曲線顯示度頂點。預(yù)計該技術(shù)在未來2～5年內(nèi)到達(dá)生產(chǎn)力成熟期。然而，通過分析發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)卻很難取代傳統(tǒng)制造工藝，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在對受損部件的修復(fù)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的生產(chǎn)以及小批量部件生產(chǎn)等方面，與傳統(tǒng)制造工藝形成了較好的互補(bǔ)關(guān)系。例如，美國計劃使用3D打印技術(shù)在太空空間站上。

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