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      3D打印技術(shù)發(fā)展分析

      2014-08-27 23:14和歡慶
      今日印刷 2014年6期
      關(guān)鍵詞:熱熔噴墨工作臺

      和歡慶

      “3D打印”學名為“快速成型技術(shù)”(Rapid Prototype),也稱為“增材制造技術(shù)”,3D打印是一項革命性技術(shù),它不再需要傳統(tǒng)刀具、夾具和機床,而是根據(jù)物體的三維模型數(shù)據(jù),通過成型設備以材料累加的方式制成實物模型的技術(shù),這將縮短產(chǎn)品的研制周期,降低了生產(chǎn)所需的人力資源成本并提高了生產(chǎn)效率。飛機、核電、火電等行業(yè)所使用的重型、高端機械裝備上,傳統(tǒng)的焊接和零部件加固的方法使得部件之間的連接并不牢固,但使用3D打印技術(shù)獲得的產(chǎn)品實現(xiàn)了自然無縫連接,在各結(jié)構(gòu)組件之間的穩(wěn)固性和連接強度方面,要遠高于傳統(tǒng)方法。有相關(guān)專家預測,3D打印技術(shù)是一種新型的生產(chǎn)方式,其可能帶來第三次工業(yè)革命。

      下面,我們對傳統(tǒng)制造技術(shù)和3D打印技術(shù)作一下比較。傳統(tǒng)的工業(yè)制造方法多是“減材制造”,即在整塊材料的基礎上去除多余部分,將剩下的部分制成產(chǎn)品;而作為“增材制造”的3D打印技術(shù)則是利用3D數(shù)據(jù),進行逐層分切打印,層層打印出來的切片會不斷疊加,最終形成一個完整的立體物體,在生產(chǎn)過程幾乎不會產(chǎn)生任何廢棄物。

      3D打印技術(shù)的發(fā)展也是日新月異,下面就介紹一下目前較為先進的3D打印/印刷設備及其應用。

      3D激光打印機

      3D激光打印機(參見圖1),包括模型工作臺1、置于模型工作臺1上方的感光鼓2、粉末盒3、信號轉(zhuǎn)換裝置4、固定于機體上的轉(zhuǎn)軸5和置于轉(zhuǎn)軸5上的轉(zhuǎn)印皮帶6。感光鼓2分別與粉末盒3、轉(zhuǎn)印皮帶6相接觸,信號轉(zhuǎn)換裝置4與計算機相連,轉(zhuǎn)印皮帶6為一條且其上設有兩個感光鼓2,每個感光鼓2分別設有一個粉末盒3、一個信號轉(zhuǎn)換裝置4;兩個粉末盒3中的一個填充有熱熔粉末,另一個填充有非熱熔粉末。

      3D激光打印機的使用方法(參見圖2),包括以下步驟:

      ①由計算機按層分解3D立體圖,形成從下至上一系列序號規(guī)則的正平面圖,生成每個正平面的同時生成一個與之對應的反平面圖,即每層得到正、反兩個圖形。其中:分解3D立體圖的層厚度等于打印機相鄰兩個可打印點中心的距離,如:分辨率為6dpi,則相鄰兩個可打印點中心的間距為42.3微米,即按42.3微米的厚度分解3D立體圖。反平面圖為可打印區(qū)域與正平面圖的差集;可打印區(qū)域是指模型工作臺1內(nèi)部區(qū)域在水平面的投影。

      ②啟動打印機。

      ③計算機生成的正、反兩個圖形經(jīng)信號轉(zhuǎn)換裝置4分別轉(zhuǎn)換成載有正、反圖形信息的光束。

      ④其中,一個感光鼓2充電獲得電位后,經(jīng)載有正圖形映像信息的光束掃描,形成正圖形映像的靜電潛像。

      ⑤正圖形映像的靜電潛像經(jīng)過設在粉末盒3內(nèi)的磁刷后,吸附一層熱熔粉末;經(jīng)轉(zhuǎn)印皮帶6轉(zhuǎn)移到模型工作臺1上方,按常規(guī)加載電壓使熱熔粉末落入模型工作臺1,在模型工作臺1內(nèi)形成由熱熔粉末鋪成的正圖形。

      ⑥另一個感光鼓2充電獲得電位后,經(jīng)載有反圖形映像信息的光束掃描,形成反圖形映像的靜電潛像。

      ⑦反圖形映像的靜電潛像經(jīng)過設在粉末盒3內(nèi)的磁刷后,吸附一層非熱熔粉末;經(jīng)轉(zhuǎn)印皮帶6轉(zhuǎn)移到模型工作臺1上方,按常規(guī)加載電壓使非熱熔粉末落入模型工作臺1,在模型工作臺1內(nèi)形成由非熱熔粉末鋪成的反圖形。

      ⑧每層圖形打印完成后,重復步驟④至⑦,再繼續(xù)打印上一層,直至整個3D立體圖打印完畢。其中:打印過程中,粉末盒3、信號轉(zhuǎn)換裝置4固定,轉(zhuǎn)印皮帶6隨著轉(zhuǎn)軸5轉(zhuǎn)動,感光鼓2旋轉(zhuǎn)。

      ⑨加熱模型工作臺1,直至模型工作臺1內(nèi)的熱熔粉末全部凝固成一個整體(形成最終需要的3D產(chǎn)品)。

      3D噴墨打印機

      3D噴墨打印機主要包括:

      ①用于混合兩種或更多種流體的裝置。

      ②用于在水平和垂直方向中在印刷期間移動印刷頭的裝置。

      3D噴墨打印方法包括以下步驟:

      ①提供具有不同組成的兩種或更多種流體至噴墨打印機。

      ②以受控量混合兩種或更多種流體。

      ③使用噴墨打印機將兩種或更多種流體的混合物噴射到載體上。

      ④通過光化輻射或電子束至少部分固化被噴射的混合物。

      ⑤重復步驟②~④以便在載體上構(gòu)筑3D浮雕。

      適用于3D噴墨印刷,特別是用于制備膠版印刷形式的噴墨印刷機通過圖3顯示。具有套筒形狀的載體2被安裝在圍繞其軸3旋轉(zhuǎn)的鼓1上,兩種或更多種噴墨流體的混合物通過印刷頭4噴射到載體2上,在混合物噴射在載體2上之后,噴射的混合物朝著其被固化裝置5暴露的區(qū)域旋轉(zhuǎn),固化裝置5可以是輻射固化裝置,如UV燈或一系列UV-LED燈,也可以是電子束固化裝置,或者兩者的結(jié)合,每一層的固化可以是完全的,但優(yōu)選地進行部分固化或針式固化(pin curing),優(yōu)選伴隨著在噴射全部的層之后最終的完全固化,然后固化的噴射流體通過鼓1進一步旋轉(zhuǎn)至第二層區(qū)域。這種循環(huán)可被重復多次,直到獲得足夠高度的浮雕。

      隨著浮雕形成的進程,印刷頭4距載體的距離將減小,可能導致圖像假缺陷。因此,載體2和印刷頭4之間的距離被保持大約恒定。這種恒定,可通過在垂直方向Y(與旋轉(zhuǎn)軸3垂直的方向)移動印刷頭4遠離鼓1來實現(xiàn)。噴墨印刷頭4能夠在水平方向X(與旋轉(zhuǎn)軸3平行的方向)移動以便能覆蓋載體2的全部寬度。

      3D打印機的運用——打印食物

      用于3D食物打印機(如圖4所示),由機械臂1、步進電機轉(zhuǎn)盤2、食物噴嘴3、傳輸帶4、烘焙箱5、托盤6和計算機7組成;計算機7通過數(shù)據(jù)線連接機械臂1和步進電機轉(zhuǎn)盤2,步進電機轉(zhuǎn)盤2置于機械臂1下方,以鉸鏈形式固定,食物噴嘴3安裝在步進電機轉(zhuǎn)盤2的四周,托盤6放置在傳輸帶4一端上,傳輸帶4另一端通向烘焙箱5。

      機械臂1能夠受計算機控制上升下降和移動,步進電機轉(zhuǎn)盤2能夠受計算機控制,將需要使用的食物噴嘴3旋轉(zhuǎn)到指定位置,4個食物噴嘴3安裝在步進電機轉(zhuǎn)盤2周圍,每個食物噴嘴3內(nèi)添加有不同口味的液體果醬、奶油等食物;食物噴嘴3為圓柱形空心針筒結(jié)構(gòu),兩端口徑不相同,連接步進電機轉(zhuǎn)盤2的一端的口徑范圍為3cm以內(nèi),另一端的口徑范圍為2mm以內(nèi),食物噴嘴3的長度范圍為10cm以內(nèi)。傳輸帶4長1.2m。

      通過為3D食物打印機訂制的計算機軟件,自動識別美食圖紙,依據(jù)圖紙的圖層屬性,計算機可事先模擬出美食狀態(tài),確認后,計算機輸出信號到3D食物打印機;傳輸帶4將糕點襯底運輸?shù)酱蛴C操作區(qū)域,機械臂1下降,同時步進電機轉(zhuǎn)盤2旋轉(zhuǎn),將需要的食物噴嘴3旋轉(zhuǎn)到操作位置,食物噴嘴3內(nèi)氣壓增加,將果醬或奶油涂抹糕點襯底上,涂抹厚度為0.5cm,同時機械臂1按照圖紙上該食物對應圖層的形狀均勻移動,直到完成第一層“噴墨打印”;隨即機械臂1回到原位,如果該食物對應圖層厚度屬性未達到要求,將進行第二層“噴墨打印”,如果已完成該圖層打印,步進電機轉(zhuǎn)盤2旋轉(zhuǎn),將下一個需要操作的食物噴嘴3旋轉(zhuǎn)到操作位置進行下一層“噴墨打印”。

      完成食物打印后,傳輸帶4依據(jù)計算機軟件設定的食物屬性,將需烘焙的糕點運輸至烘焙箱5進行烘烤,完成食物制作。

      通過以上介紹,大家對3D打印的概念、原理、設備以及應用有了一定的認識,但隨著社會的進步和科技的發(fā)展,打印技術(shù)的發(fā)展和革新會不斷提升,3D打印也將使我們的生活更加豐富多彩。今后,3D打印的技術(shù)、材料、設備仍會有較大的研發(fā)空間,國內(nèi)相關(guān)企業(yè)或單位要加強對自身成果的保護,及時申請專利,同時也應充分了解現(xiàn)有的3D技術(shù),進行相關(guān)分析和研究,從而提高自身的創(chuàng)新能力。endprint

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