第一篇：3D打印技術(shù)之SLS(選擇性燒結(jié)成型法)

3D打印技術(shù)之SLS（選擇性燒結(jié)成型法）

粉末材料選擇性燒結(jié)（Selected Laser Sintering）

粉末材料選擇性燒結(jié)采用二氧化碳激光器對粉末材料（塑料粉等與粘結(jié)劑的混合粉）進(jìn)行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點(diǎn)一層層堆集成三維實(shí)體的快速成型方法。

粉末材料選擇性燒結(jié)采用二氧化碳激光器對粉末材料（塑料粉、陶瓷與粘結(jié)劑的混合粉、金屬與粘結(jié)劑的混合粉等）進(jìn)行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點(diǎn)一層層對集成三維實(shí)體的工藝方法。

在開始加工之前，先將充有氮?dú)獾墓ぷ魇疑郎兀⒈３衷诜勰┑娜埸c(diǎn)一下。成型時(shí)，送料筒上升，鋪粉滾筒移動(dòng)，先在工作平臺(tái)上鋪一層粉末材料，然后激光束在計(jì)算機(jī)控制下按照截面輪廓對實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié)，使粉末溶化繼而形成一層固體輪廓。

第一層燒結(jié)完成后，工作臺(tái)下降一截面層的高度，在鋪上一層粉末，進(jìn)行下一層燒結(jié)，如此循環(huán)，形成三維的原型零件。最后經(jīng)過5-10小時(shí)冷卻，即可從粉末缸中取出零件。未經(jīng)燒結(jié)的粉末能承托正在燒結(jié)的工件，當(dāng)燒結(jié)工序完成后，取出零件。粉末材料選擇性燒結(jié)工藝適合成型中小件，能直接的到塑料、陶瓷或金屬零件，零件的翹曲變形比液態(tài)光敏樹脂選擇性固化工藝要小。但這種工藝仍需對整個(gè)截面進(jìn)行掃描和燒結(jié)，加上工作室需要升溫和冷卻，成型時(shí)間較長。此外，由于受到粉末顆粒大小及激光點(diǎn)的限制，零件的表面一般呈多孔性。

在燒結(jié)陶瓷、金屬與粘結(jié)劑的混合粉并得到原型零件后，須將它置于加熱爐中，燒掉其中的粘結(jié)劑，并在孔隙中滲入填充物，其后處理復(fù)雜。粉末材料選擇性燒結(jié)快速原型工藝適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可視化表現(xiàn)和制作功能測試零件。由于它可采用各種不同成分的金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)、進(jìn)行滲銅等后處理，因而其制成的產(chǎn)品可具有與金屬零件相近的機(jī)械性能，但由于成型表面較粗糙，滲銅等工藝復(fù)雜，所以有待進(jìn)一步提高。

選擇性激光燒結(jié)（SLS）優(yōu)點(diǎn)

?（1）可以采用多種材料。從理論上說，任何加熱后能夠形成原子間粘結(jié)的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。

?（2）過程與零件復(fù)雜程度無關(guān)，制件的強(qiáng)度高。

?（3）材料利用率高，為燒結(jié)的粉末可重復(fù)使用，材料無浪費(fèi)。?（4）無須支撐結(jié)構(gòu)。

?（5）與其他成型方法相比，能生產(chǎn)較硬的模具。SLS的缺點(diǎn)

?（1）原型結(jié)構(gòu)疏松、多孔，且有內(nèi)應(yīng)力，制作易變性。?（2）生成陶瓷、金屬制件的后處理較難。?（3）需要預(yù)熱和冷卻。

?（4）成型表面粗糙多孔，并受粉末顆粒大小及激光光斑的限制。?（5）成型過程產(chǎn)生有毒氣體及粉塵，污染環(huán)境。

第二篇：3D打印粉末燒結(jié)成型材料

3D打印粉末燒結(jié)成型材料——覆膜砂和覆膜陶瓷粉末

覆膜砂粉末、覆膜陶瓷粉末材料

（1）覆膜砂

與鑄造用覆膜砂類似，采用熱固性樹脂，如酚醛樹脂包覆鋯砂(ZrO2)、石英砂(SiO2)的方法制得。利用激光燒結(jié)方法，制得的原型可以直接當(dāng)作鑄造用砂型（芯）來制造金屬鑄件，其中鋯砂具有更好的鑄造性能，尤其適合于具有復(fù)雜形狀的有色合金鑄件，如鎂、鋁等合金的鑄造。

材料成分：包覆酚醛樹脂的石英砂或鋯砂，粒度160目以上；

應(yīng)用：用于制造砂型鑄造的石英或鋯型（芯）；

應(yīng)用實(shí)例：砂型鑄造及型芯的制作，適用于單件、小批量砂型鑄造金屬鑄件的生產(chǎn)，尤其適合用于傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的金屬鑄件。

（2）覆膜陶瓷粉

與覆膜砂的制作過程類似，被包覆陶瓷粉可以是Al2O3、ZrO2和SiC等，激光燒結(jié)快速成型后，結(jié)合后處理工藝，包括脫脂及高溫?zé)Y(jié)，可以快捷地制造精密鑄造用型殼，進(jìn)而澆注金屬零件。

也可以直接制造工程陶瓷制件，燒結(jié)后再經(jīng)熱等靜壓處理，零件最后相對密度高達(dá)99.9%，可用于含油軸承等耐磨、耐熱陶瓷零件。

第三篇：選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)的工藝與應(yīng)用

選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)的研究與應(yīng)用

摘要：介紹了選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)的基本原理、工藝過程和特點(diǎn)，闡述了激光燒結(jié)技術(shù)的材料和設(shè)備的選擇，列舉了激光燒結(jié)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域特別是模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用，并且分析了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題以及前景的展望。關(guān)鍵詞：快速成型；選擇型激光燒結(jié)（SLS）；模具制造 1.引言

快速原型技術(shù)（Rapid Prototyping，PR）是一種涉及多學(xué)科的新型綜合制造技術(shù)。它是借助計(jì)算機(jī)、激光、精密傳動(dòng)和數(shù)控技術(shù)等現(xiàn)代手段，根據(jù)在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造的三位模型，能在很短時(shí)間內(nèi)直接制造產(chǎn)品模型或樣品。快速原型技術(shù)改善了設(shè)計(jì)過程中的人機(jī)交流，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期，加快了產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度，降低了企業(yè)投資新產(chǎn)品的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

選擇性激光燒結(jié)機(jī)技術(shù)（Selective Laser Sintering，SLS）作為快速原型技術(shù)的常用工藝，是利用粉末材料在激光照射下燒結(jié)的原理，在計(jì)算機(jī)控制下層層堆積成型。與其他快速成型工藝相比，其最大的獨(dú)特性是能夠直接制作金屬制品，而且其工藝比較簡單、精度高、無需支撐結(jié)構(gòu)、材料利用率高。本文主要介紹選擇型激光燒結(jié)成型技術(shù)的基本原理、工藝特點(diǎn)、材料設(shè)備選擇以及應(yīng)用等內(nèi)容。2.選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）

2.1 選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）的基本原理和工藝過程

選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）工藝是一種基于離散-堆積思想的加工過程，其成形過程可分為在計(jì)算機(jī)上的離散過程和在成形機(jī)上的堆積過程，簡單描述如下：

（1）離散過程。首先用CAD軟件，根據(jù)產(chǎn)品的要求設(shè)計(jì)出零件的三維模型，然后對三維模型進(jìn)行表面網(wǎng)格處理，常用一系列相連三角形平面來逼近自由曲面，形成經(jīng)過近似處理的三維CAD模型文件。然后根據(jù)工藝要求，按一定的規(guī)則和精度要求，將CAD模型離散為一系列的單元，通常是由Z向離散為一系列層面，稱之為切片。然后將切片的輪廓線轉(zhuǎn)化成激光的掃描軌跡。

（2）堆積過程。首先，鋪粉滾筒移至最左邊，在加工區(qū)域內(nèi)用滾筒均勻地鋪上一層熱塑性粉狀材料，然后根據(jù)掃描軌跡，用激光在粉末材料表面繪出所加工的截面形狀，熱量使粉末材料熔化并在接合處與舊層粘接。當(dāng)一層掃描完成后，重新鋪粉、燒結(jié)，這樣逐層進(jìn)行，直到模型形成。因而SLS工藝是一種基于離

散堆積成形的數(shù)字化生產(chǎn)技術(shù)，通過離散把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列的二維制造的疊加，把零件的制造過程轉(zhuǎn)化為有序的簡單單元體的制造與結(jié)合過程，其意義是十分深遠(yuǎn)的。

圖1 SLS工藝基本原理

2.2 選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）的工藝特點(diǎn)

（1）SLS技術(shù)可以制成幾何形狀任意復(fù)雜的零件模具，而不受傳統(tǒng)機(jī)械加工方法中刀具無法到達(dá)某些型面的限制。

（2）制造過程中不需要設(shè)計(jì)模具，也不需要傳統(tǒng)的刀具或工裝等生產(chǎn)準(zhǔn)備工作，加工過程只需在一臺(tái)設(shè)備上完成，成形速度快。用于模具制造，可以大大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低費(fèi)用，一般只需傳統(tǒng)加工方法30%-50%的工時(shí)和20%~35%的成本。

（3）實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)制造一體化。CAD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化(分層和層面信息處理)可100%地自動(dòng)完成，根據(jù)層面信息可自動(dòng)生成數(shù)控代碼，驅(qū)動(dòng)成形機(jī)完成材料的逐層加工和堆積。

（4）屬非接觸式加工，加工過程中沒有振動(dòng)、噪聲和切削廢料。（5）材料利用率高，并且未被燒結(jié)的粉末可以對下一層燒結(jié)起支撐作用，因此SLS工藝不需要設(shè)計(jì)和制作復(fù)雜的支撐系統(tǒng)。

（6）成形材料多樣性是選擇性激光燒結(jié)最顯著的特點(diǎn)，理論上凡經(jīng)激光加熱后能在粉末間形成原子聯(lián)接的粉末材料都可作為SLS成形材料。目前已商業(yè)

化的材料主要有塑料粉、蠟粉、覆膜金屬粉、表面涂有粘結(jié)劑的陶瓷粉、覆膜沙等。

3.選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）的材料和設(shè)備 3.1 選擇性激光燒結(jié)快速成型材料

選擇性激光燒結(jié)工藝材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、石蠟等材料的零件。特別是可以直接制造金屬零件，這是SLS工藝頗具吸引力。

用于SLS工藝的材料有各類粉末，包括金屬、陶瓷、石蠟以及聚合物的粉末，其粉末粒度一般在50-125微米之間。間接SLS用的復(fù)合粉末通常有兩種混合型式：一種是粘結(jié)劑粉末與金屬或陶瓷粉末按一定比例機(jī)械混合；另一種則是把金屬或陶瓷粉末放到粘結(jié)劑稀釋液中，制取具有粘結(jié)劑包裹的金屬或陶瓷粉末。實(shí)驗(yàn)表明，后者制備雖然復(fù)雜，但燒結(jié)效果較前者好。

國外的許多快速原型系統(tǒng)開發(fā)公司和使用單位開發(fā)了許多適合于快速原型工藝的材料，其中在SLS領(lǐng)域，以DTM公司所開發(fā)的成型材料最具代表性。我國的快速成型材料及工藝研究相對落后，目前還處于起步階段，與國外相比還有較大差距。雖然已有多家單位進(jìn)行了研究，但還沒有專門的成型材料生產(chǎn)及銷售單位。

3.2 選擇性激光燒結(jié)快速成型制造設(shè)備

研究選擇性激光燒結(jié)設(shè)備工藝的單位有美國的DTM公司、3D Systems公司、德國的EOS公司，以及國內(nèi)的華中科技大學(xué)、北京隆源公司和中北大學(xué)等。其中，國內(nèi)華中科技大學(xué)的HRPS—ⅢA激光粉末燒結(jié)系統(tǒng)，在SLS掃描系統(tǒng)、切片模塊、數(shù)據(jù)處理、工藝規(guī)劃、和安全監(jiān)控等技術(shù)方面有自己先進(jìn)的特點(diǎn)。

圖2 選擇性激光燒結(jié)設(shè)備

4.選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）的應(yīng)用

4.1 選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）在快速原型制造中的應(yīng)用

可快速制造設(shè)計(jì)零件的原型，及時(shí)進(jìn)行評價(jià)、修正以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量；使客戶獲得直觀的零件模型；制造教學(xué)、試驗(yàn)用復(fù)雜模型。單件或小批量生產(chǎn)。對于那些不能批量生產(chǎn)或形狀很復(fù)雜的零件,利用SLS 技術(shù)來制造,可降低成本和節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間,這對航空航天及國防工業(yè)更具有重大意義。4.2 選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）在模具制造中的應(yīng)用

（1）采用SLS技術(shù)直接制造模具。美國DTM公司于1994年推出Rapid Steel制造技術(shù)，在SLS—2000系統(tǒng)中燒結(jié)表面包覆樹脂材料的鐵粉，初次成形零件后，置人銅粉中再一起放人高溫爐進(jìn)行二次燒結(jié)，制造出的注塑模在性能上相當(dāng)于7075鋁合金，壽命可達(dá)5萬件以上。

（2）采用SLS技術(shù)快速制作高精度的復(fù)雜塑料模，代替木模進(jìn)行砂型鑄造。或者將鑄造樹脂砂作為巧燒結(jié)材料，直接生產(chǎn)出帶有鑄件型腔的樹脂砂模型, 進(jìn)行一次性澆鑄。在鑄造行業(yè)中, 傳統(tǒng)制造木模的方法，不僅周期長、精度低，而且對于一些復(fù)雜的鑄件，例如葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋等制造木模困難。采用SLS技術(shù)可以克服傳統(tǒng)制模方法的上述問題，制模速度快，成本低，可完成復(fù)雜模具的整體制造。

（3）選擇易熔消失模料作為燒結(jié)材料，采用SLS技術(shù)快速制作消失模，用于熔模鑄造，得到金屬精密制件或模具。運(yùn)用SLS技術(shù)能制造出任意復(fù)雜形狀的蠟型，實(shí)現(xiàn)快速、高精度、小批量生產(chǎn)。

（4）根據(jù)原型制造精度較高的EDM電極，然后由電火花加工模具型腔。一個(gè)中等大小，較為復(fù)雜的電極，通常只需要4到8小時(shí)即可完成，而且復(fù)形精度完全能滿足圖紙的要求。福特汽車公司曾采用此技術(shù)制造汽車模具取得了滿意的效果。

（5）以SLS成形實(shí)體為母模，翻制硅橡膠模，石膏模，環(huán)氧樹脂模，或者通過RP技術(shù)制作模具的基本原型，然后對其進(jìn)行表面處理，通過金屬冷噴涂或電鑄等方法，在原型表面形成一定厚度且具有一定強(qiáng)度、硬度和表面質(zhì)量的薄膜制作模具。

（6）將RP技術(shù)與精密鑄造技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)金屬模具的快速制造。上海

交通大學(xué)開發(fā)了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的鑄造模樣計(jì)算機(jī)輔助快速制造系統(tǒng)，為汽車行業(yè)制造了多種模具，北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司也為企業(yè)制造了多種精密鑄模。

5.選擇性激光燒機(jī)技術(shù)（SLS）的現(xiàn)狀與展望

近十幾年來SLS技術(shù)得到了飛速發(fā)展，獲得了良好的應(yīng)用效果，但作為一項(xiàng)新興制造技術(shù)，尚處于一個(gè)不斷發(fā)展、不斷完善的過程之中。目前,SLS技術(shù)存在能量消耗大、成形件內(nèi)部疏松多孔、表面粗糙度較大，機(jī)械性能低等缺點(diǎn)，直接燒結(jié)金屬零件模具的技術(shù)也不成熟，需要復(fù)雜的后處理工藝，以此還有很大的發(fā)展空間。

（1）成形工藝和設(shè)備的開發(fā)與改進(jìn)，以提高成型件的表面質(zhì)量、尺寸精度和機(jī)械性能。

（2）新材料成型機(jī)理、成型性的研究與開發(fā)，為SLS 提供具有良好綜合性能的燒結(jié)粉末材料及形成快速成型材料的商品化。

（3）探索SLS 技術(shù)與傳統(tǒng)加工、特種加工等技術(shù)相結(jié)合的多種加工手段的綜合工藝，為快速模具、工具制造提供新的技術(shù)手段。

（4）后處理工藝的優(yōu)化。利用SLS 雖可直接成型金屬零件，但成型件的機(jī)械性能和熱學(xué)性能還不能很好滿足直接使用的要求，經(jīng)后處理后可明顯得到改善，但對尺寸精度有所影響，這就需要優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)有的后處理工藝以提高綜合質(zhì)量。

我國SLS技術(shù)起步比較晚，起點(diǎn)比較低，雖然經(jīng)過近幾年的發(fā)展取得了一系列的進(jìn)步和成績，但同時(shí)應(yīng)該清醒的認(rèn)識到與國外先進(jìn)水平的差距。因此，我們務(wù)必加緊包括選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)在內(nèi)的快速原型技術(shù)的發(fā)展，以適應(yīng)新形勢下制造業(yè)的國際競爭。6.結(jié)語

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS），是一種基于離散—堆積思想的加工過程，根據(jù)所選材料的差異有不同的工藝方法和加工方式。由于自身優(yōu)勢，SLS已經(jīng)得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，但也存在一些缺陷和不足。只有在實(shí)際工作中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，才能設(shè)計(jì)出既滿足使用要求有滿足燒結(jié)工藝要求的模型。隨著SLS 技術(shù)的發(fā)展,新工藝、新材料的不斷出現(xiàn),勢必會(huì)對未來的實(shí)際零件制造產(chǎn)生重大影響，對制造業(yè)產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

第四篇：3D打印技術(shù)之SLA(立體光固化成型法)

3D打印技術(shù)之SLA（立體光固化成型法）

SLA（Stereo lithography Appearance），即立體光固化成型法。SLA技術(shù)3d打印機(jī)的原理

用特定波長與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面順序凝固，完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度，再固化另一個(gè)層面。這樣層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。

SLA是最早實(shí)用化的快速成形技術(shù)，采用液態(tài)光敏樹脂原料，工藝原理如圖所示。其工藝過程是：

首先，通過CAD設(shè)計(jì)出三維實(shí)體模型，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)掃描路徑，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將精確控制激光掃描器和升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)；

其次，激光光束通過數(shù)控裝置控制的掃描器，按設(shè)計(jì)的掃描路徑 照射到液態(tài)光敏樹脂表面，使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層樹脂固化后，當(dāng)一層加工完畢后，就生成零件的一個(gè)截面；

然后，升降臺(tái)下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂，再進(jìn)行第二層掃描，第二固化層牢固地粘結(jié)在前一固化層上，這樣一層層疊加而成三維工件原型，最后，將原型從樹脂中取出后，進(jìn)行最終固化，再經(jīng)打光、電鍍、噴漆或著色處理即得到要求的產(chǎn)品。

SLA技術(shù)主要用于制造多種模具、模型等；還可以在原料中通過加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)！LA技術(shù)成形速度較快，精度較高，但由于樹脂固化過程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。因此開發(fā)收縮小、固化快、強(qiáng)度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢。

SLA 技術(shù)的優(yōu)勢

1.光固化成型法是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，成熟度高，經(jīng)過時(shí)間的檢驗(yàn)。

2.由CAD數(shù)字模型直接制成原型，加工速度快，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，無需切削工具與模具。

3.可以加工結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具。4.使CAD數(shù)字模型直觀化，降低錯(cuò)誤修復(fù)的成本。

5.為實(shí)驗(yàn)提供試樣，可以對計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與校核。6.可聯(lián)機(jī)操作，可遠(yuǎn)程控制，利于生產(chǎn)的自動(dòng)化。SLA 技術(shù)的缺陷

1.SLA系統(tǒng)造價(jià)高昂，使用和維護(hù)成本過高。

2.SLA系統(tǒng)是要對液體進(jìn)行操作的精密設(shè)備，對工作環(huán)境要求苛刻。3.成型件多為樹脂類，強(qiáng)度，剛度，耐熱性有限，不利于長時(shí)間保存。4.預(yù)處理軟件與驅(qū)動(dòng)軟件運(yùn)算量大，與加工效果關(guān)聯(lián)性太高。

5.軟件系統(tǒng)操作復(fù)雜，入門困難；使用的文件格式不為廣大設(shè)計(jì)人員熟悉。

第五篇：3D打印快速成型技術(shù)

特種加工論文

題目3D打印快速成型技術(shù)

姓名 專業(yè) 班級 學(xué)號

3D打印快速成型技術(shù)

摘要：

本文主要介紹了特種加工中3D打印快速成型技術(shù)，首先介紹它的加工原理，然后分析它的特點(diǎn)、加工方式，然后說明其在實(shí)際生產(chǎn)中的主要應(yīng)用以及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：特種加工技術(shù)，3D打印快速成型，特點(diǎn)，應(yīng)用。

Abstract：

This article mainly introduced the special processing of 3 d printing rapid prototyping technology, introduces its processing principle, and analyzes its characteristics, processing methods, and then explain the main application in practical production and the development direction.Key words：Special processing technology, 3 d printing rapid prototyping, characteristics, application.一、引言

3D打印（3D PRINTING）即3D打印技術(shù)，又3D打印制造是20世紀(jì)80年代才興起的一門新興的技術(shù)，是21世紀(jì)制造業(yè)最具影響的技術(shù)之一。隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息高速公路加快了科技傳播的速度，產(chǎn)品的生命周期越來越短，企業(yè)之間的競爭不再只是質(zhì)量和成本上的競爭，而更重要的是產(chǎn)品上市時(shí)間的競爭。因此，通過計(jì)算機(jī)仿真和3D打印增加產(chǎn)品的信息量，以便更快的完成設(shè)計(jì)及其制造過程，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程的時(shí)間周期盡量縮短，防止投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)問題造成不可挽回的損失。

3D打印技術(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造復(fù)雜形狀的三維實(shí)體的技術(shù)總稱。簡單的講，3D打印制造技術(shù)就是快速制造新產(chǎn)品首版樣件的技術(shù)，它可以在沒有任何刀具、模具及工裝夾具的情況下，快速直接的實(shí)現(xiàn)零件的單件生產(chǎn)。該技術(shù)突破了制造業(yè)的傳統(tǒng)模式，特別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)、單件或少批量產(chǎn)品試制等。它是機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)CAD、電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、材料科學(xué)等多學(xué)科相互滲透與交叉的產(chǎn)物。它可快速，準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛄慵员氵M(jìn)行快速評估，修改及功能測試，從而大大縮短產(chǎn)品的研制周期，減少開發(fā)費(fèi)用，加快新產(chǎn)品推向市場的進(jìn)程。

自從美國3D公司在1987年推出世界上第一臺(tái)商用快速原形制造設(shè)備以來，快速原形技術(shù)快速發(fā)展。投入的研究經(jīng)費(fèi)大幅增加，技術(shù)成果豐碩。原形化系統(tǒng)產(chǎn)品的銷量高速增長。在這方面美國，日本一直處于領(lǐng)先地位，我國在這方面起步較晚，但是奮起直追，開展研究并取得一定成果，國內(nèi)也有些成熟的產(chǎn)品問世，他們正在各種生產(chǎn)領(lǐng)域上發(fā)揮著作用。

二、打印系統(tǒng)的工作原理

3D打印技術(shù)是一種逐層制造技術(shù)，它采用離散/堆積成型原理，其過程是：先得到所需零件的計(jì)算機(jī)三維曲面或?qū)嶓w模型；然后根據(jù)工藝要求，將其按一定厚度進(jìn)行分層，將原來的三維模型變成二維平面信息，即離散過程；再將分層后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，加入加工參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼；在微機(jī)控制下，數(shù)控系統(tǒng)以平面加工方式，有序地連續(xù)加工出每個(gè)薄層，并使它們自動(dòng)粘接而成型，從而制造出所需產(chǎn)品的實(shí)物樣件或成品，這就是材料的堆積過程。已知自由曲面CAD模型，如果使用傳統(tǒng)的方法和數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，那么復(fù)雜的自由曲面，成本高，效率低。近年來，3D打印即廣泛的被運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中。各種3D打印技術(shù)的過程都包括CAD模型建立、生成STL文件格式、3D打印制作、模型分層切片和后置處理五個(gè)步驟。

三、打印過程

（1）三維設(shè)計(jì)

三維打印的設(shè)計(jì)過程是：先通過計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。

設(shè)計(jì)軟件和打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL文件格式。一個(gè)STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一種通過掃描產(chǎn)生的三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經(jīng)常被用作全彩打印的輸入文件。（2）切片處理

打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個(gè)實(shí)體。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機(jī)打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計(jì)算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機(jī)如ObjetConnex 系列還有三維 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機(jī)相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個(gè)微米。用傳統(tǒng)方法制造出一個(gè)模型通常需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天，根據(jù)模型的尺寸以及復(fù)雜程度而定。而用三維打印的技術(shù)則可以將時(shí)間縮短為數(shù)個(gè)小時(shí)，當(dāng)然其是由打印機(jī)的性能以及模型的尺寸和復(fù)雜程度而定的。

傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術(shù)則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對較少的產(chǎn)品。一個(gè)桌面尺寸的三維打印機(jī)就可以滿足設(shè)計(jì)者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。（3）完成打印

三維打印機(jī)的分辨率對大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會(huì)比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再稍微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技術(shù)可以同時(shí)使用多種材料進(jìn)行打印。有些技術(shù)在打印的過程中還會(huì)用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時(shí)就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

四、打印造型法主要種類

（1）利用激光固化樹脂材料的光造型法（Stereolithography）。在樹脂槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，它在紫外激光束的照射下會(huì)快速固化。成型過程開始時(shí)，可升降的工作臺(tái)處于液面下一個(gè)截面層厚的高度，聚焦后的激光束，在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的要求，沿液面進(jìn)行掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂固化，從而得到該截面輪廓的樹脂薄片。然后，工作臺(tái)下降一層薄片的高度，以固化的樹脂薄片就被一層新的液態(tài)樹脂所覆蓋，以便進(jìn)行第二層激光掃描固化，新固化的一層牢粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)不已，直到整個(gè)產(chǎn)品成型完畢。最后升降臺(tái)升出液體樹脂表面，取出工件，進(jìn)行清洗、去處支撐、二次固化以及表面光潔處理等。激光立體造型制造精度目前可達(dá)±0.1ｍｍ,主要用作為產(chǎn)品提供樣品和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀９饷魳渲x擇性固化快速成型技術(shù)適合于制作中小形工件，能直接得到樹脂或類似工程塑料的產(chǎn)品。主要用于概念模型的原型制作，或用來做簡單裝配檢驗(yàn)和工藝規(guī)劃。

（2）粉末材料選擇性燒結(jié)（Selected Laser Sintering）是一種快速原型工藝，簡稱SLS。

粉末材料選擇性燒結(jié)采用二氧化碳激光器對粉末材料（塑料粉等與粘結(jié)劑的混合粉）進(jìn)行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點(diǎn)一層層堆集成三維實(shí)體的快速成型方法。粉末材料選擇性燒結(jié)采用二氧化碳激光器對粉末材料（塑料粉、陶瓷與粘結(jié)劑的混合粉、金屬與粘結(jié)劑的混合粉等）進(jìn)行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點(diǎn)一層層對集成三維實(shí)體的工藝方法。

在開始加工之前，先將充有氮?dú)獾墓ぷ魇疑郎兀⒈３衷诜勰┑娜埸c(diǎn)一下。成型時(shí)，送料筒上升，鋪粉滾筒移動(dòng)，先在工作平臺(tái)上鋪一層粉末材料，然后激光束在計(jì)算機(jī)控制下按照截面輪廓對實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié)，使粉末溶化繼而形成一層固體輪廓。第一層燒結(jié)完成后，工作臺(tái)下降一截面層的高度，在鋪上一層粉末，進(jìn)行下一層燒結(jié)，如此循環(huán)，形成三維的原型零件。最后經(jīng)過5-10小時(shí)冷卻，即可從粉末缸中取出零件。未經(jīng)燒結(jié)的粉末能承托正在燒結(jié)的工件，當(dāng)燒結(jié)工序完成后，取出零件。粉末材料選擇性燒結(jié)工藝適合成型中小件，能直接的到塑料、陶瓷或金屬零件，零件的翹曲變形比液態(tài)光敏樹脂選擇性固化工藝要小。但這種工藝仍需對整個(gè)截面進(jìn)行掃描和燒結(jié)，加上工作室需要升溫和冷卻，成型時(shí)間較長。此外，由于受到粉末顆粒大小及激光點(diǎn)的限制，零件的表面一般呈多孔性。在燒結(jié)陶瓷、金屬與粘結(jié)劑的混合粉并得到原型零件后，須將它置于加熱爐中，燒掉其中的粘結(jié)劑，并在孔隙中滲入填充物，其后處理復(fù)雜。粉末材料選擇性燒結(jié)快速原型工藝適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可視化表現(xiàn)和制作功能測試零件。由于它可采用各種不同成分的金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)、進(jìn)行滲銅等后處理，因而其制成的產(chǎn)品可具有與金屬零件相近的機(jī)械性能，但由于成型表面較粗糙，滲銅等工藝復(fù)雜，所以有待進(jìn)一步提高。

（3）熔融造型法熔融造型法（FDM）。工作時(shí)直接由計(jì)算機(jī)控制。噴頭擠出熱塑材料并按照層面幾何信息逐層由下而上制作出實(shí)體模型。ＦＤＭ技術(shù)的最大特點(diǎn)是速度快(一般模型僅需幾小時(shí)即可成型)、無污染,在原型開發(fā)和精鑄蠟?zāi)５确矫娴玫綇V泛應(yīng)用。FDM生產(chǎn)可選成型材料種類較多，原材料費(fèi)用低，因而的到廣泛的應(yīng)用。但是FDM也有其固有的缺點(diǎn)。精度低，熱融制造中很難控制精度，難以制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，且材料的制造是處于熔點(diǎn)附近，因而構(gòu)件的強(qiáng)度小，也不適合制造大型的制件，這些特點(diǎn)都限制了FDM的應(yīng)用范圍。

（4）熱可塑造型法（SLS）。該方法是用2CO激光熔融燒結(jié)樹脂粉末的方式制作樣件。工作時(shí),由2CO激光器發(fā)出的光束在計(jì)算機(jī)控制下,根據(jù)幾何形體各層橫截面的幾何信息對材料粉末進(jìn)行掃描,激光掃描處粉末熔化并凝固在一起。然后,鋪上一層新粉末,再用激光掃描燒結(jié),如此反復(fù),直至制成所需樣件。

五、3D打印制造特點(diǎn)

3D打印技術(shù)突破了“毛坯→切削→加工品”傳統(tǒng)的零件加工模式,開創(chuàng)了不用刀具制作零件的先河,是一種利用的薄層疊加的加工方法。與傳統(tǒng)的切削加工方法相比,3D打印加工至少具有以下特點(diǎn):

(1)可迅速制造出具有自由曲面和更為復(fù)雜形態(tài)的零件,如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，這些利用傳統(tǒng)工藝很難加工的,從而大大降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和開發(fā)周期。在時(shí)間尤其重要的今天，它可以為企業(yè)節(jié)省大量的研發(fā)時(shí)間。

(2)它屬于非接觸加工,不需要切削加工所必需的刀具和夾具,無刀具磨損和切削力影響。只需要一套特定的設(shè)備，工序簡單，沒有傳統(tǒng)加工的煩瑣的工序。傳統(tǒng)的加工中每一個(gè)工序都需要機(jī)床等復(fù)雜加工設(shè)備，且加工過程復(fù)雜，對操作人員的技術(shù)要求很高。

(3)無振動(dòng)、噪聲和切削廢料。可以為企業(yè)節(jié)省寶貴的試制原料，簡化生產(chǎn)。傳統(tǒng)的制造中由于多是機(jī)械制造，噪音較大。且加工時(shí)邊角料多。造成資源的浪費(fèi)。

(4)可實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化生產(chǎn)。操作可以由電腦控制，無需人的過多干預(yù)。真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。

(5)加工效率高,能快速制作出產(chǎn)品實(shí)體模。精度高，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量好。(6)3D打印技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的關(guān)鍵作用和重要意義是很明顯的，它不受復(fù)雜形狀的限制，可迅速地將示于計(jì)算機(jī)屏幕上的設(shè)計(jì)變?yōu)檫M(jìn)一步評估的實(shí)物。根據(jù)原型，可對設(shè)計(jì)的正確性、造型的合理性、可裝配性和干涉性，進(jìn)行具體的檢驗(yàn)。通過原型的檢驗(yàn)可使開發(fā)產(chǎn)品中的風(fēng)險(xiǎn)減到最底的限度。

六、主要限制因素

（1）材料限制：雖然高端工業(yè)印刷可以實(shí)現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但無法實(shí)現(xiàn)打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，打印機(jī)也還沒有達(dá)到成熟的水平，無法支持日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。雖然研究者們在多材料打印上已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但除非這些進(jìn)展達(dá)到成熟并有效，否則材料依然會(huì)是3D打印的一大障礙。

（2）機(jī)器限制：3D打印技術(shù)在重建物體的幾何形狀和機(jī)能上已經(jīng)獲得了一定的水平，幾乎任何靜態(tài)的形狀都可以被打印出來，但是那些運(yùn)動(dòng)的物體和它們的清晰度就難以實(shí)現(xiàn)了。這個(gè)困難對于制造商來說也許是可以解決的，但是3D打印技術(shù)想要進(jìn)入普通家庭，每個(gè)人都能隨意打印想要的東西，那么機(jī)器的限制就必須得到解決才行。

七、3D打印技術(shù)成型主要應(yīng)用

應(yīng)用領(lǐng)域：

3D打印機(jī)的應(yīng)用對象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。以色列的Stratasys公司認(rèn)為，3D打印機(jī)需求量較大的行業(yè)包括政府、航天和國防、醫(yī)療設(shè)備、高科技、教育業(yè)以及制造業(yè)。

八、結(jié)束語

最近兩年，3D打印技術(shù)概念引起了國內(nèi)外政府、軍方、企業(yè)的高度重視，但其實(shí)3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展有30余年。美國著名智庫高德納（Gartner）公司2012《高德納新興IT技術(shù)顯示度周期特別報(bào)告》認(rèn)為，3D打印技術(shù)正處于高循環(huán)曲線顯示度頂點(diǎn)。預(yù)計(jì)該技術(shù)在未來2～5年內(nèi)到達(dá)生產(chǎn)力成熟期。然而，通過分析發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)卻很難取代傳統(tǒng)制造工藝，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在對受損部件的修復(fù)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的生產(chǎn)以及小批量部件生產(chǎn)等方面，與傳統(tǒng)制造工藝形成了較好的互補(bǔ)關(guān)系。例如，美國計(jì)劃使用3D打印技術(shù)在太空空間站上。

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