神奇的魔法-3D打印技术

  你是否有想象过,在你脑海中的任何形状,都能出现在真实的生活中?而现在,只需要一台3D打印机,你便能轻松实现这个愿望。

  3D打印技术发明于上世纪,经过几十年的发展,已经愈来愈普遍被应用到日常生活中。

  这项技术不同于传统的制造技术,能够准确的通过实际使用的需求,使用更少的原材料,以更低的成本,更高的效率的方式制造定制的产品,因此被誉为“新一轮工业革命的标志”。相比传统的制造方式。3D打印技术能制造更为复杂的结构,不受到模具和加工技术的限制。由此,设计人能设计各种各样的产品,并且3D打印可以快速的实现从设计到生产的过程,不会受到加工时间的限制,大大的提高了生产效率。3D打印技术已从民用产品逐渐扩展到各种领域,在材料的设计、工艺的改进、装备的升级等方面都有着大量的应用。目前,3D打印技术已在各种生产活动中得到普遍应用,包括生物医学、航空航天、汽车工业、土木建筑和食品封装等行业。

  到目前为止,发展了各种各样的3D打印技术。其中有3种工艺在长期的实践活动中得到了广泛的应用,分别是熔融沉积成型法(Fused Deposition Modeling,FDM)、光固化成型工艺(Stereo lithography Appearance,SLA)、选择性激光烧结工艺(Selective Laser Sintering,SLS)工艺。不同的打印工艺,打印材料和原理都有很大的区别,接下来就让我们认识一下这几种常见的工艺。

  熔融沉积成型法(FDM)也是一种大范围的应用于3D打印的技术,它是上世纪80年代末由美国Stratasys公司的克伦普发明的。在之后的1992年,Stratasys公司对FDM技术进行了整合,并基于此设计了第一台FDM 3D打印机——“3DModeler”,使FDM技术进入商业市场。在之后不断有学者对FDM技术进行研究,到了2009年,其关键技术专利到期,迅速涌出了大量的FDM 3D打印公司,这一些企业充分挖掘FDM技术的可使用性,使得该技术进入了快速的发展。

  熔融沉积成型工艺(FDM)的原材料一般为丝状的热塑性材料,首先将材料固定在3D打印上,将材料穿入喷头内,在打印时将切好片的三维模型导入3D打印机内。打印机的加热模块将丝状材料加热熔化,在控制模块的控制下,喷头移动到指定位置,将熔融的材料挤出到工作平台上并冷却成型。一层材料打印完之后,喷头会上升一个厚度的距离,自上而下的对三维模型进行打印。直到打印完毕,通过工具可将完成后的三维模型从工作平台取下。

  1986年,美国的查克·W·赫尔博士在一篇关于光敏树脂的论文研究中,提出了利用激光对光敏树脂表进行扫描并使其固化来制作三维物体的想法。查克·W·赫尔在提出该概念后,提交了相关的专利申请。在1988年,3D Systems公司对SLA技术进行了整合并以此为原理制造了第一台SLA 3D打印机,将其推向商业市场,得到了广泛的关注。SLA工艺也成为了最早商业化使用的3D打印工艺。自此,采取SLA工艺的3D打印机快速融入了市场,经过不断的发展,已得到了广泛的应用。

  光固化成型工艺(SLA)技术采用光敏树脂作为原材料,借助紫外激光束的照射,能够迅速将液态光敏树脂固化成型。SLA打印时,首先将光敏树脂充入工作槽当中。打印机的工作台需要移动到液面下一层厚的位置。开始打印后,计算机控制激光束对液面进行扫描,被扫描到的树脂就会固化成型,直到该层打印完毕。工作台在计算机的控制下会下降一个层厚的高度。以便新一层的液面可接受扫描,再次进行激光扫描固化的过程。整一个完整的过程不断重复,一层一层的打印,直到整个产品按照设计成型。打印完毕后,工作台回到初始位置。可将工件去除,按照使用上的要求对工件做处理,例如喷漆,电镀等处理。最终得到产品。

  选择性激光烧结工艺(SLS)技术也是一种被大范围的应用的3D打印技术。上世纪80年代末,美国德克萨斯大学的研究生Carl Robert Deckard提出了通过激光烧结来构建三维模型的概念,在1989年其成功研制了这项技术。紧接着他成立了以SLS技术为核心的DTM公司,在SLS 3D打印方面,DTM公司掌握着核心的技术,在2001年3D Systems公司对DTM公司进行了收购。但核心的研发人员仍旧保留了下来。随着不断的研究,这种打印工艺很好的融入了现代生产当中,并且由于其打印效果好,精度高,被大范围的应用于高端装备制造。

  选择性激光烧结工艺(SLS)的原材料为各种粉末状材料,包括PA粉末、石蜡、陶瓷粉末以及一些金属粉末。通过激光扫描材料使其粘接,通过材料的堆叠实现模型的打印。在打印时首先将粉末状材料放置在材料槽中,采用滚筒将粉末平铺在工作台上,计算机按照所导入的三维模型控制激光器的移动,在合适的位置激光束对原材料进行烧结,使原材料熔化,冷却后粘接成型。当一层的打印完成之后。工作台会移动一个层厚的距离,滚筒会在新的一层重新铺粉,激光器开始新一轮的烧结,直到新的一层打印完毕。这样逐层打印,直到整个模型打印完成。在烧结完成之后,可将打印完毕的模型取出对其进行后处理,完成模型的制造过程。

  随着3D打印技术的发展,慢慢的变多复杂结构被设计并应用。相信在不久的将来,3D打印技术一定会大放异彩,为现代生产制造提供巨大的推动力。(作者:中国航天科工三院301所,石晓通)