3D打印技术发展综述.docx

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1、3D 打印技术进展综述摘要:3D 打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一,被应用于多个领域,并渐渐惠及百姓。介绍了几种最的 3D 打印技术,与传统技术进展了比较,并分析了各自的特点。这些技术很大程度上抑制了成型效率不高、成型精度低、成型材料单一等局限性。3D 打印技术的进展趋势,值得相关研发单位高度重视,以取得更进一步的革命性突破,促进产业化进展。关键词:3D 打印技术;快速成型;进展趋势引言3D 打印技术是兴的制造技术。就其技术特征而言,一是依据三维CAD 设计数据,承受液体、粉末、丝、片等材料逐层累加的方式制造实体零件,故也称作增材制造技术;二是不仅可以制造出任意简洁外形的零件, 还大

2、大削减了加工工序,缩短了加工周期1,故也称作快速成型技术。3D 打印技术为 21 世纪最具代表性制造技术之一,使制造工艺、技术、模式产生了根本性变化,越来越受到工业界和投资界的关注,不仅推动了经济进展,也影响着人类生活方式。目前,3D 打印技术已在多个领域,如电子产品、工业设计、汽车、航天、建筑、生物医疗及珠宝首饰、鞋类等领域的共性化定制得到应用。由于多方面的瓶颈与挑战,3D 打印技术的进一步扩展应用仍受到限制。推动其进展并扩展其应用领域方面,该技术正在朝着提升打印速度和精度、扩展或开发材料的方向上进展。本文在技术、材料等方面进展了探究分析。13D 打印进展趋势3D 打印技术的局限与挑战主要表

3、现在:一是速度、效率和精度存在严峻冲突,3D 打印速度提升的同时打印成品精度不尽人意;二是受打印机工作原理的限制,考虑了打印精度的同时打印效率远不适应大规模生产需求;三是由于打印材料的制约,很多金属材料、陶瓷材料等打印件相比传统工艺仍存在致密度低和内应力大等问题。3D 打印的成型材料多承受有机高分子材料,选择局限性较大,成型品物理特性较差2。看到 3D 打印技术和产业的进展前景,大企业致力创高效、高精度的打印技术进展,主要有四种:一是CLIP 技术,即“连续液界面生产工艺”;二是PolyJet 技术,即光固化三维打印;三是MSL 技术,即微立体光刻;四是超材料打印技術。2 技术研发2、1 高速

4、度、高精度的光固化 3D 打印CLIP现有光固化成型方法是利用液态树脂,层层构筑物体构造,即先打印一层,矫正外形,再灌入树脂,再重复之前的步骤,打印速度和精度不行兼得。2023 年 3 月 20 日,Carbon3D 公司的Tumbleton 等人在美国Science 杂志上发表了一项具有颠覆性的 3D 打印技术3:CLIP 技术, 即“连续液界面生产工艺”,其工作原理为:在底部有一个能通过紫外线和氧的窗口,紫外线使树脂聚合固化,而氧气起阻聚作用,这两个冲突体使得靠近窗口局部的树脂聚合缓慢仍呈液态,这一区域称为“死区”。 “死区”上方树脂在紫外线作用下固化,已成型的物体被工作台上移,树脂连续固

5、化,直到打印完成为止,如图 1 所示。CLIP 技术在提高了精度的同时,打印速度可以提升 100 倍。加拿大 3D 打印机制造商NewPro3D 的 ILIIntelligentLiquidInterface3D 打印技术与CLIP 原理相像,但速度比后者还要快 30%。这项技术目前已经得到了应用,可以在不到 45 分钟时间内“打印”一名患者的完整原尺寸颅骨模型。此前,医生和患者想要拿到这些模型往往需要等上至少一周。2023 年 4 月,3DSytem 公司呈现了一款全的工业级立体光固化成型SLA3D 打印机,Figure44,打印过程包括一系列的流水线式 3D 打印及打印后期处理,显著特征是

6、使用了一个机器人手臂。打印原理与 CLIP 有些类似:液态光敏树脂在光源的照耀下逐层固化成 3D 打印件,同时被作为打印平台的机械臂末端自下而上快速拉出。由于光源和树脂之间存在一种专业膜,这个过程只需数分钟,如图 2a 和图 2b 所示。假设可以创立一个该设备的阵列,将进一步缩短制作时间,实现SLA 部件的大规模制造。2、2 多颜色、多材料的混合 3D 打印PolyJet传统 3D 打印的单调颜色和单一材质已不能满足人们的需求。特别是在消费品、共性化定制、服饰鞋类等领域,能够实现多颜色、混合材料设计与制造的 3D 打印技术将成为突破关键。目前,实现多颜色、多材料打印的有粘结剂三维打印和光固化三

7、维打印,前者通过喷射不同颜色的液体粘结剂将粉体材料粘结,打印出彩色模型;后者由喷嘴喷射液态光敏树脂, 再承受紫外光固化来成型。如原Objet 公司推出的PolyJet 技术即是光固化三维打印,可在机外混合多种根底材料,得到性能更佳的材料,而且 通过不同颜色树脂的混合,可以打印上百种色调。在PolyJet 的根底上, 后来推出了PolyJetMatri 技术,可以同时喷射不同型号材料,结合两种根底材料的特性从而生成复合材料,也可在单个建筑工作中打印具有不同机械和物理性能材料组成的零部件。美国ZCorporation 公司基于粘结剂三维打印技术最先推出全真彩色原型件打印设备。3DSytem 公司基

8、于PolyJet 技术的高端机型ProJet660Pro 和 ProJet860Pro 可以使用 CMYK青色、洋红、黄色、黑色 4 种颜色的粘结剂,实现 600 万种以上的颜色。美国麻省理工学院研发出了一种“多种制造”系统5,通过喷墨打印头的微液滴混合了光敏聚合物,不仅能够一次打印 10 种材料,而且可自我校正,保证打印精度,更是能够将简洁的电子器件直接植入对象。该争论团队已经使用该系统来打印智能手机、LED 镜头等物品。2023 年 4 月,Stratay 公布了最的多材料全彩 3D 打印机 J7506, 如图 3 所示。这款机器有 6 个喷嘴,能够实现 36 万种颜色深浅不同、软硬不同和

9、透亮度不同塑料的 3D 打印,并且可以将多种材料一次打印出来, 而不用分别打印再组装,相对传统的消费品和鞋类制造,效率大大提高。J750 最小打印层厚度可达 14m,打印出的原型几乎与真正产品一样。2、3 金属材料功能零件的 3D 打印MSL 等与非金属材料的原型制造相比,金属材料 3D 打印的目的是直接制造, 其打印工艺包括选择性激光溶化成形SLM、激光近净成形LENS、电子束快速成形EBRM、聚能光束制造技术DLF等。目前,3D 打印的一些金属材料要具有与传统技术成型的金属材料相当的甚至更好的性能, 还要解决精度和外表粗糙度、内应力大、致密度低以及内部组织缺陷等问 题。各大高校、争论所对以

10、上问题做了大量争论,北京航空航天大学王华明团队突破了激光快速成形TA15 钛合金大型构造件内部缺陷和内部质量把握及其无损检验关键技术,争论结果说明飞机构件综合力学性能到达甚至超过钛合金模锻件水平8。西北工业大学黄卫东团队在争论激光立体成型技术工艺的同时,进展了成型件微观组织形成规律的争论,在进一步严格把握工艺条件的根底上,获得了具有定向乃至单晶组织的试样,并在总结优化工艺后,获得了不同合金的激光立体成型件,成型件内部致密, 外表质量良好无缺陷9。3D 打印并非传统技术的一个替代或补充。将 3D 打印快速成型的优势与传统技术优点结合起来,则是复合制造技术,对难加工的简洁外形高性 能零件是一条路径

11、。华中科技大学史玉升团队将 SLM 与 HIP热等静压 技术相结合,可在短时间内将粉末致密化为近净成形或局部成形的简洁高 性能零件10。华中科技大学张海鸥团队开展了等离子体激光复合直接成 形的弧柱形态与成形特性的争论,得到了激光对等离子弧形态有重要影响, 且可提高直接成形精度的结论11。简洁外形金属功能零件在航空航天、国防、能源、交通等尖端支柱领域具有重要应用,金属零件通过 3D 打印技术直接制造是先进制造技术的重要进展方向。一局部高性能的金属零件可通过 3D 打印直接制造,但其性能和精度还需进一步提升,目前可实行的措施主要有两个方面:一是通过调整 3D 打印设备的工艺参数,比方铺粉工艺、扫描

12、定位技术、能量束密度大小等把握金属成型件的性能;二是将金属 3D 打印与传统成型技术结合,相互取长补短。将来,开发高效率、高性价比、大范围和结合传统机加工方法的SLM 设备,是金属 3D 打印的进展方向之一。2、4 超材料、功能梯度材料的 3D 打印“超材料”是指具有自然材料所不具备的超常物理性质的人工复合构造或復合材料。假设对材料的关键物理尺度上的构造进展有序设计,可以使材料突破一些表观自然规律的限制,从而获得超出自然界固有的一般性质的超常功能材料。功能梯度材料是选用两种或多种性能不同的材料, 通过连续地转变这两种或多种材料,使其组成构造和性能物理、化 学、生物单一或综合性能在材料厚度或长度

13、方向连续或准连续缓慢变化, 以实现其中一特别功能。这种非均质复合材料称为功能梯度材料。3D 打印技术是通过材料“逐点累积形成面,逐面累积成为体”制造实体零件,这一成形原理给材料微观构造设计制造供给了契机,使超材料和梯度材料制备更简洁进展。西安交通大学的李涤尘等通过把握激光金属直接成形过程环境温度等工艺参数,把握了零件内部组织定向结晶组织的形成12。美国NASA 喷气推动试验室的争论人员承受激光沉积LD和旋转沉积相结合的方法,实现了样件的成分梯度从中心沿径向成放射状转变,通过有目的性的梯度组成转变了零件的机械及物理特性13。微立体光刻MSL是在传统 3D 打印工艺,SLA 根底上进展起来的一种型

14、微细加工技术14,它是在微观尺度上进展的 3D 打印,精度极高, 不仅可以 3D 打印一般物体,而且能够打印出该物体的微观构造。美国劳伦斯利弗莫尔国家试验室和麻省理工学院承受面投影微立体光刻技术, 通过对材料内部构造的设计,打印出重量极轻、强度和硬度格外高的超材料15,其中一种具有微架构的超材料,具有 1 万倍以上的刚度,并且可以用各种材料,如金属或聚合物 3D 打印而成。材料的微观组织和构造对其性能有打算性作用,传统制造技术只能在宏观上进展构造设计与制造,无法满足人们对材料性能的更高要求。微立体光刻 3D 打印技术通过实时准确把握打印工艺参数和送进材料的组成和组分,实现同一构件上均匀材料或多

15、材料的任意复合,以及超材料和梯度材料的制造,在微观到宏观尺度上实现同步制造,实现性能材料构造一体化1,使材料更强、更硬、更轻。可以预见,超材料应用前景格外宽阔,比方可以打印移动设备的电池、自行车车架、汽车零部件、航空航天工程件、假肢等。3D 打印技术本身就与材料科学息息相关,所以超材料的产生又必将反哺并推动 3D 打印技术的进展。3 技术比较与特点为了突破目前 3D 打印技术的进展瓶颈,型 3D 打印技术或是在传统3D 打印技术工艺方面加以进展或改进,或是将几种传统 3D 打印工艺进展整合,或是将 3D 打印技术与传统制造技术相结合。通过比较,各自特点包括:CLIP 具有速度快、精度高和力学性

16、能优等特点。CLIP 与SLA 技术比较,原理都是光固化成型。然而不同之处在于,CLIP 的固化层下面存在液态“死区”,使树脂层可以被切得更薄,从而从树脂材料中逐出模型; 而传统的SLA 需逐层打印。因此,CLIP 技术可以同时提高打印速度与精度。PolyJet 具有精度高、支持多材料多颜色打印,以及环保等特点。PolyJet 是将三维喷射技术与光固化相结合,相比传统的SLA,由于液态光敏树脂是以小液滴形式喷射,产品外表精度高,无台阶感。重要的是PolyJet 技术通过不同材料、颜色的混合,从而实现多材料多颜色打印。MSL 具有本钱低、效率高、图形化面积大等特点,相比传统 SLA 技术, 由于

17、承受更小的激光光斑数m,树脂在格外小的面积发生光固化反 应,在微观尺度上进展材料 3D 打印。微立体光刻承受层厚通常是 1 10m。金属材料 3D 打印与传统减材制造技术相结合的复合制造技术,既在确定程度上提升了传统制造工艺的速度、简化了简洁外形成型件的加工, 又弥补了金属材料 3D 打印成型质量和精度不高等缺陷。CLIP、PolyJet 及MSL 都是由SLA 进展而来,目前打印材料主要是光敏树脂,但各自有侧重点:CLIP 致力于提高打印速度与精度;PolyJet 侧重打印多色多材料;MSL 是通过微观打印从而把握材料微观构造,而金属材料的 3D 打印基于高能束熔融成型。4 结语随着先进技术、多样材料和智能软件的快速进展,3D 打印技术不仅有了有用产品,有的领域已有较大的产业规模,呈现良好进展前景。本文从提高 3D 打印速度和精度的技术、多颜色和多材料的混合一次打印、金属零件的直接打印和超材料的打印几个方面介绍了 3D 打印技术将来的进展趋势,并进展了技术比照。可以预见,将来 3D 打印将不断攻克技术瓶颈,应用越来越广,极大改善人们的生活。

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