三维打印快速成形技术及其应用
２００８歪第２７卷
９月
第９期
机械科学与技术
ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＡｅｒｏｓｐａｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２００８
Ｖ０１．２７Ｎｏ．９刘厚才
三维打印快速成形技术及其应用
刘厚才１，一，莫健华１，刘海涛１
（１华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉４３００７４；
２湖南科技大学机电工程学院，湘潭４１１２０１）
摘要：三维打印快速成形技术与其他快速成形技术相比具有众多优点，被认为是快速成形领域最有生命力的新技术之一。本文根据喷射材料的不同。将三维打印快速成形技术分为粘结成形三维打印和直接成形三维打印，分别介绍了它们的工作原理、系统组成和结构特点。结合三维打印快速成形技术独特的成形工艺特性，对其在产品的概念原型与功能原型件制造、生物医学工程、制药工程和微型机电制造等领域的应用前景进行了分析和展望。
关键词：三维打印；快速成形；工作原理；应用前景；展望
中图分类号：ＴＨｌ６文献标识码：Ａ文章编号：１００３－８７２８（２００８）０９—１１８４－０３
ＡＲｅｖｉｅｗｏｆＴｈｒｅｅＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＰｒｉｎｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ＬｉｕＨｏｕｃａｉｌ”，ＭｏＪｉａｎｈｕａｌ．ＬｉＵＨａｉｔａ０１
（１ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭａｍｄＭＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄＤｉｅａｎｄＭｏｕｌｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。
ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ，４３００７４；
２ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｃｅｈｎｏｌｏｇｙ。Ｘｉａｎｇｔａｎ４１１２０１）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｏｔｈｅｒｒａｐｉｄｐｍｔｏｔｙｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｒｉｎｔｉｎｇ（３ＤＰ）ｈａｓｍａｎｙａｄｖａｎ－ｒａｇｅｓａｎｄｉｓｃａｌｌｅｄｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔａｃｔｉｖｅｒａｐｉｄｐｍｔｏｔｙｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｊｅｔｔｉｎｇｍａｔｅ?ｒｉａｌｓ，３ＤＰｉｓｃｌａｓｓｉｆｉｅｄａｓ３ＤＰｂａｓｅｄｏｎｊｅｔｔｉｎｇｂｉｎｄｅｒｍａｔｅｒｉａｌａｎｄ３ＤＰｂａｓｅｄｏｎｊｅｔｔｉｎｇｆｏｒｍｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅｉｒｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｓｙｓｔｅｍｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆ３ＤＰ，ｗｅａｎａｌｙｚｅｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｏｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆｐｒｏｄｕｃｔｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎｐｒｏｔｏｔｙｐｅａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｐｒｏ－ｔｏｔｙｐｅ，ｂｉｏｍｅ￥ｃＭｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓ—ｔｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｒｉｎｔｉｎｇ；ｒａｐｉｄｐｍｔｏｔｙｐｉｎｇ；ｊｅｔｔｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ
由麻省理工学院Ｓａｃｈｓ等…人首先提出的三维打印（ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｍｉｏｎＭｐｒｉｎｔｉｎｇ，３ＤＰ）快速成形（ｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，ＲＰ）技术是一种基于微喷射原理，从喷嘴喷射出液态微滴，按一定路径逐层打印（堆积）成形的ＲＰ技术。同立体印刷、叠层实体制造和选择性激光烧结快速成形技术相比，３ＤＰ不需要昂贵的激光系统，具有设备价格便宜、运行和维护成本低的优势。与熔融沉积快速成形技术相比，３ＤＰ可以在常温下操作，具有运行可靠，成形材料种
收稿日期：２００７—１ｌ一加
基金项目：湖北省自然科学基金项目（２００５ＡＢＡｌ８１）资助
作者简介：刘厚才（１９７５，一），博士研究生，研究方向为快速成形与快速制模，ｈｏｕｃａｉｌｉｕ＠ｙａｈｏｏ．㈣．∞类多和价格低的优势。此外，与其它ＲＰ系统相比，３ＤＰ还有操作简单、成形速度快、制件精度高、成形过程无污染，适合办公室环境使用等优点‘２１。因此，３ＤＰ被认为是ＲＰ行业中最有生命力的新技术之一，具有良好的发展潜力和广阔的应用前景。
ｌ３ＤＰ快速成形技术
３ＤＰ快速成形技术根据其喷射材料的不同，可分为两类：粘结成形３ＤＰ和直接成形３ＤＰ。
１．１粘结成形３ＤＰ
粘结成形３ＤＰ的工作原理如图ｌ所示。首先在成形室工作台上均匀地铺上一层粉末材料，接着
打印头（也称喷头）按照零件截面形状，将粘结材料 万方数据
第９期刘厚才等：三维打印快速成形技术及其应用
有选择性地打印（喷射）到已铺好的粉末层上，使零
件截面有实体区域内的粉末材料粘接在一起，形成
截面轮廓，一层打印完后工作台下移一定高度，然后
重复上述过程。如此循环逐层打印直至工件完成，
再经后处理。得到成形制件。
图１粘结成形３ＤＰ的工作原理
由粘结成形３ＤＰ的工作原理可知，基于该技术的３ＤＰ快速成形系统主要应由以下几部分组成：打印头控制系统（包括喷头、喷头控制和粘结材料供给与控制）、粉末材料系统（包括粉料储存、喂料、铺料及回收）、３个方向的运动机构与控制（包括打印头在Ｘ轴和ｙ轴方向的运动，工作台在Ｚ轴方向的运动）、成形室、计算机硬件与软件。
粘结成形３ＤＰ中常用的成形材料是淀粉基粉末和石膏基粉末，也可以用陶瓷基粉末或金属基粉末等其它材料直接成形陶瓷或金属等制件。由于未粘接的粉末材料可以作支撑，因此粘结成形３ＤＰ中不需要考虑支撑，打印头的个数最少可以只设置１个。若将粘结材料制成彩色，则该方法可以直接成形出彩色的制件，这是目前唯一可以制作彩色制件的ｌｉＰ工艺。目前已商品化生产基于该技术３ＤＰ快速成形设备的厂家是美国的ＺＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ公司。１．２直接成形３ＤＰ
不同于粘结成形３ＤＰ，直接成形３ＤＰ是直接由打印头打印出光固化成形材料、热熔性成形材料或其他成形材料，然后经固化成形得到制件。
图２是打印光固化材料３ＤＰ的工作原理图。其工作过程如下：根据零件截面形状，控制打印头在截面有实体的区域打印光固化实体材料和在需要支撑的区域打印光固化支撑材料，在紫外灯的照射下光固化材料边打印边固化。如此逐层打印逐层固化直至工件完成，最后除去支撑材料得到成形制件。打印其他成形材料３ＤＰ的工作原理与此相似，只是固化方式有所不同。
图２打印光固化材料３ＤＰ的工作原理
与粘结成形的３ＤＰ快速成形系统相比，直接成形的３ＤＰ快速成形系统因没有粉末材料系统，结构和控制相对要简单一些。在直接成形的３ＤＰ中，对于制件有悬臂的地方需要制作支撑，因此，基于该技术的快速成形系统中打印头的数量至少要设置２个，—个打印实体材料，另一个打印支撑材料。目前已商品化生产基于该技术３ＤＰ快速成形设备的厂家有以色列的ＯｈＪｅｔ公司、美国的３ＤＳｙｓｔｅｍｓ和Ｓｏｌｉｄｓｃａｐｅ公司。
２３ＤＰ快速成形技术的应用展望
３ＤＰ快速成形技术除了与其他ｌｉＰ技术一样，可以用于产品的概念原型与功能原型件制造外，３ＤＰ快速成形技术还因其独特的成形特点，使其在生物医学工程、制药工程和微型机电制造等领域有着广阔的应用前景。
２．１概念原型与功能原型件制造
利用３ＤＰ技术进行产品的概念原型件制造是建立从概念信息到物理实现的最直接方式。概念原型件可以用于展示产品设计的整体概念、立体形态和布局安排，进行产品造型设计和结构设计的评价，如在建筑设计上，利用３ＤＰ技术制作的大楼或桥梁等建筑物模型，可以帮助设计师进行评价和确定最终方案。医学上根据ＣＴ或ＭＲＩ的数据，应用３ＤＰ技术可以快速精确地制造人体的骨骼和软组织等器官模型，可以帮助医生进行病情诊断、术前讨论和最终治疗方案的确定。概念原型件还可作为产品的展示模型，进行产品的招投标和新产品上市前的宣传使用。
利用３ＤＰ技术制造的功能原型件可以用于产品的结构设计检查．装配干涉检验，静、动力学试验、物理和机械性能试验、人机工程试验等，为产品的优
化设计提供依据。通过３ＤＰ技术快速制造出产品 万方数据
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