第七章三維噴射打印技術(shù)高等學(xué)校動畫與數(shù)字媒體專業(yè)『全媒體』創(chuàng)意創(chuàng)新系列教材設(shè)計造型基礎(chǔ)01噴墨式3D打印技術(shù)PARTONE噴墨式3D打印技術(shù)是數(shù)字印刷技術(shù)的一種，它是一種特殊的無壓力、無印版、非接觸式的半色調(diào)印刷方式。其工作流程是先將計算機(jī)存儲的圖文信息輸入噴墨打印機(jī)中，再通過特殊的裝置，在計算機(jī)的控制下，利用噴嘴向承印物表面噴射墨滴，借助電荷效應(yīng)在承印物的表面直接成像，形成最終的印刷品。按需噴墨是指隨機(jī)式噴墨系統(tǒng)中的墨水只在打印需要時才噴射，所以又稱為按需式噴墨打印技術(shù)。按需式噴墨打印技術(shù)主要有微壓電式和熱氣泡式兩大類。按需式噴墨打印技術(shù)通過控制電子信號來控制是否產(chǎn)生墨滴。當(dāng)噴印信息傳遞至輸出終端時，如果需要墨滴，那么就進(jìn)行墨滴的噴射，使得承印物表面形成圖文信息，相對于連續(xù)噴墨系統(tǒng)中的墨滴帶電裝置偏轉(zhuǎn)硬件等更加簡單。它與連續(xù)噴墨打印技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性也高，但是因受射流慣性的影響墨滴噴射速度慢。7.1噴墨式3D打印技術(shù)7.1噴墨式3D打印技術(shù)連續(xù)噴罷打印技術(shù)1在20世紀(jì)60年代，Sweet通過向噴嘴施加一定的壓力波將墨流擊碎為細(xì)小而均勻的署滴，在此基礎(chǔ)上，Sweet提出了連續(xù)噴墨打印技術(shù)的工作原理。在20世紀(jì)70年代，IBM開始將連續(xù)噴墨打印技術(shù)用于計算機(jī)打印系統(tǒng)中，接著IBM4640連續(xù)器打印機(jī)問世并逐漸獲得了廣泛的應(yīng)用。在這種打印技術(shù)中，墨滴首先通過一個充電的靜電電極，使部分墨滴被充上靜電，然后當(dāng)墨滴流通過攜帶相反電荷的高壓電極板時，在電場的作用下，攜帶電荷的墨滴將發(fā)生彎曲運(yùn)動(Defection)并打印到基質(zhì)上，形成圖像。而沒有攜帶電荷的器滴受外加電場的影響微弱，沒有發(fā)生彎曲飛行而被回收。根據(jù)墨滴充電和彎曲技術(shù)的不同，連續(xù)噴墨打印技術(shù)可分為雙重和多重彎曲系統(tǒng)。7.1噴墨式3D打印技術(shù)熱氣泡噴墨打印技術(shù)2熱氣泡噴墨打印技術(shù)就是通過加熱噴嘴，使墨水產(chǎn)生氣泡，噴到打印介質(zhì)上，屬于高溫高壓打印技術(shù)。其工作原理:利用薄膜電阻器，在墨水噴出區(qū)中將小于5pL的墨水瞬間加熱至300C以上，形成無數(shù)微小氣泡，氣泡以極短的時間(小于10us聚為大氣泡并擴(kuò)展迫使墨滴從噴嘴噴出。氣泡再繼續(xù)成長數(shù)微秒，便消逝回到電阻器上。氣泡消逝，噴嘴的墨水便縮回。接著表面張力會產(chǎn)生吸力，拉引新的墨水補(bǔ)充到墨水噴出區(qū)準(zhǔn)備下一次的循環(huán)噴印。采用熱氣泡噴墨打印技術(shù)的墨頭長期在高溫、高壓環(huán)境中工作，除噴嘴腐蝕嚴(yán)重外，同時容易引起墨滴飛濺與噴嘴堵塞等問題。在打印品質(zhì)方面，由于在使用過程中要加熱墨水，而高溫下墨水很容易發(fā)生化學(xué)變化，性質(zhì)不穩(wěn)定，色彩真實(shí)性就會受到一定程度的影響;另外，由于墨水就是通過氣泡噴出的，墨水微粒的方向性與體積大小不好掌握，打印線條邊緣容易參差不齊，在一定程度上影響了打印質(zhì)量。7.1噴墨式3D打印技術(shù)微壓電噴墨打印技術(shù)31.基本原理微壓電噴墨打印技術(shù)屬于常溫常壓打印技術(shù)，就是將許多微小的壓電陶瓷放置到打印頭噴嘴附近，壓電陶瓷在兩端電壓變化作用下具有彎曲形變的特性，當(dāng)圖像信息電壓加到壓電陶瓷上時，壓電陶瓷的伸縮振動變形將隨著圖像信息電壓的變化而變化，并使墨頭中的墨水在常溫常壓的穩(wěn)定狀態(tài)下均勻準(zhǔn)確地噴出墨水。7.1噴墨式3D打印技術(shù)微壓電噴墨打印技術(shù)32.成型設(shè)備3DSystems多點(diǎn)噴射打印系統(tǒng)主要包括打印噴頭、提取電極、村底、高壓脈沖電源、YY位移臺、Z向位移臺、背壓控制單元、材料供給單元等功能模塊。圖7-3所示為3DSystems多點(diǎn)噴射打印的總體結(jié)構(gòu)示意圖。7.1噴墨式3D打印技術(shù)微壓電噴墨打印技術(shù)33.工藝過程(1)一日提取電極與村底間形成穩(wěn)定的電場，在背壓作用下被擠壓到噴嘴尖端位置的液體就將受到電場的影響，液體被極化，并導(dǎo)致正電荷聚集在表面。(2)在電場力、表面張力、黏滯力和氣體背壓等的綜合作用下彎液面被逐漸拉長(主要作用力是切向電場力)，形成泰勒錐。

(3)當(dāng)在單個脈沖電壓作用下，電場力克服液體表面張力等阻力后，帶正電荷的液體從泰勒錐頂部噴射，形成極細(xì)的錐射流(射流直徑通常比噴嘴尺寸小1~2個數(shù)量級)。(4)脈沖電壓結(jié)束后，電場消失，錐射流停止噴射，已噴射出來的液體在液體表面張力作用下聚集形成極小的微液滴。(5)結(jié)合位移臺的運(yùn)動(或者打印噴頭的運(yùn)動)，實(shí)現(xiàn)微液滴在襯底上的精準(zhǔn)沉積。7.1噴墨式3D打印技術(shù)微壓電噴墨打印技術(shù)34.特點(diǎn)(1)微壓電噴墨打印技術(shù)適用于導(dǎo)電和非導(dǎo)電噴嘴，突破了傳統(tǒng)電噴印必須使用導(dǎo)電噴嘴的限制。(2)微壓電噴墨打印技術(shù)適用于導(dǎo)電和非導(dǎo)電(甚至絕緣)襯底。(3)微壓電噴墨打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)電噴印打印成型件高度的限制，真正能夠?qū)崿F(xiàn)宏/微跨尺度制造。7.1噴墨式3D打印技術(shù)微壓電噴墨打印技術(shù)34.特點(diǎn)(4)可供打印材料廣泛，尤其能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞和生物活性組織材料的打印(電噴印導(dǎo)電噴嘴直接連接高壓電源，一些生物活性材料等的打印受到限制)；用于陶瓷壓電式噴印的墨水有較大的黏度及張力適應(yīng)范圍，且具有溶解特性與速于特性。因此微壓電噴墨打印技術(shù)彌補(bǔ)了熱氣泡噴墨打印技術(shù)的不足，有著更為廣泛的應(yīng)用空間。(5)微壓電噴墨打印過程中的電場穩(wěn)定性好，確保了打印過程的穩(wěn)定性和可靠性。(6)噴嘴位于提取電極下方，有利于縮短噴嘴與目標(biāo)打印位置的距離，減小射流分散對打印精度的影響，并且能顯著減少衛(wèi)星液滴的產(chǎn)生，提高打印的精度和穩(wěn)定性。(7)微壓電噴墨打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在非平整表面、曲面、3D結(jié)構(gòu)上的共形打印。02三維(黏結(jié)劑)噴射打印技術(shù)PARTTWO三維(黏結(jié)劑)噴射打印技術(shù)是美國麻省理工學(xué)院(MIT)在20世紀(jì)90代發(fā)明的-種快速成型技術(shù)。三維噴射打印技術(shù)材料類型選擇廣泛，可打印彩色模型;成型速度快;成本低，體積小;打印過程無污染且柔性度高:運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低、可靠性高。三維噴射打印技術(shù)已經(jīng)迅速在工業(yè)造型、模具制造、建筑、醫(yī)學(xué)、航空航天、生物和電子電路等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，還有待于擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域以給該技術(shù)帶來更為廣闊的發(fā)展空間。例如，目前三維噴射打印技術(shù)在有機(jī)電子器件(如大面積PLED、OLED)、半導(dǎo)體封裝、太陽能電池的制造上，已經(jīng)顯示出了極具優(yōu)勢的發(fā)展前景。7.2三維(黏結(jié)劑)噴射打印技術(shù)7.2三維(黏結(jié)劑)噴射打印技術(shù)1基本原理基于三維噴射打印技術(shù)的儲存桶送出一定量的原材料粉末，粉末在加工平臺上被滾筒推成薄薄一層，接著噴粉打印頭在需要成型的區(qū)域噴出一種特殊的黏結(jié)劑。此時，遇到黏結(jié)劑的粉末會迅速固化黏結(jié)，而沒有遇到黏結(jié)劑的粉末則仍保持松散狀態(tài)每噴完一層，加工平臺就會自動下降一點(diǎn)，根據(jù)計算機(jī)切片的結(jié)果不斷循環(huán)，直到實(shí)物完成，完成之后只需掃除松散的外層粉末便可獲得所需制造的三維實(shí)物。圖7-4所示為三維噴射打印粉末黏合成型工藝。3D打印機(jī)先由7.2三維(黏結(jié)劑)噴射打印技術(shù)2成型材料與設(shè)備1.成型材料與設(shè)備三維噴射打印技術(shù)的成型材料和應(yīng)用領(lǐng)域范圍極廣，具體如下：(1)模型制件應(yīng)用材料:尼龍粉末、ABS粉末、石膏粉末等。(2)模具應(yīng)用材料，各種金屬粉末、陶瓷粉末、用于砂模鑄造的各種砂粉、高性能尼龍等。(3)快速制造應(yīng)用材料:具有特殊性能的貴金屬粉末、輕質(zhì)金屬粉末、高強(qiáng)度金屬粉末橡膠粉末、結(jié)構(gòu)陶瓷粉末、功能陶瓷粉末等。(4)醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域:可以成型各類藥片的壓片用原粉、干細(xì)胞溶液、一些特殊功能并具有生物兼容性的結(jié)構(gòu)材料粉末。(5)微納制造應(yīng)用材料，可以成型包括各類半導(dǎo)體制造中使用到的常規(guī)材料，包括金鉑、銅及一些絕緣材料等。7.2三維(黏結(jié)劑)噴射打印技術(shù)2成型材料與設(shè)備2.成型設(shè)備噴頭是三維噴射打印設(shè)備的核心設(shè)備，噴頭的性能及控制方式直接決定著三維噴射打印設(shè)備的最高性能，目前三維噴射打印設(shè)備為了控制成本多使用熱氣泡式或壓電式商業(yè)噴頭。噴頭性能需要配套的控制程序才能得到最大的發(fā)揮。當(dāng)前人們開發(fā)控制程序時只針對噴頭本身，而未考慮到噴頭使用的液體。如果將液體參數(shù)同樣考慮進(jìn)噴頭控制中，那么可以依據(jù)使用的不同液體，對噴頭控制進(jìn)行修正，則可以進(jìn)一步提高噴頭形成液滴的精度，有利于提高成型精度。7.2三維(黏結(jié)劑)噴射打印技術(shù)3成型工藝及分析1.前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備在采用三維噴射打印設(shè)備制件前，必須對CAD模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由UG、PrOE等CAD軟件生成CAD模型，并輸出STL文件，必要時需采用專用軟件對STL文件進(jìn)行檢查并修正錯誤。但此時生成的STL文件還不能直接用于三維噴射打印，必須采用分層軟件對其進(jìn)行分靈。層厚大，精度低，但成型時間短:反之，層厚小，精度高，但成型時間長。分層后得到的只是一定高度的模型的外形輪廓，此時還必須對其內(nèi)部進(jìn)行填充，最終得到三維噴射打印數(shù)據(jù)文件。7.2三維(黏結(jié)劑)噴射打印技術(shù)3成型工藝及分析2.模型制作在控制系統(tǒng)的控制下，三維噴射打印設(shè)備的噴粉裝置在平臺上均勻地鋪一層粉末，打印噴頭負(fù)責(zé)X軸和Y軸的運(yùn)動，按照模型切片得到的截面數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動，有選擇地進(jìn)行黏結(jié)劑噴射，最終構(gòu)成平面圖案。在完成單個截面圖案之后，打印臺下降一個層厚單位的高度，同時，鋪粉輯進(jìn)行鋪粉操作，接著進(jìn)行下一次的截面打印操作。如此周而復(fù)始地送粉、鋪粉和噴射黏結(jié)劑，最終完成二維成型件。三維噴射打印技術(shù)的流程圖如圖7-5所示。具體流程:采集粉末原料一將粉末平鋪到打印區(qū)域一打印噴頭在模型橫截面定位，噴黏結(jié)劑一送粉活塞上升一層，實(shí)體模型下降一層以繼續(xù)打印一重復(fù)上述過程直至模型打印完畢。7.2三維(黏結(jié)劑)噴射打印技術(shù)3成型工藝及分析3.后處理在模型打印完成之后，需要一些后續(xù)處理措施來達(dá)到加強(qiáng)模型成型強(qiáng)度及延長保存時間的目的，其中包括靜置、強(qiáng)制固化、去粉、包覆等。一般情況下，對于無特殊強(qiáng)度要求的模型制件，后處理通常包括加溫固化及滲透定型膠水。而對于強(qiáng)度有特殊要求的結(jié)構(gòu)功能部件及各類模具，在對黏結(jié)劑進(jìn)行加熱固化后，通常還要進(jìn)行燒結(jié)及液相材料滲透的步驟，以提高制件的致密度，從而滿足各類應(yīng)用對于強(qiáng)度的要求。

因此，在打印過程結(jié)束之后，需要將打印的模型靜置一段時間，使得成型的粉末和黏結(jié)劑之間通過交聯(lián)反應(yīng)、分子間作用力等作用完全固化，尤其是對于以石膏或水泥為主要成分的粉末。7.2三維(黏結(jié)劑)噴射打印技術(shù)3成型工藝及分析3.后處理當(dāng)模型有初步硬度時，可根據(jù)不同類別用外加措施進(jìn)一步強(qiáng)化模型，如通過加熱焙燒、真空干燥、紫外光照射等方式。此工序完成之后所制備模型具備較強(qiáng)的硬度，要將表面其他粉末除去，可以用刷子將周圍大部分粉末除去，剩余的少量粉末可通過機(jī)械振動、微波振動、不同向風(fēng)吹等方式除去。也有研究稱可將模具漫入特制溶劑中，此溶劑可以溶解散落的粉末，但是對固化成型的模型不能溶解，可達(dá)到除去多余粉末的目的。對于去粉完畢的模型，特別是石膏基、陶瓷基等易吸水材料制成的模型，還需要考慮其長久保存的問題，常見的方法是在模型外面刷一層防水固化膠，增加其強(qiáng)度，防止因吸水降低強(qiáng)度?；蛘邔⒛Ｐ徒肽芷鸨Ｗo(hù)作用的聚合物中，如環(huán)氧樹脂、氰基丙烯酸酷、熔融石蠟等。最終的模型可兼具防水、堅固、美觀、不易變形等特點(diǎn)。03冷噴涂增材制造技術(shù)PARTTHREE冷噴涂增材制造技術(shù)是一種基于高速粒子固態(tài)沉積的涂層制備方法。噴涂粒子在固態(tài)下碰撞基體，經(jīng)過劇烈地塑性變形而沉積形成涂層。冷噴涂增材制造技術(shù)對基體不形成熱影響，可作為近凈成型技術(shù)直接噴涂制備塊材和零部件，在防護(hù)涂層和功能涂層的制備、裝備制造和再制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前冷噴涂增材制造技術(shù)已經(jīng)在美國、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)用于直升機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、潛艇等軍事裝備的修復(fù)再制造冷噴涂是一種金屬、陶瓷噴涂工藝，通常被用于表面維修。澳大利亞Titomic公司聯(lián)手CSIRO(澳洲聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織)成功地將它應(yīng)用到了制造領(lǐng)域，開發(fā)出了一種新型3D打印工藝一-“動力熔融(KineticFusion)”。7.3冷噴涂增材制造技術(shù)基本原理1冷噴涂增材制造技術(shù)是根據(jù)氣體動力學(xué)理論開發(fā)的一種新型增材制造技術(shù)，它將高壓氣體如氨氣、氮?dú)?、空氣或它們之間的混合氣體直接輸入或經(jīng)過加熱后輸入拉瓦爾噴管型打印噴嘴，經(jīng)拉瓦爾噴管加速后形成超音速氣流，驅(qū)動溫度不超過600C的金屬粉末顆粒以極高的速度碰撞成型基板，使金屬粉末顆粒產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，從而沉積在基板表面逐漸形成所需工件。7.3冷噴涂增材制造技術(shù)基本原理17.3冷噴涂增材制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備2整個工藝在封閉的腔室中進(jìn)行，先通過高熱氣體將金屬粉末加速到音速的1.5~3倍，再通過噴嘴從噴槍射出。粉末顆粒便會在目標(biāo)表面相互撞擊，通過一種塑性變形過程，以機(jī)械水平牢固地結(jié)合到一起。噴槍是由機(jī)械臂精確控制的，所以可以非常精確地按照既定的圖案噴射。此工藝與現(xiàn)有的其他金屬3D打印工藝一樣能打印合金，但性能更強(qiáng)，而且強(qiáng)許多據(jù)統(tǒng)計打印速度可達(dá)45kg/h(高出其他工藝約10~100倍)，打印成品強(qiáng)度能高出34%，同時打印尺寸十分驚人(正在建造的設(shè)備尺寸為9mx3mx15m，有望成為世界最大的金屬3D打印機(jī))。7.3冷噴涂增材制造技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用3(1)安全無損修復(fù)。冷噴涂增材制造技術(shù)通過低溫固態(tài)沉積方式對起落架大梁疲勞裂紋進(jìn)行修復(fù)，無須進(jìn)行鉆孔、鉚接，不會對起落架大梁造成熱損傷或二次破壞，也不存在高溫環(huán)境導(dǎo)致油箱爆炸的隱患，實(shí)現(xiàn)安全無損修復(fù)。(2)原位修復(fù)能力。冷噴涂增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鋁合金涂層的逐層堆疊，在疲勞裂紋處原位生長出合金體，可在不拆卸主結(jié)構(gòu)件的情況下，以原位修復(fù)的方式對起落架大梁疲勞裂紋完成修復(fù)。(3)涂層強(qiáng)度提升。冷噴涂增材制造技術(shù)可在裂紋部位原位制造出高致密性和原金屬材料力學(xué)性能相適配的合金體，分擔(dān)裂紋部位載荷，消除疲勞裂紋尖端張開應(yīng)力，阻斷裂紋擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度恢復(fù)和可靠性、壽命的提升。04聚合物噴射增材制造技術(shù)PARTFOURPolyJet聚合物噴射技術(shù)是以色列Obiet公司于2000年初推出的專利技術(shù)，PolyJet聚合物噴射技術(shù)也是當(dāng)前最為先進(jìn)的3D打印技術(shù)之一。PolyJet聚合物噴射技術(shù)可在機(jī)外混合多種基礎(chǔ)材料，得到性能更為優(yōu)異的新材料，極大地擴(kuò)展了該技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用。7.4聚合物噴射增材制造技術(shù)1PolyJet聚合物噴射技術(shù)1基本原理PolyJet聚合物噴射系統(tǒng)的打印噴頭沿X軸方向來回運(yùn)動，工作原理與噴墨打印機(jī)十分類似，不同的是打印噴頭噴射的不是墨水而是光敏聚合物。當(dāng)光敏聚合物被噴射到工作臺上后紫外光燈將沿著打印噴頭工作的方向發(fā)射出紫外光對光敏聚合材料進(jìn)行固化。2.成型特點(diǎn)(1)質(zhì)量高。最高可達(dá)16um的分辨率，確保獲得流暢且非常精細(xì)的部件與模型。(2)精確度高。精密噴射與構(gòu)建材料性能，可保證細(xì)節(jié)精細(xì)與薄壁特征。(3)易清潔。適用于辦公室環(huán)境，采用非接觸式樹脂載入/卸載，容易去除支撐材料，容易更換打印噴頭。(4)快捷。得益于全寬度上的高速光柵構(gòu)建，可實(shí)現(xiàn)快速的流程，可同時構(gòu)建多個項(xiàng)目并且無須事后凝固。(5)多用途。FullCure材料品種多樣，可適用于不同幾何形狀、機(jī)械性能及顏色部件PolyJetMatrix技術(shù)還支持多種型號(多種顏色)的材料同時噴射。7.4聚合物噴射增材制造技術(shù)1PolyJet聚合物噴射技術(shù)PolvJet聚合物噴射技術(shù)的缺點(diǎn)如下。(1)需要支撐結(jié)構(gòu)。(2)耗材成本相對高。與SLA術(shù)一樣使用光敏樹脂作為耗材，成本相對較高。(3)強(qiáng)度較低。由于材料是樹脂，成型后強(qiáng)度、耐久度與SLA技術(shù)一樣，都不是很高。3.應(yīng)用范圍(1)可以加工多材料、多顏色混合模型，也可以加工透明產(chǎn)品，常用于外觀與裝配測試。(2)成型精度高、表面細(xì)節(jié)好的鑄造模具。(3)制造小批量注塑模具。7.4聚合物噴射增材制造技術(shù)1PolyJet聚合物噴射技術(shù)7.4聚合物噴射增材制造技術(shù)2多射流熔融技術(shù)多射流熔融(Multi-JetFusion,MIF)技術(shù)主要使用兩個不同的射流組件來組建全彩色3D零件，其中一個主要控制包裝打印材料，生產(chǎn)出實(shí)體，另一個主要是控制噴涂、上色和結(jié)合這兩種工藝的設(shè)計都是為了實(shí)現(xiàn)部件需要的強(qiáng)度和紋理。這個技術(shù)的工作方法:首先，涂一層粉末，其次，噴上焊劑，再次，噴上薄薄的精細(xì)劑，以確保印刷對象邊緣的細(xì)度，最后，噴上一次熱源，這一層就算完成了。以此類推，直到3D對象完成。印刷速度比SLS技術(shù)和FDM技術(shù)快10倍，并且不會丟失細(xì)節(jié)的微妙性。以光盤印刷1000個齒輪為例，與FDM技術(shù)耗時83h和SLS技術(shù)耗時38h相比較，使用MIF技術(shù)只需要3h就可以執(zhí)行完畢。1.基本原理7.4聚合物噴射增材制造技術(shù)2多射流熔融技術(shù)惠普公司所用的3D打印技術(shù)為多射流熔融技術(shù)，其成型步驟如下：(1)鋪設(shè)成型粉末。(2)噴射熔融輔助劑。(3)噴射細(xì)化劑。(4)在成型區(qū)域施加能量使粉末熔融。(5)重復(fù)以上步驟直到所有切片加工結(jié)束注意噴射細(xì)化劑的區(qū)域并沒有被熔融。2.工藝過程7.4聚合物噴射增材制造技術(shù)2多射流熔融技術(shù)惠普打印機(jī)的核心是位于工作臺上的兩個模塊，分別為鋪粉模塊和熱噴頭模塊。鋪粉模塊:顧名思義，是在工作臺上分配粉末材料用的。這個模塊由三部分組成，中間是鋪粉末的噴頭，兩邊是能量源。熱噴頭模塊:用來噴射化學(xué)試劑熔融輔助劑和噴射細(xì)化劑，當(dāng)然這個模塊也是有能量源的。熱噴頭模塊是這款打印機(jī)的亮點(diǎn)，以每秒鐘每英寸3000萬滴的速度噴灑化學(xué)試劑。在實(shí)際的打印過程中，首先，鋪粉模塊會上下移動鋪設(shè)一層均勻的粉末。然后，熱噴頭模塊會左右移動噴射兩種試劑，同時通過兩側(cè)的熱源加熱融化打印區(qū)域的材料。這個過程會往復(fù)進(jìn)行，直至最后打印完成。3.成型系統(tǒng)與設(shè)備7.4聚合物噴射增材制造技術(shù)2多射流熔融技術(shù)多射流熔融技術(shù)的優(yōu)勢如下

(1)加工速度快。(2)打印件質(zhì)量高。(3)高精度。打印機(jī)噴頭可以達(dá)到1200dpi的精度，考慮到粉末的擴(kuò)散問題，在XY方向的精度可以達(dá)到約40um。4.特點(diǎn)7.4聚合物噴射增材制造技術(shù)2多射流熔融技術(shù)多射流熔融技術(shù)的劣勢如下。(1)材料限制。現(xiàn)在可用材料為尼龍12(PA12)，而更多可用材料取決于惠普公司對于細(xì)化劑的開發(fā):對于金屬器件的打印，可能無法使用一體機(jī)，因?yàn)橹苯釉谠O(shè)備內(nèi)部進(jìn)行燒結(jié)/熔融需要的高溫會影響電子器材(包括噴頭)的運(yùn)行。(2)材料污染。在噴射了細(xì)化劑的區(qū)域，粉末并沒有被燒結(jié)，有可能造成粉末的污染(因?yàn)檫@些噴射了細(xì)化劑的粉末如果后續(xù)被用在成型區(qū)域，那么可能不會被熔融)。(3)顏色限制?；萜展舅玫娜廴谳o助劑包含了可以吸收光波的物質(zhì)(可能為炭黑等深色材料)，因而所展示的樣品為深色:而打印白色或其他淺色器件，可能會減少能量吸收從而會增加成型時間，有可能導(dǎo)致無法成型:對于全彩器件的打印，同時需要考慮色素的耐高溫能力。4.特點(diǎn)05納米顆粒噴射3D打印技術(shù)PARTFIVE納米顆粒噴射(NPJ)3D打印技術(shù)是XJ公司于2016首次公開并取得專利的材料射3D打印技術(shù)。其工作原理與傳統(tǒng)的2D噴墨打印機(jī)的工作原理相似。2D噴墨打印機(jī)的工作原理是噴墨系統(tǒng)前后移動并將彩色墨水沉積在紙上(2D)。而NPJ3D打印技術(shù)相當(dāng)于先用懸浮納米顆粒替換彩色墨水，然后用打印平臺替換紙張(3D)。簡單來說，懸浮納米顆粒就是納米級的研磨金屬粉末或陶瓷粉末(納米顆粒)被包裹在一層液體中。當(dāng)懸浮納米顆粒被沉積到NPJ3D打印機(jī)的打印平臺上時，外面的這層液體會因?yàn)楸患訜岬拇蛴∑脚_的熱量而蒸發(fā)，僅留下納米顆粒，而納米顆粒也在高溫下開始黏合。7.5納米顆粒噴射3D打印技術(shù)基本原理1(1)先將金屬以液體的形式裝入NPJ3D打印機(jī)，打印時用含金屬納米顆粒的液體噴射成型。然后通過加熱將多余的液體蒸發(fā)留下金屬部分，最后通過低溫?zé)Y(jié)完成成型。(2)加熱打印床(打印平臺的表面)至250C，這會使之后的懸浮納米顆粒的液體層在沉積時蒸發(fā)。NPJ3D打印機(jī)的打印頭由數(shù)千個噴墨孔組成，這些孔會將眾多的懸浮納米顆粒沉積到打印床上。一旦與加熱的打印床接觸，懸浮納米顆粒的外層液體就會蒸發(fā)，剩下的納米顆粒會因?yàn)闊崃筐ず显谝黄稹?3)在完成第一層之后，打印平臺會先降低一個單位的層厚度，然后重復(fù)該過程，直到完成零件為止。(4)取出零件，進(jìn)行后處理(例如，去除支撐物、拋光、在烤箱中燒結(jié)以完全合顆粒.借此改善零件的外觀和機(jī)械性能。7.5納米顆粒噴射3D打印技術(shù)成型工藝及分析27.5納米顆粒噴射3D打印技術(shù)工藝特點(diǎn)及應(yīng)用31234高分辨率(層厚度為10um)和高精度(25um)，實(shí)現(xiàn)超精細(xì)的細(xì)節(jié)。沒有嚴(yán)格的打印環(huán)境要求(不需要?dú)怏w，真空或壓力環(huán)境均可)

打印的零件可以回收:支撐結(jié)構(gòu)可以熔化去除。

NPJ3D打印機(jī)和懸浮納米顆粒材料的價格都非常昂貴。1.NPJ3D打印技術(shù)的特點(diǎn)7.5納米顆粒噴射3D打印技術(shù)工藝特點(diǎn)及應(yīng)用3NPJ3D打印技術(shù)的主要材料目前只限于316L不銹鋼和兩種瓷基材料—氧化鋯和氧化鋁，用于制造具有高分辨率的金屬零件或陶瓷零件，當(dāng)前應(yīng)用包括助聽器、外科手術(shù)工具等醫(yī)療領(lǐng)域部件，航空航天和汽車用高溫功能部件，以及用于電氣行業(yè)的傳感器等部件。2.應(yīng)用06氣溶膠噴射打印技術(shù)PARTSIX7.6氣溶膠噴射打印技術(shù)1.氣溶膠氣溶膠是指懸浮在氣體介質(zhì)中的固態(tài)或液態(tài)顆粒所組成的氣態(tài)分散系統(tǒng)。這些固態(tài)或液態(tài)顆粒的密度與氣體介質(zhì)的密度可以相差微小，也可以相差懸殊。氣溶膠顆粒的大小通常在0.01~10um之間，但由于氣溶膠來源和形成原因差異很大(例如，花粉等植物氣溶膠的粒徑為5~100um木材及煙草燃燒產(chǎn)生的氣溶膠粒徑為0.01~1000um等)，顆粒的形狀多種多樣，可以是近乎球形，諸如液態(tài)霧滴，也可以是片狀、針狀及其他不規(guī)則形狀。從流體力學(xué)角度來講，氣溶膠實(shí)質(zhì)上是氣態(tài)為連續(xù)相，固、液態(tài)為分散相的多相流體。1基本原理17.6氣溶膠噴射打印技術(shù)2.基本原理氣溶膠噴射打印技術(shù)是先通過超聲振蕩或氣流的方式將納米導(dǎo)電墨水制成氣溶膠，然后通過傳輸載氣(霧化)將氣溶膠傳輸至噴墨口，最后用打印的方式將導(dǎo)電墨水印制在需要的基底上。同時，氣溶膠噴射打印系統(tǒng)會利用一束遮蓋氣體覆蓋在導(dǎo)電墨水的外部，來控制打印氣流的方向，保證打印的精確性。氣溶膠噴射打印系統(tǒng)將原材料與氣溶膠混合噴射出直徑為15um的霧滴，送入粉末顆粒霧滴形成束流，束流經(jīng)噴頭引導(dǎo)后匯聚，在噴頭處環(huán)流氣的作用下，通過噴嘴噴出形成同軸射流，射流將材料沉積在基體上，形成從0um到數(shù)豪米的層，基體在運(yùn)動控制系統(tǒng)控制下做兩軸運(yùn)動形成二維的圖案?；驹?7.6氣溶膠噴射打印技術(shù)成型工藝及設(shè)備1.霧化器霧化器即通過霧化獲得氣溶膠的裝置，它有超聲和氣動兩種工作模式，根據(jù)墨水的性質(zhì)采用不同的工作模式:墨水的黏度為0.7~30mPats，粒子直徑<50m時，選用超聲模式:墨水的黏度為1~1000mPas，粒子直徑<0.5um時，應(yīng)選用氣動模式。2.噴印頭

噴印頭是將氣溶膠沉積到襯底上的一個關(guān)鍵部件。噴印頭內(nèi)部有一股環(huán)繞氣流，此環(huán)繞氣流既可以避免氣溶膠與噴嘴側(cè)壁接觸，又能夠聚集氣溶膠，使氣溶膠束流的徑向尺寸小于噴嘴孔徑的1/10，從而達(dá)到高分辨率沉積的效果。由此形成的氣溶膠束流高速(50m/s)沖擊村底表面，通過控制襯底或噴印頭的移動獲得目標(biāo)圖案。37.6氣溶膠噴射打印技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用1.氣溶膠噴射打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)(1)噴墨口很少堵塞。由于氣溶膠的形成是通過將含有有機(jī)溶液的導(dǎo)電墨水進(jìn)行超聲振蕩實(shí)現(xiàn)的，所以可以適配大多數(shù)的導(dǎo)電墨水要求的范圍。而且，氣溶膠噴射打印技術(shù)主要是通過氣流傳輸載氣的方式，在遮蓋氣流和霧化氣流的共同作用下，氣溶膠不會和噴嘴內(nèi)壁產(chǎn)生任何接觸，只會在被遮蓋氣體包裹的情況下噴射而出，所以極不容易造成常見的噴頭堵塞等問題。(2)打印材料廣泛。對功能墨水進(jìn)行零化處理變成氣溶膠顆粒的形式，擴(kuò)展了材料選擇范圍，降低了材料配置難度。(3)非接觸式印刷。氣溶膠噴射打印技術(shù)可以在平面和非平面襯底上進(jìn)行噴印。(4)適用于多種襯底。氣溶膠噴射打印技術(shù)具有更高的打印高度，避免了噴嘴與襯底的接觸，不僅避免損傷襯底材料，還可以適用于柔性襯底材料。37.6氣溶膠噴射打印技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用2.氣溶膠噴射打印技術(shù)的缺點(diǎn)(1)沸點(diǎn)過低的材料不適合用于氣溶膠噴射打印技術(shù)比如，甲苯的沸點(diǎn)為110C，但是在氣溶膠噴射打印時，小液滴中的甲苯會迅速進(jìn)入氣體和大氣中，導(dǎo)致固態(tài)有機(jī)粉末形成。(2)氣溶膠產(chǎn)生不均勻。在長時間大面積打印時會面臨氣溶膠產(chǎn)生不均勻的問題。(3)對溶劑沸點(diǎn)敏感溶劑的選擇和配比成為成功打印的關(guān)鍵之一。第八章薄材疊層增材制造技術(shù)高等學(xué)校動畫與數(shù)字媒體專業(yè)『全媒體』創(chuàng)意創(chuàng)新系列教材設(shè)計造型基礎(chǔ)01疊層實(shí)體制造技術(shù)PARTONE疊層實(shí)體制造(LaminatedObjectManufacturing，LOM)技術(shù)也被稱為分層實(shí)體制造技術(shù)。LOM技術(shù)是幾種最成熟的快速成型制造技術(shù)之一。這種制造方法和設(shè)備自1991年問世以來，得到迅速發(fā)展。由于LOM技術(shù)多用紙張作為原材料，成本低廉，制造精度高，而且制造出來的木質(zhì)模型具有外在的美感性和一些特殊的品質(zhì)，因而受到了廣泛的關(guān)注，在產(chǎn)品設(shè)計可視化、造型設(shè)計評估、裝配檢驗(yàn)、熔模制造型芯、砂型鑄造木模、快速制模母模及直接制模等方面得到了快速的應(yīng)用，已在汽車、機(jī)械、電器、航空航天、建筑、醫(yī)學(xué)、玩具和考古等行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。LOM模型一般由薄片材料和黏結(jié)劑兩部分組成，薄片材料根據(jù)對模型性能要求的不同可分為紙、塑料薄膜、金屬鉑等。對于薄片材料要求厚薄均勻，力學(xué)性能良好并與黏結(jié)劑有較好的涂掛性和黏結(jié)能力。用于LOM紙基的熱熔膠按基體樹脂劃分，主要有乙烯-乙酸乙燒醋共聚物型熱熔膠、聚酷類熱熔膠、尼龍類熱熔膠或其混合物。LOM技術(shù)成型速度快，制造成本低，成型時無須特意設(shè)計支撐，材料價格也較低。LOM技術(shù)適合制造較大的工件。但薄壁件、細(xì)柱狀件的剝離比較困難，而且由于材料薄膜厚度有限制，制件表面粗糙，需要煩瑣的后處理過程。8.1疊層實(shí)體制造技術(shù)8.1疊層實(shí)體制造技術(shù)基本原理1

LOM系統(tǒng)由計算機(jī)、原材料存儲及送進(jìn)機(jī)構(gòu)、熱黏壓機(jī)構(gòu)、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺和數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)架等組成。其中，計算機(jī)用于接收和存儲工件的三維模型，沿模型的高度方向提取一系列的橫截面輪廓線，發(fā)出控制指令。原材料存儲及送進(jìn)機(jī)構(gòu)將存于其中的原材料(如底面有熱熔膠和添加劑的紙)逐步送至工作臺的上方。熱黏壓機(jī)構(gòu)將一層層材料黏合在一起。激光切割系統(tǒng)按照計算機(jī)提取的橫截面輪廓線，逐一在工作臺上方的材料上切割出輪廓線，并將無輪廓區(qū)切割成小方網(wǎng)格以便在成型之后能剔除廢料?？缮倒ぷ髋_支撐成型的工件，并在每層成型之后，降低一個材料厚度(通常為0.10.2mm)，以便送進(jìn)、黏合和切割新的一層材料。數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行計算機(jī)發(fā)出的指令，先控制材料的送進(jìn)，然后黏合、切割,最終形成三維工件模型。8.1疊層實(shí)體制造技術(shù)基本原理18.1疊層實(shí)體制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備2成型工藝過程3LOM技術(shù)的工藝制作過程分為前處理、疊層制作和后處理三個階段。前處理階段主要是數(shù)模建立和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理，疊層制作階段主要是進(jìn)行制作工藝參數(shù)的設(shè)置及木質(zhì)模型制作的過程，后處理眩茬暗啊皚哎啊哎按氨暗隘胺挨哎挨崔膊胞跋扒愛挨凹澳唉笆敞按敖拔耙挨岸哎啊皚矮提高模型的性能。從LOM技術(shù)的原理可以看出，該制造系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、激光器及冷卻系統(tǒng)等幾部分組成。設(shè)備包括材料倉、黏結(jié)劑倉、送進(jìn)盤、熨平裝置、工作平臺、XY繪圖頭防黏結(jié)筆、修剪刀、切刀裝置、加熱裝置等。8.1疊層實(shí)體制造技術(shù)成型工藝過程3涂布工藝有涂布形狀和涂布厚度兩個方面。涂布形狀指的是采用均勻式涂布還是非均勻式涂布，非均勻式涂布又有多種形狀。均勻式涂布采用狹縫式刮板進(jìn)行涂布，非均勻式涂布有條紋式和顆粒式。一般來講，非均勻式涂布可以減小應(yīng)力集中，但涂布設(shè)備比較貴。涂布厚度指的是在紙材上涂多厚的膠，選擇涂布厚度的原則是在保證可靠黏合的情況下，盡可能地涂薄，以減少變形、溢膠和錯移。1.前處理由于疊層在制作過程中要由工作臺(或稱升降臺)帶動頻繁起降，為實(shí)現(xiàn)原型與工作臺之間的連接，需要制作基底，通常制作3~5層。2.疊層制作快速成型設(shè)備根據(jù)計算機(jī)輸出的三維CAD模型轉(zhuǎn)換的STL數(shù)據(jù)及設(shè)定的工藝參數(shù)，自動地沿模型高度的水平面逐層“切割”成一定厚度的片層，采用激光切割等方法將紙在制造的模型上逐層堆積，形成零件模型。2)加熱輯溫度加熱輯溫度的設(shè)置應(yīng)根據(jù)模型層面尺寸大小來確定。當(dāng)模型層面尺寸較大時，疊層之間實(shí)現(xiàn)黏合需要的熱量較高，加熱輥溫度應(yīng)適當(dāng)調(diào)高，以確保疊層之間黏合牢固。另外，加熱輯溫度的設(shè)置還應(yīng)考慮環(huán)境溫度的影響。因?yàn)楫?dāng)環(huán)境溫度較低時，紙材的初始溫度較低，實(shí)現(xiàn)牢固黏合所需要的熱量也較多，此時，應(yīng)考慮適當(dāng)調(diào)高加熱輯的溫度。通常加熱輯的溫度設(shè)置在230~260C之間。8.1疊層實(shí)體制造技術(shù)2.疊層制作LOM快速成型機(jī)的主要參數(shù)包括激光切割速度、加熱銀溫度、激光能量、切碎網(wǎng)格尺寸等。1)光切速度激光切割速度影響模型的表面質(zhì)量和制作時間。如果速度過快，那么在激光能量補(bǔ)充不足時，紙材切割不徹底，影響余料的去除和模型外表的美觀:如果速度過慢，那么會增加模型的制作時間。所以激光切割速度在許可范圍內(nèi)的選取和設(shè)置應(yīng)適當(dāng)，通常選為450mm/s左右。成型工藝過程34)切碎網(wǎng)格尺寸在每一疊層中，模型截面以外的多余部分作為余料保留下來，在疊層過程結(jié)束后應(yīng)人工去除。為方便去除，余料部分在截面輪廓切割完畢后應(yīng)進(jìn)行切碎處理，當(dāng)模型形狀復(fù)雜時，將切碎網(wǎng)格尺寸設(shè)置小一些，可方便以后的余料去除;當(dāng)形狀比較簡單時，可適當(dāng)加大網(wǎng)格尺寸，以縮短疊層制作時間。8.1疊層實(shí)體制造技術(shù)2.疊層制作LOM快速成型機(jī)的主要參數(shù)包括激光切割速度、加熱銀溫度、激光能量、切碎網(wǎng)格尺寸等。3)激光能量激光能量的大小直接影響著切割紙材的厚度和切割速度，能量太小，紙材切不斷;能量太大，會切割到前一疊層。此外，激光切割速度的變化也要求激光能量適時調(diào)整，當(dāng)切割速度較高時，激光能量應(yīng)調(diào)高，反之則調(diào)低，一般兩者之間為拋物線型關(guān)系。成型工藝過程38.1疊層實(shí)體制造技術(shù)3.后處理為了使模型表面狀況或機(jī)械強(qiáng)度等方面完全滿足最終需要，保證其尺寸穩(wěn)定性、精度等方面的要求，需要對清理后的模型進(jìn)行修補(bǔ)、打磨、拋光等。其中，LOM模型經(jīng)過余料去除后，為了提高模型的性能和便于表面打磨，經(jīng)常需要對模型進(jìn)行表面涂覆處理，表面涂覆的好處:提高強(qiáng)度、增強(qiáng)耐熱性、改進(jìn)抗?jié)裥?、延長模型的壽命、易于表面打磨處理等。經(jīng)涂覆處理后，模型可更好地用于裝配和功能檢驗(yàn)。成型工藝過程302超聲波固相增材制造技術(shù)PARTTWO8.2超聲波固相增材制造技術(shù)1基本原理超聲波金屬焊接技術(shù)是在19世紀(jì)30年代被偶然發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時研究人員在做電流點(diǎn)焊電極加超聲波振動實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)不通電流也能進(jìn)行焊接，因而，超聲金屬冷焊技術(shù)得以發(fā)展。由于受超聲波換能器功率的限制，多年來，超聲波焊接技術(shù)在金屬焊接領(lǐng)域沒有得到很好的應(yīng)用和發(fā)展，主要局限于金屬點(diǎn)焊、滾焊、線束和封管4個方面超聲波增材制造技術(shù)是基于“超聲波焊接”這種傳統(tǒng)制造工藝的技術(shù)，即利用超聲波振動所產(chǎn)生的能量讓兩個需要焊接的表面摩擦，最終形成分子間融合的一種悍接方式:而超聲波固相增材制造技術(shù)則是將這種悍接方式應(yīng)用到3D打印機(jī)上形成的一種新的3D打印工藝。8.2超聲波固相增材制造技術(shù)1基本原理在連續(xù)的超聲波振動壓力下，兩層金屬箔之間會產(chǎn)生高頻率的摩擦，在這個摩擦過程中金屬表面覆蓋的氧化物和污染物被剝離，露出下面的純金屬，之后利用超聲波的能量輻射(或外部加熱)將較為純凈的金屬材料軟化填充到已完成焊接的金屬箔片表面。在這個過程中，兩片金屬箔片的分子會相互滲透融合，進(jìn)一步提高焊接面的強(qiáng)度，之后周而復(fù)始，層層疊加至最終成型。超聲波固相增材制造技術(shù)還被應(yīng)用于電子封裝結(jié)構(gòu)、航空零部件、金屬蜂窩板結(jié)構(gòu)、熱交換器等復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)零部件的制造，該技術(shù)和裝備在航空航天、國防、能源、交通等尖端支樣領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。8.2超聲波固相增材制造技術(shù)2工藝特點(diǎn)1.優(yōu)點(diǎn)(1)原材料來源廣泛。原材料采用一定厚度的普通商用金屬帶材，價格低廉，如鋁帶銅帶、鐵帶、鋼帶。(2)超聲波固相增