三維立體印表機,也稱三維印表機(3D Printer,簡稱3DP)是快速成型(Rapid Prototyping,RP)的一種工藝,採用層層堆積的方式分層製作出三維模型,其運行過程類似於傳統印表機,只不過傳統印表機是把墨水列印到紙質上形成二維的平面圖紙,而三維印表機是把液態光敏樹脂材料、熔融的塑料絲、石膏粉等材料通過噴射粘結劑或擠出等方式實現層層堆積疊加形成三維實體。
三維印表機
快速成形技術(rapid prototyping,簡稱RP)又稱快速原型製造技術,是近年來發展起來的一種先進位造技術。快速成形技術20世紀80年代起源於美國,很快發展到日本和歐洲,是近年來製造技術領域的一次重大突破。快速成形是一種基於離散堆積成形思想的數字化成形技術;是CAD、數控技術、激光技術以及材料科學與工程的技術集成。它可以自動、快速地將設計思想物化為具有一定結構和功能的原型或直接製造零部件,從而可對產品設計進行快速評價、修改,以響應市場需求,提高企業的競爭能力。
RP將CAD、CAM、CNC、精密伺服驅動、光電子和新材料等先進技術集於一體,依據由CAD構造的產品三維模型,對其進行分層切片,得到各層截面的輪廓。按照這些輪廓,激光束選擇性地噴射,固化一層層液態樹脂(或切割一層層的紙,或燒結一層層的粉末材料),或噴射源選擇性地噴射一層層的粘結劑或熱熔材料等,形成各截面,逐步疊加成三維產品。它將一個複雜的三維加工簡化成一系列二維加工的組合.
快速成形工藝流程如下:
(1)三維模型構造 由於RP系統只接受計算機構造的產品三維模型(立體圖),然後才能進行切片處理,因而首先應在PC機或工作站上用CAD軟體(如UG、Pro/E、I-DEAS等),根據產品要求設計三維模型;或將已有產品的二維三視圖轉換成三維模型;或在逆向工程中,用測量儀對已有的產品實體進行掃描,得到數據點雲,進行三維重構。
(2)三維模型的近似處理 由於產品上往往有一些不規則的自由曲面,加工前必須對其進行近似處理。經過近似處理獲得的三維模型文件稱為STL格式文件,它由一系列相連空間三角形組成。典型的CAD軟體都有轉換和輸出STL格式文件的介面,但有時輸出的三角形會有少量錯誤,需要進行局部修改。
(3)三維模型的分層(Slicing)處理 由於RP工藝是按一層層截面輪廓來進行加工的,因此加工前須將三維模型上沿成形高度方向離散成一系列有序的二維層片,即每隔一定的間距分一層片,以便提取截面的輪廓。間隔的大小按精度和生產率要求選定。間隔越小,精度越高,但成形時間越長。間隔範圍為0.05~0.5 mm,常用0.1 mm,能得到相當光滑的成形曲面。層片間隔選定后,成形時每層疊加的材料厚度應與其相適應。各種成形系統都帶有Slicing處理軟體,能自動提取模型的截面輪廓。
(4)截面加工 根據分層處理的截面輪廓,在計算機控制下,RP系統中的成形頭(如激光掃描頭或噴頭)由數控系統控制,在x-y平面內按截面輪廓進行掃描,固化液態樹脂(或切割紙,燒結粉末材料,噴射粘結劑、熱熔劑和熱熔材料),得到一層層截面。
(5)截面疊加 每層截面形成之後,下一層材料被送至已成形的層面上,然後進行后一層的成形,並與前一層面相粘結,從而將一層層的截面逐步疊合在一起,最終形成三維產品。
(6) 后處理 成形機成形完畢后,取出工件,進行打磨、塗掛,或者放進高溫爐中燒結,進一步提高其強度(如3D-P工藝)。對於SLS工藝,將工件放入高溫爐中燒結,使粘結劑揮發掉,以便進行滲金屬(如滲銅)處理。
加工原理示意圖:
三維印表機
三維印表機
目前快速成型的對比:
三維印表機

1三維列印的發展

3D列印,又稱三維列印,在維基百科上面是這麼解釋的:快速成形技術的一種,它是運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過一層又一層的多層列印方式,構造零對象。模具製造、工業設計用 於建造模型,現正發展成產品製造,形成「直接數字化製造」。一些高價值應用(如髖關節或牙齒,或飛機零部件)已經有列印而成的零部件出現。「3D列印」意 味著這項技術的普及。
在20世紀80年代中期,SLS被在美國德州大學奧斯汀分校的卡爾Deckard博士開發出來並獲得專利,項目由DARPA贊助的。1979年,類似過程由RF Housholder得到專利,但沒有被商業化。
1995年,麻省理工創造了「三維列印」一詞,當時的畢業生Jim Bredt和Tim Anderson修改了噴墨印表機方案,變為把約束溶劑擠壓到粉末床的解決方案,而不是把墨水擠壓在紙張上的方案。
說到3D列印,就不得不提3D印表機:
3D印表機又稱三維印表機,是一種累積製造技術,通過列印一層層的粘合材料來製造三維的物體。現階段三維印表機被用來製造樣品。 2003年以來三維印表機的銷售逐漸擴大,價格也開始下降。
該技術可用於珠寶,鞋類,工業設計,建築,工程和施工(AEC),汽車,航空航天,牙科和醫療產業,教育,地理信息系統,土木工程,和許多其他領域的。
最早的3D列印出現在上個世紀的80年代,價格極其昂貴且所能列印的產品數量也少得可憐。
過程原理: 3D列印技術每一層的列印過程分為兩步,首先在需要成型的區域噴洒一層特殊膠水,膠水液滴本身很小,且不易擴散。然後是噴洒一層均勻的粉末,粉末遇到膠水 會迅速固化黏結,而沒有膠水的區域仍保持鬆散狀態。這樣在一層膠水一層粉末的交替下,實體模型將會被「列印」成型,列印完畢后只要掃除鬆散的粉末即可 「刨」出模型,而剩餘粉末還可循環利用。
3D列印技術使用膠水和粉末都是經過處理的特殊材料,不僅對固化反應速度有要求,對於模型強度以及「列印」解析度都有直接影響。
技術優勢: 3D列印技術最突出的優點是無需機械加工或任何模具,就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件,從而極大地縮短產品的研製周期,提高生產率和降低生產成本。與傳統技術相比,三維列印技術還擁有如下優勢:
通過摒棄生產線而降低了成本,大幅減少了材料浪費。而且,它還可以製造出傳統生產技術無法製造出的外形,讓人們可以更有效地設計出飛機機翼或熱交換器。另外,在具有良好設計概念和設計過程的情況下,三維列印技術還可以簡化生產製造過程,快速有效又廉價地生產出單個物品。
另外,與機器製造出的零件相比,列印出來的產品的重量要輕60%,並且同樣堅固。
最早的三維印表機

  最早的三維印表機

2三維CAD軟體或將助3D列印產業破冰

過去國外三維CAD軟體壟斷市場的時候,天價般的費用讓許多企業望而卻步,也使得精通三維CAD軟體的設計師占的比例不高。
  據介紹,隨著國內三維CAD軟體品牌的崛起,如中望3D、CAXA等國內軟體,整體市場價格開始回落到企業可接受的範圍內。同時,三維CAD技術也逐漸呈現簡單化、易用化的特點,掌握專業3D設計的人群越來越多。之前舉辦的中望3D全球聖誕設計比賽,許多第一次使用中望3D的參賽者都能設計出精美的3D作品,中望3D也委託國內3D列印專業資訊機構iCader,將其中的吉他作品列印成迷你的模型,作為比賽紀念品。據悉,中望3D2013版也增加了專門與3D印表機對接的功能。
  3D列印技術發展前景不可限量,但基於目前的限制條件,仍需要理性看待。隨著國內三維CAD軟體與3D列印技術的對接越來越完善,相信3D列印不會只是噱頭,而是真正成為第三次工業革命的推動力。

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