3D打印技術(shù)概述與應(yīng)用目錄C

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T3D打印簡介—3D打印發(fā)展歷史二3D打印原理技術(shù)三3D打印分類介紹四3D打印應(yīng)用領(lǐng)域五3D打印簡介—3D打?。?DP）即快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。定義1.14從特點(diǎn)上講3D打印的層層堆疊方法，具有高度的柔性、高度的定制性，對(duì)零件外形的制造難度、制造成本的敏感度非常低。對(duì)于一些具有大量曲面，非常難加工的復(fù)雜零件，3D打印的優(yōu)勢及其明顯。例如下面這樣一類幾何體，對(duì)于傳統(tǒng)加工來講，往往需要5軸以上的昂貴加工中心完成。然而對(duì)于3D打印，這類零件與打印一個(gè)扳手并無明顯區(qū)別。特點(diǎn)1.253D打印發(fā)展歷史二3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通

過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。這打印技術(shù)稱為

3D立體打印技術(shù)。美國科學(xué)家查克·赫爾（Chuck

Hull），在1986年開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)。查克·赫爾（Chuck

Hull），1939年5月12日出生于美國。3D打印技術(shù)的發(fā)明者，也是3D

System公司的聯(lián)合創(chuàng)始人，執(zhí)行副總裁，兼首席技術(shù)官。第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)1.17Matsubara在紙板層疊技術(shù)的基礎(chǔ)上首先提出可以嘗試使用光固化材料，光敏聚合樹脂涂在耐火的顆粒上面，然后這些顆粒被填充到疊層，加熱后會(huì)生成與疊層對(duì)應(yīng)的板層，光線有選擇地投射到這個(gè)板層上將指定部分硬化，沒有掃描的部分將會(huì)使用化學(xué)溶劑溶解掉，這樣板層將會(huì)不斷堆積直到最后形成一個(gè)立體模型，這樣的方法適用于制作傳統(tǒng)工藝難以加工的曲面。下圖是一張廢棄的法國3D打印機(jī)的專利圖紙。首次采用光敏聚合物1.281984年，胡爾發(fā)明了SLA立體平板印刷技術(shù)(StereoLithographyAppearance)，其工作原理是用光來催化光敏樹脂，然后成型。后人把胡爾稱為“3D打印之父”SLA技術(shù)元年1.391986年，美國國家科學(xué)基金會(huì)，贊助Helisys公司研發(fā)出LOM分層實(shí)體制造技術(shù)，其工作原理是把片材切割并粘合成型。同年，胡爾成立了3D

Systems公司，這是世界上第一家生產(chǎn)3D打印設(shè)備的公司，而它所采用的技術(shù)當(dāng)時(shí)被稱為“立體光刻”，是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。之后該公司研發(fā)了著名的STL文件格式，將CAD模型進(jìn)行三角化處理，成為CAD/CAM系統(tǒng)接口文件格式的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。LOM技術(shù)元年1.4101988年，美國人斯科特·克魯普（Scott

Crump）發(fā)明了FDM熔融沉積成型技術(shù)（FusedDeposition

Modeling）其工作原理是利用高溫把材料熔化后再噴出來重新凝固成型。同年，在美國加州大學(xué)洛杉磯分校做訪問學(xué)者的顏永年回國后，建立了清華大學(xué)激光快速成形中心，成為中國快速成型技術(shù)的先驅(qū)。FDM技術(shù)元年1.5111993年，美國麻省理工學(xué)院教授伊曼紐爾· 琪（Emanual

Saches）發(fā)明了3DP技術(shù)（Three-Dimensional

Printing）其工作原理是利用粘接劑將金屬、陶瓷等粉末，粘結(jié)在一起成型。麻省理工學(xué)院兩年后把這項(xiàng)技術(shù)授權(quán)給Z

Corporation進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用，后來開發(fā)出全球第一臺(tái)彩色3D打印機(jī)。同年，中國第一家3D打印公司成立。同年，德國Solingen公司將直接鑄造制作商業(yè)化。3DP技術(shù)元年1.6121996年，美國3DSystems、Stratasys、ZCorporation等公司各自推出了新一代的快速成型設(shè)備，此后快速成型便有了更加通俗的稱呼──“3D打印”。美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室（Sandia

National

Laboratory）發(fā)明LENS激光凈成型技術(shù)（LaserEngineered

Net

Shaping），LENS技術(shù)也叫LMD激光熔化沉積（Laser

Metal

Deposition）。

美國密歇根大學(xué)稱為DMD直接金屬沉積(Direct

Metal

Deposition），英國伯明翰大學(xué)稱為DLF直接激光成型(Directed

Laser

Fabrication)，中國西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授稱其為LRF激光快速成形(Laser

Rapid

Forming)。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)中將該技術(shù)統(tǒng)一規(guī)范為DED金屬直接沉積制造（DirectedEnergy

Depositioin）技術(shù)的一部分?！?D打印”名稱元年1.7132001年，美國Solidimension公司推出第一臺(tái)桌面型3D打印機(jī)。第一臺(tái)桌面型3D打印機(jī)1.8143D打印原理技術(shù)三日常生活中使用的普通打印機(jī)可以打印電腦設(shè)計(jì)的平面物品，而所謂的3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料，打印機(jī)與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。通俗地說，

3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備，比如打印一個(gè)機(jī)器人、打印玩具車，打印各種模型，甚至是食物等等。之所以通俗地稱其為“打印機(jī)”是參照了普通打印機(jī)的技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^程與噴墨打印十分相似。這項(xiàng)打印技術(shù)稱為3D立體打印技術(shù)。3D打印存在著許多不同的技術(shù)。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構(gòu)建創(chuàng)建部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。工作原理3.116技術(shù)類型3.217類型累積技術(shù)基本材料擠壓熔融沉積式(FDM）熱塑性塑料，共晶系統(tǒng)金屬、可食用材料線電子束自由成形制造(EBF)幾乎任何合金粒狀直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）幾乎任何合金電子束熔化成型（EBM）鈦合金選擇性激光熔化成型(SLM)鈦合金，鈷鉻合金，不銹鋼，鋁選擇性熱燒結(jié)（SHS）熱塑性粉末選擇性激光燒結(jié)（SLS）熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉粉層噴3D打印石膏3D打印(PP)石膏層壓分層實(shí)體制造（LOM）紙、金屬膜、塑料薄膜光聚合光固化立體成形（SLA）光硬化樹脂數(shù)字光處理(DLP)光硬化樹脂三維打印的設(shè)計(jì)過程是：先通過計(jì)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(jì)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(gè)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。打印過程-三維設(shè)計(jì)3.318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(gè)實(shí)體。這種技術(shù)的特點(diǎn)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/英寸）或者微米來計(jì)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(gè)微米。用傳統(tǒng)方法制造出一個(gè)模型通常需要數(shù)小時(shí)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(shí)間縮短為數(shù)個(gè)小時(shí)，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。打印過程-切片處理3.419三維打印機(jī)的分辨率對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會(huì)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(diǎn)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(shí)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(huì)用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時(shí)就需要用到一些易于除去的東西（如可溶物）作為支撐物。打印過程-完成打印3.5203D打印分類介紹四3D打印有多種技術(shù)，但在這些技術(shù)中，光固化3D打印是最早且最成熟的技術(shù)。經(jīng)過多年以來的發(fā)展，出現(xiàn)了許多基于光固化機(jī)理的新技術(shù)，例如SLA、DLP、LCD、CLIP、MJP、雙光子3D打印、全息3D打印等。今天我們將介紹其中的五種光固化3D打印技術(shù)。過程說明4.122作為最早出現(xiàn)的3D打印技術(shù)，SLA技術(shù)是最成熟的3D打印技術(shù)，在行業(yè)中應(yīng)用廣泛。這項(xiàng)技術(shù)于1986年由3D打印行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者3D

Systems，Inc．的聯(lián)合創(chuàng)始人Charles

Hull獲得專利。目前，大型工業(yè)光固化3D打印機(jī)主要基于SLA技術(shù)。通常SLA機(jī)使用的燈管波長為355nm激光束，激光束在樹脂槽上方，曝光方向從頂部，液態(tài)樹脂在激光束掃描時(shí)固化。將平臺(tái)降低到樹脂中；因此，平臺(tái)的表面是樹脂表面以下的一層厚度。然后激光束追蹤邊界并填充模型的二維橫截面，一層樹脂固化后，平臺(tái)下降一段距離，一層一層，一層一層地重復(fù)固化，直到產(chǎn)生一個(gè)實(shí)體的3D物體。每一層的圖案形成由激光束的移動(dòng)控制。理論上，激光束可以在很大的空間上移動(dòng)。因此，SLA打印技術(shù)可以打印大尺寸模型。SLA光固化3D打印4.223SLA是最早的快速成型技術(shù)，成熟度高，印刷工藝穩(wěn)定，機(jī)器供應(yīng)商眾多。迄今為止，SLA是唯

一可以打印大尺寸模型的光固化3D打印技術(shù)。但由于固化速度取決于激光束的移動(dòng)，因此

SLA

的打印速度較低。模型尺寸越大，打印速度越慢。此外，可用于陽離子光聚合的樹脂是有限的。打印分辨率取決于激光束的大小，因此，與其他光固化技術(shù)相比，SLA的分辨率較低。即便如此，SLA技術(shù)的精度也足以打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精細(xì)的物體。直到現(xiàn)在，SLA仍然是一種重要的印刷

技術(shù)，可用于許多領(lǐng)域，如牙科、玩具、模具、汽車、航空航天領(lǐng)域等。SLA打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)4.324DLP使用投影儀（如用于辦公室演示或家庭影院的投影儀）將物體橫截面的圖像投影到光敏液態(tài)樹脂中。DLP

3D打印的關(guān)鍵技術(shù)是DLP技術(shù)，它決定了圖像的形成和打印精度。DLP芯片可能是迄今為止世界上最先進(jìn)的光開關(guān)設(shè)備，包含

200萬個(gè)相互鉸接的微型顯微鏡的規(guī)則陣列。每個(gè)顯微鏡大約是人類頭發(fā)大小的五分之一。當(dāng)

DLP芯片與數(shù)字視頻或圖像信號(hào)、光源和投影鏡頭配合時(shí)，顯微鏡可以將完整的數(shù)字圖像投影到屏幕或其他表面上。DLP及其外圍設(shè)備的先進(jìn)電子設(shè)備被稱為數(shù)字光處理技術(shù)（數(shù)據(jù)光學(xué)處理）。DLP芯片的顯微鏡切換次數(shù)可達(dá)每秒數(shù)千次，反映1024個(gè)像素的灰度陰影，將DLP芯片輸入的視頻或圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為豐富的灰度圖像。所以，

DLP

3D打印具有高打印分辨率，可打印最小尺寸為

50

μm。由于半導(dǎo)體封裝材料不耐受紫外

線，因此波長為405nm的LED燈是DLP

3D打印機(jī)的光源。DLP

3D打印是平面曝光，但曝光面積有限。目前可印刷尺寸為100＊60mm至190＊120mm。DLP3D打印的優(yōu)勢在于可以打印體積小、精度高的物體。DLP光固化3D打印4.425高精度是

DLP

3D打印的最大優(yōu)勢。然而，為了保證高精度，投影的尺寸是有限的。因此，DLP

3D打印只能打印小尺寸物體。另一方面，DLP技術(shù)由德州儀器公司主導(dǎo)，價(jià)格高，因此，DLP

3D打印機(jī)非常昂貴。由于DLP

3D打印技術(shù)具有精度高的特點(diǎn)，同時(shí)只能打印小尺寸的模型，因此主要應(yīng)用于珠寶鑄造和牙科領(lǐng)域。DLP打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)4.526縱觀所有光固化3D打印技術(shù)，從激光掃描SLA，到數(shù)字投影DLP，再到最新的LCD打印技術(shù)，主要區(qū)別在于光源和成像系統(tǒng)，而控制和步進(jìn)系統(tǒng)幾乎沒有區(qū)別。DLP和LCD

3D打印技術(shù)最大的區(qū)別在于成像系統(tǒng)。對(duì)于

LCD

3D打印技術(shù)，液晶顯示器用作成像系統(tǒng)。當(dāng)對(duì)液晶施加電場時(shí)，它會(huì)改變其分子排列并阻止光通過。由于采用了先進(jìn)的液晶顯示技術(shù)，液晶顯示的分辨率非常高。然而，在電場切換過程中，少量液晶分子不能重新排列，導(dǎo)致漏光微弱。LCD光固化3D打印4.627LCD機(jī)很便宜，而且分辨率很好。但是液晶屏使用壽命短，需要定期更換，液晶3D打印的光強(qiáng)很弱，只有10％的光能從液晶屏穿透，90％的光被液晶屏吸收屏幕。而且，如上所述，局部漏光會(huì)導(dǎo)致底部光敏樹脂過渡曝光，需要定期清潔液槽?，F(xiàn)在液晶3D光固化機(jī)應(yīng)用于牙科、珠寶、玩具等領(lǐng)域。LCD打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)4.7282015年3月20日，由Carbon

3D

Corp開發(fā)的CLIP技術(shù)（Continuous

Liquid

InterfaceProduction）登上Science封面。該技術(shù)的關(guān)鍵是氧滲透膜的發(fā)明，該膜有助于氧滲透的連續(xù)印刷以抑制自由基聚合。CLIP技術(shù)是

DLP的一種先進(jìn)技術(shù)。CLIP技術(shù)的基本原理并不復(fù)雜，底部的UV投射使光敏樹脂固化，而罐底的液態(tài)樹脂由于阻氧而保持穩(wěn)定的液面，從而保證固化的連續(xù)性。底部的特殊窗口允許光線和氧氣通過。該技術(shù)最重要的優(yōu)勢在于它可以以顛覆性的方式生產(chǎn)物體——比DLP

3D打印機(jī)快

25到100倍，理論潛在打印速率可達(dá)

DLP技術(shù)的

1000倍，分層可以無限好。目前的3D打印需要將3D模型切割成很多層，類似于幻燈片的疊加，導(dǎo)致粗糙度無法消除。而CLIP技術(shù)的圖像投影可以是連續(xù)變化的，相當(dāng)于幻燈片進(jìn)化為疊加視頻。這是對(duì)DLP

投影技術(shù)的巨大改進(jìn)。CLIP光固化3D打印4.829可以說，CLIP技術(shù)才是真正的3D打印。是對(duì)目前3D打印技術(shù)的顛覆性技術(shù)。毋庸置疑，CLIP技術(shù)最大的優(yōu)勢就是快速打印。盡管如此，仍有一些技術(shù)問題有待解決。到目前為止，通過CLIP技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速打印，需要低粘度樹脂和空心模型。前者確保樹脂快速補(bǔ)充到印刷區(qū)域，而后者減少了每層所需的樹脂量。因此，對(duì)于高粘度樹脂和實(shí)體模型，CLIP技術(shù)的效率不高。此外，透氧膜價(jià)格昂貴。CLIP打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)4.930MJP技術(shù)，也叫PolyJet，2000年由以色列公司Objet申請(qǐng)專利。MJP

3D打印可以高效打印模型，多組噴嘴協(xié)同工作。根據(jù)模型切片數(shù)據(jù)，工作時(shí)成百上千個(gè)噴嘴在平臺(tái)上逐層噴射液態(tài)光敏樹脂，打印噴嘴沿XY平面移動(dòng)。當(dāng)光敏樹脂噴涂到工作臺(tái)上時(shí)，滾筒會(huì)將噴涂樹脂的表面處理平整，UV燈將光敏樹脂固化。在完成第一層的噴印固化后，設(shè)備內(nèi)置的工作臺(tái)會(huì)極其精準(zhǔn)地降一層厚度，噴頭繼續(xù)噴出感光樹脂，進(jìn)行下一層的印刷固化。重復(fù)，直到整個(gè)工件被打印出來。MJP光固化3D打印4.1031對(duì)于

MJP

3D打印，由于有很多噴嘴，可以噴涂不同的材料。從而可以同時(shí)印刷多種材料、多色材料，滿足不同材料、不同顏色、不同剛度等要求。到目前為止，MJP

3D打印是唯一可以打印多色模型的技術(shù)。MJP

3D打印具有非常高的加工精

度，可打印層厚低至16微米。由于支撐材料是易熔或可溶的，因此去除支撐的過程是無損且容易的。因此，打印模型的表面是光滑的。最后，理論上，打印尺寸是無限的。但是，MJP打印機(jī)機(jī)器非常昂貴。這些材料也很昂貴并且需要低粘度。MJP技術(shù)可應(yīng)用于需要高加工精度的領(lǐng)域?，F(xiàn)在常用于珠寶鑄造、精密醫(yī)學(xué)等。MJP打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)4.11323D打印應(yīng)用領(lǐng)域五從應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括醫(yī)療工業(yè)(人體替代植入物)、航空航天、工業(yè)模具制造業(yè)、零件修復(fù)、汽車和快速設(shè)計(jì)。應(yīng)用領(lǐng)域5.134首先從醫(yī)療工業(yè)上講，人體替代物如：人造牙齒，人造膝蓋等往往具有以下幾個(gè)特點(diǎn)