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1、第14卷 第4期广东工业大学学报 Vol.14No.41997年12月JournalofGuangdongUniversityofTechnologyDecember1997三维打印技术 ———90年代全新的成型加工工艺李卫民 张永俊(广东工业大学材料系,广州:510090)摘要 论述了90年代国际全新的“三维打印技术”,该技术无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图型数据中生成任意形状的零件.本文着重介绍了该技术的几种常见方法、原理及其应用前景.关键词 三维打印;增材制造;
2、计算机辅助设计与制造中图资料法分类号 TH164;TP391.73三维打印技术,为80年代中期发展起来的一种高新技术,是造型技术的一项突破性进[1]展.它现有十多种名称,如:增材制造(materiedincreasemanufacturing)、快速原型制作(rapidprototyping)、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)、以及桌上制造工艺(desktopmanufactur2ing)等等.该技术不同于传统手段的制造工艺,它综合应用了CAD/CAM技术、激光技术,光化学以及材料科学等绪多方面的技术和
3、知识.它最突出的优点是无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本.目前,这项技术正迅猛发展,已越来越引起人们的广泛重视.美国、日本和以色列已有十多家公司都竞相开展了这项技术的研究.其中美国的3D系统(3Dsystems)公司,早在1988年就[2]向市场推出了这种设备———立体光刻机.专家们预测,这一新型技术将在90年代得到快速[3]发展,其影响可与60年代的数控技术及80年代的特种加工技术媲美.1 三维打印技术的一般介绍三维打
4、印的工艺过程如图1所示.首先根据产品要求建立CAD模型,经过数字处理模拟,由计算机控制三维打印设备,逐层式逐点完成整个打印过程,随后再进行后处理.这就是三维打印工艺的全过程.按打印成型手段,三维打印工艺可分为:光打印法、喷涂打印和熔化沉积打印法等三大类.1.1 光打印法1.1.1 基于液态光敏树脂的成型法如图2[4],数控的激光束按照计算机给出的每一层片的形态进行扫描,图1三维打印工艺过程收稿日期:1997-11-17第4期 李卫民 张永俊:三维打印技术75使容器内的液态光敏树脂逐层固
5、化.每固化一层,工作台就沿Z方向下降一段距离,新的一层树指就在已固化层上再固化.这样逐层固化,直到打印成型结束为止,这样一个三维的塑胶件就形成了.图2 基于液态光敏树脂的成型 图3 选择性激光烧结1.1.2 选择性激光烧结法这种光打印法与基于液态光敏树脂成型法类似,只是用粉末材料代替液态光敏树脂,且激光束功率相应大些,以使其足以把粉末加热到“烧结温度”,从而把它与基体烧结在一起.最终[5]完成零件的成型过程,见图3.目前工业应用此法成型的材料有热塑料,聚合碳化物、尼龙、蜡等等.西屋公司开发了用激
6、光或电子束来进行烧结的设备,可用于钴、铁、镍合金及陶瓷的烧结.据悉,该产品已在1992年投放市场.1.2 喷涂打印法1.2.1 喷射微粒法这种方法是用一种微力的喷咀,喷射出小熔滴,小熔滴射到基体上,冷却后就形成新的一[6]层材料,如此一层层喷射,一层层增长,最终形成所需的形状,见图4.现在已有两家公司制造出了这种设备,美国的preceptionsystemInc公司所生产的原型机,可以喷射蜡微滴,以制作精密蜡模.美国的AutomatedDy2namicsCo公司生产的一种可喷射铝微滴的机器,每小时可以喷图4
7、喷射微粒制造射1kg的铝滴.“喷射微粒法”的最大好处,是它可以在同一零件上喷上不同的颜色和材料,这很适合用来制作装饰材料和非均质材料.1.2.2 三维喷射粘结法[7]此法综合了“选择性激光烧结”及“喷射微滴”这两种三维打印法的特点.如图5所示.微型喷头喷射粘有粘结剂的微粒到需要粘结的地方,逐层喷射直到整个零件坯完成为止.这样的零件坯还要在120℃的温度下热处理2h,取出后去掉未粘结的粉末,还要在1000～1500℃的76广东工业大学学报 第14卷温度下焙烧以保证零件达到足够的机械及
8、耐热强度.这种方法是由美国麻省理工大学开发的,主要用于制造陶瓷铸模,铸芯(用于失蜡铸造)及多孔陶瓷坯(再用液态金属渗浸后形成金属陶瓷复合物零件).1.3 熔化沉积法这种方法是通过XY控制的加热头来送出熔化的材料于基体或已固化的材料上,由于底层材料较冷,从而使熔化的材料沉积固化.这样逐层,逐带生成出所[8]需要的零件,见图6.采用的材料可以是热塑性材料,也可以是金属带或丝.对于金属材料可用电孤焊的方法
