龔進(jìn)

【摘要】三維立體打印屬于一種快速成型（Rapid prototyping）技術(shù)，是一種由CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）數(shù)據(jù)通過成型設(shè)備以材料累加的方式制成實(shí)物模型的技術(shù)。這一過程不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床就可以打造出任意形狀，它可以自動、快速、直接和精確地將計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效的縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量并縮減生產(chǎn)成本。

【關(guān)鍵詞】三維打?。粩?shù)字雕刻；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造

一、什么是三維打印技術(shù)

三維打印機(jī)在過去通常又被稱為“快速成型機(jī)”。它通過對電腦中三維軟件的識別，進(jìn)行STL（三角網(wǎng)格格式）轉(zhuǎn)換，再結(jié)合切層軟件確定擺放方位和切層路徑，并進(jìn)行切層工作和相關(guān)支撐材料的構(gòu)造。最后使用噴頭將固態(tài)的線型成型材料加熱成半熔融狀態(tài)之后擠出來，和支撐材料自下而上，一次一層的構(gòu)鑄成最終實(shí)體。它的工作步驟是這樣的：使用CAD軟件來創(chuàng)建物品，然后通過SD卡或者USB傳輸?shù)?D打印機(jī)中，進(jìn)行打印設(shè)置后，打印機(jī)就可以把它們打印出來，3D打印機(jī)的工作原理和傳統(tǒng)打印機(jī)基本一樣，都是由控制組件、機(jī)械組件、打印頭、耗材和介質(zhì)等架構(gòu)組成的，打印原理是一樣的。3D打印機(jī)主要是在打印前在電腦上設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的三維立體模型，然后在進(jìn)行打印輸出。它的工作步驟是這樣的：使用CAD軟件來創(chuàng)建物品，如果你有現(xiàn)成的模型也可以，比如動物模型、人物、或者微縮建筑等等。然后通過SD卡或者USB優(yōu)盤把它拷貝到3D打印機(jī)中，進(jìn)行打印設(shè)置后，打印機(jī)就可以把它們打印出來，其工作結(jié)構(gòu)分解圖如下。3D打印機(jī)的工作原理和傳統(tǒng)打印機(jī)基本一樣，都是由控制組件、機(jī)械組件、打印頭、耗材和介質(zhì)等架構(gòu)組成的，打印原理是一樣的。3D打印機(jī)主要是在打印前在電腦上設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的三維立體模型，然后在進(jìn)行打印輸出。

二、三維打印技術(shù)的工作方式

1..激光燒結(jié)法。使用大功率激光束把粉末加熱到“燒結(jié)溫度”，從而把它與基體燒結(jié)在一起。最終完成零件的成型過程。目前工業(yè)應(yīng)用此法成型的材料有熱塑料，聚合碳化物、尼龍、蠟等等。

2.噴射微粒法。使用噴咀，噴射出小熔滴，小熔滴射到基體上，冷卻后就形成新的一層材料，如此一層層噴射，一層層增長，最終形成所需的形狀。噴射微粒制造現(xiàn)在已有兩家公司制造出了這種設(shè)備，美國的preceptionsystem Inc公司所生產(chǎn)的原型機(jī)，可以噴射蠟微滴，以制作精密蠟?zāi)！?/p>

3..三維噴射粘結(jié)法。此法綜合了“選擇性激光燒結(jié)”及“噴射微滴”這兩種三維打印法的特點(diǎn)。微型噴頭噴射粘有粘結(jié)劑的微粒到需要粘結(jié)的地方，逐層噴射直到整個(gè)零件坯完成為止。這樣的零件坯還要在120℃的溫度下熱處理2h，取出后去掉未粘結(jié)的粉末，還要在1000～1500℃的溫度下焙燒以保證零件達(dá)到足夠的機(jī)械及耐熱強(qiáng)度。這種方法是由美國麻省理工大學(xué)開發(fā)的，主要用于制造陶瓷鑄模，鑄芯（用于失蠟鑄造）及多孔陶瓷坯（再用液態(tài)金屬滲浸后形成金屬陶瓷復(fù)合物零件）。

4.熔化沉積法。這種方法是通過XY控制的加熱頭來送出熔化的材料于基體或已固化的材料上，由于底層材料較冷，從而使熔化的材料沉積固化。這樣逐層，逐帶生成出所需要的零件。采用的材料可以是熱塑性材料，也可以是金屬帶或絲。

三、三維打印技術(shù)的材料

1.金屬粉末3DP快速成形。金屬粉末三維打印成形的研究主要集中在成形工藝參數(shù)控制與優(yōu)化、制件后處理強(qiáng)化工藝改進(jìn)等方面，其目的是解決制件的精度和強(qiáng)度偏低問題。

2.陶瓷粉末3DP快速成形。新型陶瓷結(jié)構(gòu)材料由于具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異性能而被廣泛使用，但是其本身硬而脆的特性使其普通加工成形異常困難。

3.型砂3DP快速鑄型。目前鑄造技術(shù)及設(shè)備的柔性相對較差，通常需要采用多種工藝流程，使用多種裝置、工具、模具和夾具，需要一個(gè)較長的周期來制造鑄型或零件原型。鑄件的結(jié)構(gòu)和尺寸的改變將會直接影響鑄型的設(shè)計(jì)、制造、裝配等長而復(fù)雜的工藝過程。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展和市場需求的個(gè)性化和多樣化，鑄造企業(yè)必須掌握靈活性強(qiáng)、市場響應(yīng)速度快、可小批量生產(chǎn)而不明顯增加產(chǎn)品成本的砂型近凈成形技術(shù)。因此，3DP快速成形工藝在鑄造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

四、三維打印的應(yīng)用領(lǐng)域

1.有助于設(shè)計(jì)成品的驗(yàn)證。三維打印技術(shù)，能在設(shè)計(jì)過程中將樣件或模型制造出來，評審就一目了然，比圖形更清楚，更直觀。這樣可在早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)差錯(cuò)，避免由于設(shè)計(jì)差錯(cuò)而造成制造工藝裝備的浪費(fèi)。

2.有利于并行工程的應(yīng)用。三維打印技術(shù)從CAD到CAM可以直接連線或通過簡單的接口就能實(shí)現(xiàn)。各個(gè)生產(chǎn)部門和生產(chǎn)過程可以共享信息，并行進(jìn)行。工藝規(guī)程和工序設(shè)計(jì)都降低到最小程度，不需要決定工序的先后次序及復(fù)雜的加工路線，從而為并行工程創(chuàng)造了最好條件。

3.模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用。與數(shù)控加工技術(shù)相比，三維打印技術(shù)能更快，更容易地設(shè)計(jì)并制造出各種復(fù)雜的模具，并大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4.適合于小批量或復(fù)雜形狀的工件生產(chǎn)。只要提供CAD模型，就可以制造出相應(yīng)的原型，這種方法特別適合制造很小或很薄的零件。正是由于它具有這種快速、高效和多能的特點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)才成為90年代人們關(guān)注的焦點(diǎn)，并正迅速得到發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊繼全，三維打印設(shè)計(jì)與制造科學(xué)出版社，2015年4月

[2]王飛躍，3D打印三維智能數(shù)字化創(chuàng)造電子工業(yè)出版社，2015年1月