浅谈三维打印技术在设计制造过程中的应用.docx

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1、浅谈三维打印技术在设计制造过程中的应用邱卫明李创王伟刚一、三维打印技术概述：三维打印技术是近30年以来制造技术中的重要突破，涉及多种学科的新型综合制造技术，可以说颠覆了常规制造工艺过程，他的影响力相当深远，目前用于金属零件的快速制造技术代表了最新的发展方向，国外对该方面的研究相对相对成熟，包括他的理论与工艺研究也比较完善。但由于金属三维打印技术在国内市场上刚刚出现，并且关键技术（包括精度和成本）不成熟，还没有被市场普遍接受。但我们认为真正能够制造精密金属零件的快速成型技术只有选区激光熔化和选区激光烧结。选区激光烧结成型方法成型金属零件时，多采用树脂或低熔点材料包覆的金属粉末作为原材料，通过激光

2、扫描使树脂熔化将金属粉末固结在一起，在成型后经过脱脂、浸渗低熔点金属（如青铜等）来进步致密度。SLS技术成型金属零件工序复杂且零件强度与精度多数情况下仍达不到要求。而选区激光熔化技术是一种极具创新的快速成型技术，能一步加工出具有冶金结合，相对密度接近100%,具有复杂结构、高的尺寸精度的金属零件。三维立体打印机，也称三维打印机（3DPrinter,简称3DP）是快速成型的一种工艺，采用层层堆积的方式分层制作出三维模型，其运行过程类似于传统打印机，只不过传统打印机是把墨水打印到纸质上形成二维的平面图纸，而三维打印机是把液态光敏树脂材料、熔融的塑料丝、石膏粉等材料通过喷射粘结剂或挤出等方式实现层层

3、堆积叠加形成三维实体。快速成形技术（简称RP）又称快速原型制造技术，是近年来发展起来的一种先进制造技术。快速成形技术20世纪80年代起源于美国，很快发展到日本和欧洲，是近年来制造技术领域的一次重大突破。快速成形是一种基于离散堆积成形思想的数字化成形技术；是CAD,数控技术、激光技术以及材料科学与工程的技术集成。它可以自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可对产品设计进行快速评价、修改，以响应市场需求，提高企业的竞争能力。将CADCAM、CNC,精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于一体，依据由CAD构造的产品三维模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓

4、。按照这些轮廓，激光束选择性地喷射，固化一层层液态树脂（或切割一层层的纸，或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形成各截面，逐步叠加成三维产品。它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工的组合。1、成型原理三维打印机采用熔融堆积成型技术，将ABS工程塑料加热融化，并以极细的丝状物从喷头处挤出、沉淀、最终形成三维立体模型。2、CAD文件输入到打印机：标配了CAD模型数据分析处理软件，可以使用CAD系统设计出的STL数据，自动的分析模型，自动完成分层及支撑计算过程，并驱动三维打印机工作。作为国际上公认的标准，所以的CAD系统都支持生成STL模型。3、三维模型构造

5、由于RP系统只接受计算机构造的产品三维模型（立体图）,然后才能进行切片处理，因而首先应在PC机或工作站上用CAD软件（如UG、Pro/E等），根据产品要求设计三维模型；或将已有产品的二维三视图转换成三维模型；或在逆向工程中，用测量仪对已有的产品实体进行扫描，得到数据点云，进行三维重构。4、三维模型的近似处理由于产品上往往有一些不规则的自由曲面，加工前必须对其进行近似处理。经过近似处理获得的三维模型文件称为STL格式文件,它由一系列相连空间三角形组成。典型的CAD软件都有转换和输出STL格式文件的接口,但有时输出的三角形会有少量错误，需要进行局部修改。5、三维模型的分层（SIiCing）处理由于

6、RP工艺是按一层层截面轮廓来进行加工的，因此加工前须将三维模型上沿成形高度方向离散成一系列有序的二维层片，即每隔一定的间距分一层片，以便提取截面的轮廓。间隔的大小按精度和生产率要求选定。间隔越小,精度越高,但成形时间越长。间隔范围为0.050.5mm,常用0.1mm,能得到相当光滑的成形曲面。层片间隔选定后，成形时每层叠加的材料厚度应与其相适应。各种成形系统都带有SliCing处理软件，能自动提取模型的截面轮廓。6、截面加工根据分层处理的截面轮廓，在计算机控制下，RP系统中的成形头（如激光扫描头或喷头）由数控系统控制，在x-y平面内按截面轮廓进行扫描，固化液态树脂（或切割纸，烧结粉末材料，喷射

7、粘结剂、热熔剂和热熔材料）,得到一层层截面。7、截面叠加每层截面形成之后，下一层材料被送至已成形的层面上，然后进行后一层的成形，并与前一层面相粘结，从而将一层层的截面逐步叠合在一起,最终形成三维产品。8、后处理成形机成形完毕后，取出工件，进行打磨、涂挂，或者放进高温炉中烧结，进一步提高其强度。对于SLS工艺，将工件放入高温炉中烧结，使粘结剂挥发掉，以便进行渗金属（如渗铜）处理。三、三维打印技术在缝纫机设计制造中的应用和优缺点ABS工程塑料实际上是缝纫机零件、所广泛采用的材料，能简单并轻而易举的进行加工、喷漆、电镀、粘合，当然也包括打磨、钻孔、喷漆等后处理加工,快速的得到满意的模型。这样，能进行

8、ABS工程塑料快速成型的三维打印机，可以快速实现外观确认、功能测试、装配验证等功能，为缩短产品交付期和降低成本做出巨大贡献。1）、采用ABS工程塑料，具有很高的强度和韧性（和加工中心加工的塑料件强度基本一致，80%以上），能耐100C左右的高温。可以做为成品使用和做各种功能性测试，材料的选择范围宽广，提供9种颜色的成形材料，可长期保存;打印精度为0.1毫米。2）、可以作为工程类装配件及功能验证零件使用，还可以进行喷漆或电镀等后加工，包括齿轮，钻孔等结构；3）、在该机203*203*305允许的范围内可以一次性制作多种零件；要求间隙超过0.3毫米。4）、打印头至少可以使用2000小时，价格为Io

9、（M）元。5）、成本低，性价比高，稳定性好，质量稳定，结构好，厂商极力推荐。6）、操作简单，后处理方便，办公室环境打印，没有任何有害物质。支撑性材料为水溶性，去除非常方便。6）、可以作为装配体进行打印，今后可以作为一些新设计结构的模拟测试使用，可以作为工程类装配件及功能验证零件使用，还可以进行喷漆或电镀等后加工，包括齿轮，钻孔等结构。7）、针对缝纫机零件当中的薄壁外壳、盖板类、塑料件类、外形件类、罩壳类中已经广泛使用，可以打印针板、电机罩、机壳面板、标盘、手轮、托盘、塑料齿轮和控制器、操作面板等，还可以用拼接的方式打印机壳，打印电机罩的时间为8小时左右。2、缺点分析1）、9种颜色仅为单色配套，

10、不能混合打印，且不能达到对颜色的要求。2）、为丝状打印，表面有条纹，针对外表要求特别高的，则需要做水磨等后处理。四、下一步工作方向国外的金属打印设备售价大概在500-700万元，这并不包括后续的材料使用费等。国内的科研院所或者企业一般承担不了如此高的本钱，而且需要专业人士操纵，操纵职员需要对其技术原理深进的了解也是限制设备应用的一个重要因素。设备维护用度较为昂贵，包括保护气体、从原厂商购买成型材料等。但巨大的市场价值，使得国内很多高校与科研机构开始涉足技术的研究。但目前国内技术的发展与推广还存在一些题目。主要是该技术系统集成度高，需要综合材料、光学、软件、数控、机械等多门类人才共同研发。设备研发周期长，技术难度大,导致设备昂贵，而应用领域相对还较狭窄。国内配套部件的稳定性还不到国外的水平，目前也还只能制作一些尺寸较小的工件。在配套材料的研发上也缺少成熟的理论支撑。只有研发出高可靠性和高技术指标、具有自主知识产权的设备，同时拥有配套的工艺路线，才能在我国较大范围推广这项技术。