3D打印技术的研究现状和前景

3D打印技术的研究现状和前景
3D打印技术的研究现状和前景

3D打印技术

一、3D打印的概念

我们日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品,而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同,只是打印材料有些不同,普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料,打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。

3D打印技术,是以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同,3D打印将三维实体变为若干个二维平面,通过对材料处理并逐层叠加进行生产,大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。

二、3D打印的原理

3D打印并非是新鲜的技术,这个思想起源于19世纪末的美国,并在20世纪80年代得以发展和推广。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长,其价格也正逐年下降。

使用打印机就像打印一封信:轻点电脑屏幕上的“打印”按钮,一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上,它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在3D 打印时,软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D打印机上,后者会将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。

三、3D打印的过程

1) 三维设计阶段:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过

扫描产生的三维文件的扫描器,其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

2) 打印过程:打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度(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)或者微米来计算的。一般的厚度为100微米,即0.1毫米。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天,根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时,当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品,而三维打印技术则可以以更快,更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

3) 完成:三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够(在弯曲的表面可能会比较粗糙,像图像上的锯齿一样),要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法:先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体,再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物,比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西(如可溶的东西)作为支撑物。

四、3D打印的技术

许多相互竞争的技术是可用的。它们的不

同之处在于以不同层构建创建部件,并且以可

用的材料的方式。一些方法利用熔化或软化可

塑性材料的方法来制造打印的“墨水”,例如:选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)和混合沉积建模(fused deposition modeling,FDM),还有一些技术是用液体材料作为打印的“墨水”的,例如:立体平板印刷(stereolithography,SLA)、分层实体制造(laminated object manufacturing,LOM)。

3D打印的技术主要包括SLA、FDM、SLS、LOM等工艺,简单介绍三种主流技术:

1) 立体光刻造型技术(SLA):可以想象一下把一根黄瓜切成很薄的薄片再拼成一整根。先由软件把3D的数字模型,“切”成若干个平面,这就形成了很多个剖面,在工

作的时候,有一个可以举升的平台,这个平台周围有一个液体槽,槽里面充满了可以紫外线照射固化的液体,紫外线激光会从底层做起,固化最底层的,然后平台下移,固化下一层,如此往复,直到最终成型。

其优点是精度高,可以表现准确的表面和平滑的效果,精度可以达到每层厚度0.05毫米到0.15毫米。缺点则为可以使用的材料有限,并且不能多色成型。

2) 熔融沉积成型技术:同样是需要把3D的模型薄片化,但是成型的原理不一样。熔融沉积成型技术,就是把材料用高温熔化成液态,然后通过喷嘴挤压出一个个很小的球状颗粒,这些颗粒在喷出后立即固化,通过这些颗粒在立体空间的排列组合形成实物。

这种技术成型精度更高、成型实物强度更高、可以彩色成型,但是成型后表面粗糙。

3) 选择性激光烧结(简称SLS)不同材料的粉末为原料:SLS工艺又称为选择性激光烧结。SLS工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面,并刮平;用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面;材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起,得到零件的截面,并与下面已成形的部分粘接;当一层截面烧结完后,铺上新的一层材料粉末,选择地烧结下层截面。

选择性激光烧结的特点:发明于1989年;比SLA要结实的多,通常可以用来制作结构功能件;激光束选择性地熔合粉末材料:尼龙、弹性体、未来还有金属;优于SLA 的地方:材料多样且性能接近普通工程塑料材料;无碾压步骤因此Z向的精度不容易保证好;工艺简单,不需要碾压和掩模步骤;使用热塑性塑料材料可以制作活动铰链之类的零件;成型件表面多粉多孔,使用密封剂可以改善并强化零件;使用刷或吹的方法可以轻易地除去原型件上未烧结的粉末材料。

五、3D打印的材料

(一)工程塑料

指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料,是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。

1) PC材料:是真正的热塑性材料,具备工程塑料的所有特性。高强度,耐高温,抗冲击,抗弯曲,可以作为最终零部件使用,应用于交通工具及家电行业。

2) PC-ISO材料:是一种通过医学卫生认证的热塑性材料,广泛应用于药品及医疗器械行业,可以用于手术模拟,颅骨修复,牙科等专业领域。

3) PC-ABS材料:是一种应用最广泛的热塑性工程塑料,应用于汽车,家电及通信行业。

(二)光敏树脂

即是UV树脂,由聚合物单体与预聚体组成,其中加有光(紫外光)引发剂(或称

为光敏剂)。在一定波长的紫外光(250-300纳米)照射下立刻引起聚合反应完成固化。一般为液态,一般用于制作高强度、耐高温、防水等的材料。

1) Somos 19120材料为粉红色材质,铸造专用材料。成型后直接代替精密铸造的蜡膜原型,避免开模具的风险,大大缩短周期。拥有低留灰烬和高精度等特点。

2) Somos 11122材料为半透明材质,类ABS材料。抛光后能做到近似透明的艺术效果。此种材料广泛用于医学研究、工艺品制作和工业设计等行业。

3) Somos Next材料为白色材质,类PC新材料,材料韧性较好,精度和表面质量更佳,制作的部件拥有最先进的刚性和韧性结合。

(三)全彩色石膏材料

材料本身是石膏基粉末,是用粘接剂结合在一起,同时用喷墨头嵌入。使用该材料打印出来的产品坚硬,稍脆,但它是唯一一个可以打印全彩色的材料,打印出来的样品色彩亮丽,栩栩如生。适用设备:Zprinter 彩色立体打印机。

(四)尼龙材料

通过激光粉末烧结技术,一层层的通过红外激光将烧结成型。适用于EOSP塑料尼龙粉末烧结成型设备。

(五)铝材料

尼龙铝模型是由一种灰色铝粉及腈纶混合物制作而成。尼龙铝是一种高强度并且硬挺的材料,做成的样件能够承受较小的冲击力,并能在弯曲状态下抵抗一些压力。它的表面是一种沙沙的、粉末的质感,也略微有些疏松。

(六)钛合金

生产最终使用的金属样件,质量可媲美开模加工的模型。钛合金模型的强度非常高,尺寸精密,能制作的最小细节的尺寸为0.1mm。

(七)不锈钢

不锈钢模型是用一种加入了铜成分的不锈钢粉打印而成。不锈钢打印在金属打印上来讲算是最便宜的一种打印形式,既具有高强度,又适合打印大物品。

(八)生物材料:既是细胞,用于各种生物支架的制作。

六、3D打印成果

1) 航模飞机:据国外媒体报道,3D打印机曾用

于制造一些机械零部件和小玩具,但是在2012年,美

国弗吉尼亚大学工程系的研究人员采用最新的3D打

印技术制造了一架无人飞机,机翼宽6.5英尺(约合

1.9米),由打印零件装配构成,巡航时速达到45英

里(约合72千米)。

研究人员称,2007年为了设计建造一个塑料涡轮风扇发动机需要两年时间,成本大约25万美元。但是使用3D技术,设计和建造这架3D飞机仅用4个月时间,成本大约2000美元。这将创建一个前所未有的飞行教学平台。

2) 神奇的超级3D打印机:科学家研制了一款神奇的3D打印机,可用于未来行星登陆时建造基地的任务中。比如,未来在月球基地中生活的宇航员可以使用这款3D打印机,将月球上岩石或者特殊材料“打印”成所需要的工具。至2012年为止,其应用范围几乎可以将任何固体材料制造成所需的工具,可以允许未来的探险家建设外星球基地。

3) 骨骼3D打印技术:美国研究人员利用3D打印机开发骨骼打印技术,造出类似骨骼的材料。研究人员说,它可被用于骨科、牙科治疗或开发治疗骨质疏松症药物。磷酸钙生物陶瓷材料是整形外科领域一类重要的骨修复材料,可模拟人体自然骨结构,适宜细胞和骨组织的长入。研究发现,在生物陶瓷粉主要成分磷酸钙中添加硅和氧化锌可以使其强度提升一倍。研究人员使用一部先前用于打印金属材料的3D打印机制造类骨骼物质。它在粉末层上喷出塑料黏合剂,粉末层厚度仅为一根头发丝宽度的一半。粉末层层叠加,干燥后达到要求的支架厚度,然后在1250摄氏度下烘烤2小时。实验室环境下的未成熟骨细胞生长测试显示,支架上的骨细胞在移植一周内开始生长。在兔子和老鼠身上的活体实验同样得到可喜效果。研究人员说,这种类骨骼物质可被添加到受损自然骨上,当作支架材料,促使细胞和骨组织生长,而且这种类骨骼物质可最终降解,没有“明显负面效果”。他们说,数年后,医生可利用这一技术定做更换骨组织。

2009年,瑞士研究人员复制出一名男子的拇指骨骼。德国夫琅禾费界面工程与生物工程研究所研究人员把立体打印技术与双光子聚合技术相结合,于2009年开发出血管打印技术。打印时,打印机发出两束强激光,焦点对准同一分子。这个分子同时吸收两个光子,即所谓的双光子聚合。经过双光子聚合的分子变成一个有弹性的固体,研究人员用它来制造高精度的弹性结构,也就是血管。

4) 3D打印建筑:荷兰阿姆斯特丹建筑大学的建

筑设计师简加普·鲁基森纳斯(Janjaap

Ruijssenaars)设计了全球第一座3D打印建筑物

“Landscape House”,而且特别模拟了奇特的莫比

乌斯环。

莫比乌斯环(Mbius strip/Mbius band),是一种拓

扑学结构,只有一个面(表面)和一个边界,由德国数学家、天文学家莫比乌斯和约翰·李斯丁1858年独立发现。它可以用一个纸带旋转半圈再把两端粘上之后轻而易举地制作出

来,本身具有很多奇妙的性质。

鲁基森纳斯和数学家、艺术家里努斯·罗洛夫斯(Rinus Roelofs)共同设计了这个项目,将会利用3D打印机逐块打印出来,每一块的尺寸都达到了6×9米,然后拼接成一

个整体建筑,预计需要耗时一年半才能完成。

和打印一般小东西不同,这次需要用到的3D打印

机也十分庞大,是由意大利发明家恩里科·迪尼(Enrico

Dini)设计出来的“D-Shape”,可以使用砂砾层、无

机粘结剂打印出一幢两层小楼。

尽管如此强大,让它打印一座庞大的建筑也太难

了,迪尼因此建议只用它打印整体结构,外部则使用

钢纤维混凝土来填充。

鲁基森纳斯打算带着这个项目参加欧洲大赛。这

项赛事在欧洲十五个国家每两年举办一次,主要面向

年轻的立体设计师,并为他们准备50个真实的场地来

实现构想。

5) 3D打印胚胎干细胞:据英国媒体报道,英国研究人员首次用3D打印机打印出胚胎干细胞,干细胞鲜活且保有发展为其他类型细胞能力。研究人员说,这种技术或可制造人体组织以测试药物,制造器官,乃至直接在人体内打印细胞。

研究人员表示,打印24小时后,95%以上细胞仍然存活,打印过程未杀死细胞;打印3天后,超过89%细胞存活,而且仍然维持多能性,即分化出多种细胞组织的潜能。

胚胎干细胞3D打印机配备两个“生物墨盒”,一个装着浸在细胞培养基中的人体

胚胎干细胞,另一个只有培养基。计算机控制微调阀

喷出“墨水”,速度可通过改变喷口直径实现精确控

制。打印机上有显微镜显示细胞打印情况。两种“墨

水”一层一层间隔喷洒,形成不同浓度细胞飞沫,最

小飞沫体积仅2纳升,包含大约5个细胞。飞沫被喷入

有诸多凹孔的培养皿中,翻转培养皿,飞沫形成悬液,

在各凹孔内“抱成团”。打印机可精确控制飞沫大

小,使干细胞达到分化最佳状态。

6) 3D打印房屋:据国外媒体报道,英国伦敦的一家建筑企业Softkill Design率先提出了3D打印房屋的新概念——原材料来自塑料,外观像蜘蛛网。该企业表示,如果市场接受这种新概念3D打印房屋,今年夏天或可建造出首个实体房屋。

设计成员之一的吉尔·瑞特森表示,这项发明不

仅对房屋建筑行业是一场革新,甚至还有望解决英国

的住房危机。按照发明者的设计:将所有的组件制造

好,需要三个星期的时间,装配起来则仅需一天的功

夫。这种房屋将用维可牢尼龙搭扣或类似按钮的紧固

件固定在一起,而这些在传统建筑技术中则不需要。

据悉,这一构想是2012年10月伦敦3D打印展上

展出的一款打印房屋原型的延伸,原型以极具特色的纤维尼龙结构作为骨架,来代替实心的墙体。房屋组件采用激光烧结的生物塑料,在3D印刷厂中制造,这将会比用沙子或混凝土印制的质量更好。纤维结构的厚度只有0.7毫米,用石头打印是不可能的,因为沙子没有足够的结构强度和完整性。而在工厂环境中,则可以用到像塑料或金属之类更高强度的材料。

至2012年为止,建造这样一座3D房屋的成本并未向外透露。但瑞特森表示,3D印刷业的蓬勃发展将会提升经济规模,这意味着在不久的将来,这样的房屋可能因其经济性而在市场竞争中取得优势。

7) 3D打印汽车、地面和空中当快车道:来自世界各地的汽车爱好者们密切关注MakerBot和GrabCAD公司的未来交通工具设计展,其中包括:汽车、摩托车、飞机和航天器。未来的运输工具意味着一件事情——任何人都能够单独驾驶。

至2013年2月为止,这些交通工具模型都通过3D

打印机打印制造出来,2040年将制造出实体模型。美

国总统奥巴马的国情演讲中宣布,计划建立3D打印中

心,3D打印技术将逐步形成美国新兴制造业。

世界上第一款3D打印汽车面世,这次不是玩具,

而是真正能开上马路的汽车。据《连线》杂志报道,

Urbee 2是一款三轮的混合动力汽车,它的所有零部件都是3D打印出来的。正如Makerbot和Form 1正在重新定义制造业,Urbee正在致力于改变我们制造汽车的方式。

这款汽车是Jim Kor和他的Kor Ecologic团队头脑风暴的产物,他们一直专注于研究未来的3D交通工具。他们在网站上展示了对于未来汽车的构想:“用最少的能耗开最远的路程;把生产、使用、回收过程的污染降到最低;尽可能用汽车产地附近的原材料生产汽车”

传统的汽车制造是生产出各部分然后再组装到一起,3D打印机能打印出单个的、一体式的汽车车身,再将其他部件填充进去。据称,新版本3D汽车需要50个零部件左右,而一辆标准设计的汽车需要成百上千的零部件。

Urbee的原型使用了asb塑料的"熔融沉积建模"(fuseddepositionmodelling)方法。车辆由大块和许多个小块组成。根据thewire的报道,544公斤的车辆花费了大约2500个小时来打印,原型车的造价约为5万美金。

8) 打印人工耳:北京时间2013年2月21日报道,美国康奈尔大学和威尔·康奈尔医学院的研究人员合作,利用3D打印技术和含有牛耳活细胞的凝胶造出一种新型人工耳,无论在外观还是功能上,均可与真耳相媲美。相关论文在线发表于2月20日出版的《PLOS ONE》上。

研究人员表示,通常的人工耳材料密度和泡沫聚苯乙烯差不多,质感与真耳相差较大;如果用病人的肋骨组织以手术方式重塑外耳,不仅难度大,还给病人带来很大痛苦,因此很难制成既美观又实用的人造耳。

为造出这种生物工程耳,研究人员先用快速旋转3D相机拍摄数名儿童耳朵信息,输入计算机形成3D图像,然后按照图像用3D打印机打出一个固体模子,并在其中注入一种高密度胶原蛋白凝胶,其中含有能生成软骨的牛耳细胞。此后数周内,软骨逐渐增多并取代凝胶,3个月后软骨会形成柔韧的外耳,替代最初用于塑形的胶原蛋白支架。

9) 打印头骨:2013年2月9日报道,美国的一家医院完成了一项非常大胆的手术:使用3D打印出人的头骨,来替代患者原本高达75% 已受损骨骼。这次手术在本周早些时候顺利完成,使用了康涅狄格州牛津性能材料公司提供的原材料,至2013年2月为止,患者的病情已稳定。

10) 3D打印类生物组织材料:英国研究人员2013年4月4日在《科学》杂志上发表报告说,他们利用特制3D打印机打印出类似生物组织的材料,这一成果将来有望应用在医疗领域。

这篇报告由英国牛津大学的黑根·贝利教授及其同事联名发表。据介绍,他们利用3D打印机分层次喷出大量被脂类薄膜包裹的液滴,这些液滴形成网状结构,构成特殊的新材料。

研究人员说,这样打印出来的材料其质地与大脑和脂肪组织相似,可做出类似肌肉样活动的折叠动作,且具备像神经元那样工作的通信网络结构,可用于修复或增强衰竭的器官。由于这是合成材料,因此它还可避免一些用干细胞等方式制造活体组织而引发的问题。

研究人员还说,常规的3D打印机无法打印这种新材料,实验中他们使用的是一种特制3D打印机,至2013年4月为止,这种打印机喷出的液滴直径约50微米,有5个活体细胞那么大,但相信将来能够将液滴尺寸缩小。

11) 用3D打印珠宝:个性化,珠宝加工自是对此类需求最为迫切的行业之一,而3D 打印所具备的优势正好可以平衡消费者需求与加工成本之间的矛盾–加工成本与造型复杂程度完全无关。事实上在Shapeways上就有大量

的设计师们对珠宝类目情有独钟(事实上最早加入的

成员就已开始利用3D打印制造首饰)。

12) 4D打印技术:我们都知道,4D就是在长、宽、

高之外,另外加入了时间的维度,如果套用到打印技

术上的话,指的就是你所打印出来的东西,可以依照

你预先设定的程序,随时间而改变形状。

七、3D打印的发展前景

在3D打印技术可以打印假肢、汽车、飞机的今天,它还在创造无限的可能。

首先3D打印技术可以加工传统方法难以制造的零件。过去传统的制造方法就是一个毛坯,把不需要的地方切除掉,是多维加工的,或者采用模具,把金属和塑料融化灌进去得到这样的零件,这样对复杂的零部件来说加工起来非常困难。立体打印技术对于复杂零部件而言具有极大的优势,立体打印技术可以打印非常复杂的东西。

其次实现了首件的净型成形,这样后期辅助加工量大大减小,避免了委外加工的数据泄密和时间跨度,尤其适合一些高保密性的行业,如军工、核电领域。再次由于制造准备和数据转换的时间大幅减少,使得单件试制、小批量出产的周期和成本降低,特别适合新产品的开发和单件小批量零件的出产。

这些速度快、高易用性等优势使得3D打印成为一种潮流,并且在很多领域得到了应用。如今3D打印机已经在建筑设计、医疗辅助、工业模型、复杂结构、零配件、动漫模型等领域都已经有了一定程度的应用。尤其在飞机、核电和火电等使用重型机械、高端精密机械的行业,3D打印技术“打印”的产品是自然无缝连接的,结构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法。

事实上,3D打印技术要成为主流的生产制造技术还尚需时日。

3D打印机21世纪初的实际使用仍属于快速成型范畴,即为企业在生产正式的产品前提供产品原型的制造,业内也将这类原型称作手板。据统计,3D打印机生产的产品中80%依旧是产品原型,仅有20%是最终产品。虽然3D打印机技术在21世纪初已取得不小的进步,比如材料增多、打印机和原材料价格逐渐下降,但在2012年左右,依旧是一项年轻的技术,在没有变得更加成熟和廉价前,并不会被企业大规模采用。

美国和欧洲在3D打印技术的研发及推广应用方面处于领先地位。美国是全球3D打印技术和应用的领导者,欧洲十分重视对3D打印技术的研发应用。除欧美外,其他国

家也在不断加强3D打印技术的研发及应用。澳大利亚在2013年制定了金属3D打印技术路线;南非正在扶持基于激光的大型3D打印机器的开发;日本着力推动3D打印技术的推广应用;中国3D打印设计服务市场快速增长,已有几家企业利用3D打印制造技术生产设备和提供服务。

3D打印在中国还处于初级阶段,从整个产业角度来看,由于缺少龙头企业的带动作用,政府暂时缺少针对性的扶植措施,整体产业体量还较小;另一方面中国制造业还处于粗放形式,各个环节对3D打印技术带来的冲击认识还不足,接受度较低。

从发展情况来看,3D打印至2013年为止仍停留在“高级玩具”阶段,并没有实现成熟的产业化。但是,各个区域都非常认可3D打印技术可能带来的改变,这些改变将如何影响现有生产、经济、社会模式是值得关注的问题。

国内3D打印主要有清华大学、华中科技大学、西安交通大学、华南理工大学、北京航空航天大学等高校教授带领的科研团队。在他们的引领下,中国3D打印取得了一定的成效,不少3D打印联盟相继成立,3D打印企业也层出不穷,3D打印也能打印出无人驾驶小型飞机、文物、小零件、食物、自行车、小建筑等,令人耳目一新。

参考资料

1.2017年3D打印机将崛起市值有望50亿美元.中国3D打印产业网.2013-03-24

2.3D技术打印小飞机国内打印技术发展迅猛.飞行网.

3.3D打印产业创新中心将在10个工业城市集中建设.产业洞察网.

4.产业洞察研究.中国3D打印机市场销售前景:产业洞察研究,2013.

5.3D打印第一颗人类心脏心脏样本由塑料制成.Autodesk中文站.

6.大力扶持多地着重布局3D打印产业.胖3D.

7.3D打印技术、打印材料成发展难题.中国3D打印产业网.2013-04-22.

8.3D打印材料介绍.叁迪网.

9.百度图片.

硅酸凝胶

1简介编辑

将过饱和的H4SiO4失去部分水分后,产生胶态粒子、沉淀物或凝胶形态,这种无定形的二氧化硅沉淀统称硅酸凝胶。

2制取方法编辑

硅酸钠溶液和酸性物质反应制取。

1.在10毫升20形硅酸钠溶液中,逐滴加入6N盐酸1 .5毫升,

2.出现白色浑浊后,再滴加0.5毫升此盐酸,边滴边振荡,可得白色凝胶.

3.在5毫升20另硅酸钠溶液中,通入二氧化碳气约5分钟,可以得到半透明硅酸凝胶。

4.在10毫升20拓硅酸钠溶液中,逐滴加入饱和氯化按溶液3毫升,得到白色的硅酸凝胶。

3用途编辑

可用来作凝固剂、止血剂、干燥剂、催化剂,或用作其他催化剂的载体。

C-S-H凝胶

C-S-H的化学组成是不固定的,其Ca/Si比随液相中Ca(OH)2浓度的提高而增加。当溶液中氧化钙浓度约为2~20 mol/L时,生成Ca/Si比为0.8~1.5的水化硅酸钙[称C-S-H(Ⅰ)];当液相中氧化钙浓度饱和时,则生成Ca/Si 比提高到1.5~2.0的C-S-H(Ⅱ)。在常温下,水固比增加,能使C-S-H的Ca/Si比下降。同时,H/Si比也相应减少,而且比Ca/Si值都低0.5左右。因此,在正常水化的条件下,C-S-H的组成或可粗略地用C x SH x-0.5表示。多数研究者还认为C-S-H的组成随着水化进程而改变,其Ca/Si比随龄期的增长而下降,例如从水化1 d的1.9,到2、3年后可减少至1.4~1.6左右。

C-S-H呈无定形的胶体状,粒子如以球形计,直径可能小于10 μm。其结晶程度极差,而且即使经过很长时间,结晶度仍然提高不多。

水泥浆体中的C-S-H凝胶会呈现各种不同的形貌:

①纤维状粒子,称为Ⅰ型C-S-H,为水化初期从水泥颗粒向外辐射生长的细长条物质,长约0.5~2 μm,宽一般小于0.2 μm,通常在尖端上有分叉现象。

②网络状粒子,称为Ⅱ型C-S-H,呈互相联锁的网状结构,其组成单元也是一种长条形粒子,截面积与Ⅰ型相同,但每隔半μm左右就叉开,而且叉开角度相当大。由于粒子间叉枝的交结,并在交结点相互生长,从而形成连续的三维空间网。

③等大粒子,称Ⅲ型C-S-H,为小而不规则、三向尺寸近乎相等的球状颗粒,也有扁平碟状,一般不大于0.3 μm。通常在水泥水化到一定程度后才明显出现,在硬化浆体中常占相当数量。

④内部产物,称Ⅳ型C-S-H,即处于水泥粒子原始周界以内的C-S-H,外观似斑驳状。通常认为是通过局部化学反应的产物,比较致密,具有规整的孔隙。其曲型的颗粒或孔的尺寸不超过0.1 μm左右。

C-S-H除具有上述的四种基本形态外,还可能在不同场合观察到呈薄片状、麦管状、珊瑚状以及花朵状等各种形貌。

水化硅酸钙由硅酸三钙和硅酸二钙水化生成,或由含硅材料和含氧化钙的材料合成的含水化合物。常温下呈凝胶态,为近程有序、远程无序的微晶。具有纤维状、网状、微粒状等形貌,长约1μm,宽约0.2μm。为硅酸盐水泥的主要化合物。

追问

CSH和C-S-H凝胶的区别

回答

C-S-H凝胶又称水化硅酸钙凝胶或CSH(Ⅰ)或CSH(B)或称作

Ⅰ型C—S—H

供应油漆补强剂专用微硅粉,硅灰,二氧化硅超细粉的详细描述:

在涂料行业中,硅微粉的粒度、白度、硬度、悬浮性、分散性、吸油率低、电阻率高等特性均能提高涂料的抗腐蚀性、耐磨性、绝缘性、耐高温性能。用于涂料中硅微粉,由于具有良好的稳定性,一直在涂料填料中扮演重要的角色。特别对外墙涂料来说,SiO2原料对耐候性起着举足轻重的作用。随着建筑市场的日益繁荣,涂料工业也得到了迅速发展,硅微粉的用量也随之增长,同时对硅微粉的超细、改性提出了更高的要求。在外墙雨刷漆中加入硅微粉,用于外墙装饰效果好,耐冲刷,成本低。

在特种涂料中的应用方面,用1250目硅微粉,应用化学共沉淀技术表面包覆掺杂SiO2制得复合导电粉,广泛用于电子电器、航空航天、军事和电磁等领域。用该导电粉末制得的导电涂料,体积电阻率仅为12.6欧姆,各项指标均达到国家标准。在阻燃绝缘涂料中通过加入硅微粉,提高了涂料的触变性能,该涂料具有涂覆均匀、不会出现裂纹而且具有固化时间短、成本低的特点。在道路标识涂料中利用废旧塑料为原料,加入硅微粉等填料,生产成本低,因其流动性及流平性较高,施工成本低。在无毒环氧增韧涂料中,在环氧树脂中加入硅微粉,研制出了具有防腐功能的无毒环氧增韧涂料,克服了已有涂料在低温下刷涂和喷涂的缺陷和不足。

随着涂料工业的不断发展,硅微粉等非金属矿物填料不仅要在超细、提纯、改性技术等方面进行不断的研究,更重要的是要进行超细粉体在这些高分子聚合物中的应用研究,从而推动整个工业技术的进步。

在高聚物基料中添加非金属矿物填料,不仅可以降低高分子材料的成本,更重要的是能提高材料的性能尺寸稳定性,并赋予材料某些特殊的物理化学性能,如抗压、抗冲击、耐腐蚀、阻燃、绝缘性等。天然的石英石、石英砂是重要的工业矿物原料,被广泛用于玻璃、铸造、建筑材料、陶瓷、化工、冶金、耐火材料、磨料、填料等领域。由石英砂及其尾矿等加工而成的硅微粉,作为涂料等高分子材料的填料,越来越受到人们的重视。

3D打印技术的目前现状和发展趋势

3D打印技术的目前现状和发展趋势 物联网1501 张河钰0919150108 3D打印技术(3D printing),是快速成形技术的一种,它是一种数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术出现在20世纪90年代中期,实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。 一、3D打印技术简介 3D打印技术是指通过连续的物理层叠加,逐层增加材料来生成三维实体的技术,与传统的去除材料加工技术不同,因此又称为添加制造(AM,Additive Manufacturing)。作为一种综合性应用技术,3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识,具有很高的科技含量。3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统,主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外,新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。 目前,3D打印技术主要被应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域,替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外,在生物工程与医学、建筑、服装等领域,3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。如2010年澳大利亚Invetech公司和美国Organovo公司合作,尝试以活体细胞为“墨水”打印人体的组织和器官,是医学领域具有重大意义的创新。 二、3D打印技术及产业国际国内发展现状 (1)国际情况 经过十多年的探索和发展,3D打印技术有了长足的进步,目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率,并可实现24位色彩的彩色打印。 目前,在全球3D打印机行业,美国3D Systems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外,在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。 3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购了3D 打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后,3D Systems奠定了在3D打印领域的龙头地位。Stratasys公司2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM 合作协议,生产HP品牌的3D打印机。继2011年5月收购Solidscape公司之后,Stratasys 又于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。当前,国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中,行业巨头正在加速崛起。 目前在欧美发达国家,3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域,3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件,完成复杂而精细的造型。另外,3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案,以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售,每年能够推出60种创新产品,年收入达到100万美元。 (2)国内情况 自20世纪90年代以来,国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势;华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势,并已推出了HRP系列成型机和成型材料;西安交通大学自主

我国3D打印技术发展现状及环境分析

我国3D打印技术发展现状及环境分析 摘要:3D打印技术已获得迅速发展,并受到世界各国广泛关注,基于目前3D 打印技术发展的现实情况,着重分析我国3D打印技术发展现状以及面临的环境条件,并提出我国3D打印技术发展与应用的对策建议,以便为我国抢抓3D打印技术发展机遇提供重要技术支撑。 近年来,3D打印技术获得迅速发展,并受到世界各国的广泛关注,美国科学家将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”之一,有的甚至期望3D打印这种神奇的技术能带来“第三次工业革命”[1][2]。军事强国加大技术研发力度,3D 打印技术成熟度及性能不断提升,3D打印精度和速度不断提高,打印成本越来越低,打印原材料更加丰富;主要国家积极探索3D打印技术在武器装备设计、制造和维修保障中的应用,已经通过3D打印技术成功“打印”出手枪;美军应用3D打印技术,辅助研制了导弹用的弹出式点火器模型;美国GE集团已应用3D 打印技术制造喷气发动机[3]。随着世界各国不断加大对3D打印技术的研发与投入,我国也开始高度重视3D打印技术发展与应用,已持续加大对3D打印技术支持,在若干关键技术方向取得了重要突破,在多个领域的应用取得重要进展,3D打印技术发展的支撑环境条件更加完善。 一、我国3D打印技术发展现状 我国3D打印技术发展与发达国家相比,虽然在技术标准、技术水平、产业规模和产业链方面还存在大量有待改进和发展的地方,但经过多年的发展,已形成以

高校为主体的技术研发力量布局,若干关键技术取得重要突破,产业发展开始起步,形成了小规模产业市场,并在多个领域成功应用,为下一步发展奠定了良好基础。 (一)初步建立以高校为主体的技术研发力量体系 自上世纪90年代初开始,航空航天大学、西北工业大学、华中科技大学、交通大学、清华大学等高校相继开展了3D打印技术研究,成为我国开展3D打印技术的主要力量,推动了我国3D打印技术的整体发展。航空航天大学“大型整体金属构件激光直接制造”教育部工程研究中心的王华明团队,西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东团队主要开展金属材料激光净成形直接制造技术研究。清华大学生物制造与快速成形技术市重点实验室颜永年团队主要开展熔融沉积制造技术、电子束融化技术、3D生物打印技术研究。华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室史玉升团队主要从事塑性成形制造技术与装备、快速成形制造技术与装备、快速三维测量技术与装备等静压近净成形技术研究。交通大学制造系统工程国家重点实验室,以及快速制造技术及装备国家工程研究中心的卢秉恒院士团队主要从事高分子材料光固化3D打印技术及装备研究。[4] (二)整体实力不断提升,金属3D打印技术世界领先 我国增材制造技术从零起步,在广大科技人员的共同努力下,技术整体实力不断提升,在3D打印的主要技术领域都开展了研究,取得一大批重要的研究成果,特别是在高性能金属零件激光直接成形技术方面取得重大突破,技术水平达到世界领先。高性能金属零件激光直接成形技术世界领先,攻克了金属材料3D打印

3D打印技术的研究现状和前景

3D打印技术 一、3D打印的概念 我们日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品,而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同,只是打印材料有些不同,普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料,打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。 3D打印技术,是以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同,3D打印将三维实体变为 若干个二维平面,通过对材料处理并逐层叠加进行生产,大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。 二、3D打印的原理 3D打印并非是新鲜的技术,这个思想起源于19世纪末的美国,并在20世纪80 年代得以发展和推广。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长,其价格也正逐年下降。 使用打印机就像打印一封信:轻点电脑屏幕上的“打印”按钮,一份数字文件便被 传送到一台喷墨打印机上,它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在3D 打印时,软件通过电脑辅助设计技术(CAD )完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D打印机上,后者会将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。 三、3D打印的过程 1)三维设计阶段:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。 设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过

我国3D打印技术发展现状

我国3D打印技术发展现状 3D打印技术目前并不完全成熟,还有一个较长时期的发展和适应过程。由于我国工业化革命没有完成,与国际同行比较,还有不小的差距。这是我国3D打印行业面临的实际情况,我们不能回避,必须客观面对。我们要想推动3D打印技术发展,就必须打开国门,与国际高手过招,从中发现差距,寻找共识,携手合作,才能共同促进3D打印这个新兴产业的蓬勃发展。 1、我国3D打印与欧洲不在同一水平 过去我们没有走出去,对国外同行的情况不太清楚,只是在新闻里或一些会议上了解信息,很多专家对国内3D打印发展一直比较乐观,基本判断依据是:目前全球3D打印技术都不成熟,都还处于起步期,差距都不大,因此中国3D打印总体与国际同步。而且,还有不少专家更为乐观的认为:中国3D打印技术是我国唯一能够与国际同行处于同一水平的先进技术。 从局外人的角度来看,的确是这样。你说欧美技术先进,为什么欧洲也没有大规模地推广应用?欧美不也是“小而散”吗?欧美的技术能够做砂模,我们也能够做;欧洲能够做金属3D打印机,我们也能够做;总之,欧美有的技术,我们也有…… 从表面上看,专家们的乐观判断是正确的,也有数据给予支撑。2013年全球3D打印市场规模大概接近40亿美金,在2012年基础上增长了大概一倍。但是,仅仅40亿美金的市场规模,还不如一家大中型企业一年的产值;国内大概3亿美金,欧洲大概10亿美金,美国大概15亿美金。 总体来看这些数据还是显得微不足道。 但是,通过本次考察,使我们对欧洲3D打印发展有了比较深刻的了解,发现我们的乐观判断过于盲目,过于草率。现在3D打印的应用市场还没有启动起来,但是一旦启动起来,我们可能就面临灭顶之灾。这不是危言耸听,现状其实会比较残酷。 2、我国3D打印与欧洲同行的主要差距 第一、欧洲3D打印行业从技术本身的角度来看,的确比我们成熟很多,尤其是工艺技术、研发投入、人才基础、产业形态、材料等领域都比我们强。这个观点,国内同行也是

3D打印技术的研究现状和前景要点

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3D打印技术 一、3D打印的概念 我们日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品,而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同,只是打印材料有些不同,普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料,打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。 3D打印技术,是以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同,3D打印将三维实体变为若干个二维平面,通过对材料处理并逐层叠加进行生产,大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。 二、3D打印的原理 3D打印并非是新鲜的技术,这个思想起源于19世纪末的美国,并在20世纪80年代得以发展和推广。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长,其价格也正逐年下降。 使用打印机就像打印一封信:轻点电脑屏幕上的“打印”按钮,一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上,它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在3D 打印时,软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D打印机上,后者会将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。 三、3D打印的过程 1) 三维设计阶段:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。 设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用

国内外3D打印技术的现状及发展

国内外3D打印技术的现状及发展 曾燕萍 文法学院汉语言文学专业14级一班 1470150127 近来,有关3D打印新进展的报道如雨后春笋般涌现,在企业、科研机构和媒体的互动下,3D打印的未来似乎一片光明,甚至频频提到或将带来“第三次工业革命”的高度。 3D打印仍是非常昂贵的技术 近年来展示了实验室在3D打印、3D数字化、3D建模和3D可视化方面的研究成果。 以前人们打印仅仅指所谓的快速原型制造,而近几年这一技术已经向快速制造进一步发展。 快速制造还有一个优势,它可以生产定制的部件。于牙科修复等。各种可以替代的人体‘零部件’,如食道等也都可以这样生产。在世界各地的几个地方还有在组织工程中应用快速制造,用来进行替代人体组织的研究。总体而言,3D打印已经应用到许多领域,而且未来几年这一趋势还将扩大。 目前为止,3D打印技术仍然是一个非常昂贵的技术。设备购置、材料成本以及技术维护都还非常昂贵。在3D打印机市场上虽然可以有多种不同的技术,但是每种技术只有一个制造商,他们仍然试图维持较高的价格,因此一般的中小型企业在经济上难以支撑这样的应用。还有一个更大的问题,即3D 打印是非常劳力密集型的应用,3D打印任务不可能点击一个按钮就自动产生。大部分的工作在于密集的数据准备。这需要大量的时间,并要求大部分员工有长期的经验和专门技能,这样的人现在数量还非常少,这也不是一个中小企业所负担得起的。 3D打印首先是补充生产工具 3D打印技术的应用迄今仍被局限于利基市场(即高度专门化的需求市场),如医疗或模具,有很大的发展前景。 看待3D打印热潮 目前3D打印技术的发展仍然主要集中在美国。德国也成立了第一批类似的公司,并且有了自己生产的3D打印机。 实际上,现阶段大多数吸引眼球的3D打印新应用都还只是演示或单件产品,其成本与实用性往往被忽略,低估它们的长期发展潜力。 3D打印技术涉及范围不断扩大(海军舰艇、航天科技、医学领域、房屋建筑、汽车行业、电子行业、服装领域等),对人类的发展起到极大的促进作用,推动了一系列领域的发展。三维数字化设计改变了设计流程,提高了试制效率;五级成熟度管理模式,冲破设计和制造的组织壁垒,而这与3D打印技术关系紧密。

浅谈3d打印机现状与发展趋势

浅谈3D打印机现状与发展趋势 浅谈3D打印机现状与发展趋势 摘要:3D打印机(3D Printers)作为3D领域的一种前性产品,目前成为一种潮流正迅猛发展。3D打印机被称之为改变未来世界新的创造性科技,不仅改变了许多工厂的生产方式,给制造业带来一场革命,还将进入到我们的家庭,给工业生产和我们的生活带来巨大的革命性改变。 关键词:打印机打印过程建模喷嘴三维 一、起源 3D打印技术的核心制造思想最早起源于19世纪末的美国,到20世纪80年代后期3D打印技术发展成熟并被广泛应用。3D打印源自100多年前美国研究的照相雕塑和地貌成形技术,上世纪80年代已有雏形,其学名为“快速成型”。 在此之前,三维打印机数量很少,大多集中在“科学怪人”和电子产品爱好者手中。他们主要用来打印像珠宝、玩具、工具、厨房用品之类的东西。甚至有汽车专家打印出了汽车零部件,然后根据塑料模型去订制真正市上买不到的零部件。现在则主要用在航天、医疗等精密制造行业,以制作出普通工业流水线无法生产的复杂产品。 二、工作原理 工作原理是先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,从而指导打印机逐层打印。把数据和原料放进3D打印机中,机器会按照程序把产品一层层造出来,打印出的产品,可以即时使用。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面,三角面越小其生成的表面分辨率越高。 3D打印是断层扫描的逆过程,断层扫描是把某个东西“切“成无数叠加的片,3D打印就是一片一片的打印,然后叠加到一起,成为一个立体物体。目前3D打印机可打印的材料主要有石膏、尼龙、ABS塑料、PC、树脂、金属、陶瓷等,这些原材料都是专门针对3D

论述3D打印的技术现状及发展趋势

3D打印的技术现状及发展趋势 一 3D打印技术概况 3D打印技术是指通过连续的物理层叠加,逐层增加材料来生成三维实体的技术,与传统的去除材料加工技术不同,因此又称为添加制造(AM,Additive Manufacturing)。 3D 打印(3Dprinting)是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术,被称为“具有工业革命意义的制造技术”。运用该技术进行生产的主要流程是:应用计算机软件设计出立体的加工样式,然后通过特定的成型设备(俗称“3D 打印机”),用液化、粉末化、丝化的固体材 料逐层“打印”出产品。 3D 打印是“增材制造”(AdditiveManufacturing)的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上,使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法,去除多余部分,得到零部件,再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。 而“增材制造”与之截然不同,无需原胚和模具,就能直接根据计算机图形数据,通过增加材料的方法生成任何形状的物体,简化产品的制造程序,缩短产品的研制周期,提高效率并降低成本。 作为一种综合性应用技术,3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识,具有很高的科技含量。 3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统,主要由高精度机械系统、数控系统、喷

射系统和成型环境等子系统组成。此外,新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。 二 3D 打印所需的关键技术 3D 打印需要依托多个学科领域的尖端技术,至少包括以下方面:1.信息技术:要有先进的设计软件及数字化工具,辅助设计人员制作出产品的三维数字模型,并且根据模型自动分析出打印的工序,自动控制打印器材的走向。 2.精密机械:3D 打印以“每层的叠加”为加工方式。要生产高精度的产品,必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求。 3.材料科学:用于3D 打印的原材料较为特殊,必须能够液化、粉末化、丝化,在打印完成后又能重新结合起来,并具有合格的物理、化学性质。 三 3D打印的应用领域 具体应用领域包括: 1.工业制造:产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证;制作模具原型或直接打印模具,直接打印产品。3D 打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D 打印的家用器具模型,也被用于企业的宣传、营销活动中。 2.文化创意和数码娱乐:形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影《阿凡达》运用3D 打印塑造了部分角色和道具,3D 打印的小提琴接近了手工艺的水平。 3.航空航天、国防军工:复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、

3D打印技术的研究现状和前景

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3D打印技术 一、3D打印的概念 我们日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品,而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同,只是打印材料有些不同,普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料,打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。 3D打印技术,是以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同,3D打印将三维实体变为若干个二维平面,通过对材料处理并逐层叠加进行生产,大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。 二、3D打印的原理 3D打印并非是新鲜的技术,这个思想起源于19世纪末的美国,并在20世纪80年代得以发展和推广。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长,其价格也正逐年下降。 使用打印机就像打印一封信:轻点电脑屏幕上的“打印”按钮,一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上,它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在3D 打印时,软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D打印机上,后者会将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。 三、3D打印的过程 1) 三维设计阶段:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。 设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用

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