3D打印标准（共9篇）
3D打印标准 篇1
智能制造已在很多方面得以应用。一个被称为增材制造的非常有前景的技术,正是ASTM F42增材制造技术委员会的关注点所在。该委员会对这一发展迅猛的新兴行业标准制定起着关键作用。
制造零部件,逐层叠加
现代机械和设备的很多零部件都是通过传统的减量制造生产的,从一块坚固的材料开始,通常是金属材料,在材料上面进行雕琢直到最后生成所需的形状。
而增材制造是通过建立三维目标,在CAD文件(计算机辅助技术)的指示下,这一文件包含了所有必需参数:厚度、形状、轮廓等等,使用逐渐累加层叠的方法,将材料添加进去制造而成的。
发展潜力和挑战
航空航天和军事应用已成为增材制造最具潜力的市场。Mary Kinsella,美国空军研究实验室增材制造集成产品团队的高级制造研究工程师,也是这一团队的领导,已经看到了增材制造潜力的端倪。
“目前,在航空航天领域,主要的结构性增材制造应用于模具、卡具、定制模型和设计迭代,”Kinsella如是说,“增材制造开始通过减少产品交付时间而对所有这些应用施加影响。一些非关键、非结构零件的应用,比如聚合物环境管道,已经在空中翱翔了。”
Kinsella指出通过增材制造技术能够迅速制造出原型零部件,使得更改设计更为快速且经济,她认为增材制造最终会取代零部件的模具制造并且实现零部件的“按需”制造,从而无需保持大量的备件储备。
Kinsella还指出“目前使用在军事系统的很多标准都是专用的,个别企业内部也制定了一些自主知识产权的标准,但是当技术和认知都日趋成熟时,还是需要公共标准来提供一种通用语言用以指导这些没有资源制定相关标准的企业。”
国际合作计划
ASTM F42与包括国际标准化组织(ISO)和美国制造、国家增材制造创新协会在内的国际组织进行合作。
2011年, ASTM和ISO就ASTM F42和ISOTC 261共同制定增材制造标准签订了正式协议。这一协议也标志着两大国际标准组织的合作进入重要里程碑,此后两大国际标准组织将共同制定ASTM和ISO联名标准。也就在同一年,ASTM和美国制造的上级部门美国国家国防制造和加工中心签订了制定增材制造标准的谅解备忘录。
F42在近6年的时间中,已经制定发布了11项ASTM标准,其中包括3项ASTM和ISO的联名标准。这些标准包括一项增材制造文件处理的规范,一项增材制造试样的数据报告指南和一项用于增材制造的金属粉末性能特性指南。所有这些标准为增材制造设备的生产方和使用方在进行零部件设计和使用或是增材制造材料、软件和硬件的检测提供了一种通用语言。
目前还有10余项新标准正在制定中,其中包括指南和检测方法标准,将有助设计、材料和加工过程的改善。
3D打印标准 篇2
星期六上午8：30点，我怀着无比激动的心情登上了开往温州大学的大巴，经过一路的颠簸，我们一行人来到了温州理工大学的理工学院，带领我们的是郑教官，首先我们来到了3D打印实验室，这里的展品让我目不暇接，我如饥似渴的在里面瞧瞧这个，望望那个，有：梦幻般的城堡、精美的吊桥，别致的高跟鞋……看着大家如饥似渴的求知眼神，郑教官开始给我们简单介绍：“3D打印的原理是专用的三维软件把产品编成程序，利用特殊的塑料丝、碎金属粉一层一层的`堆积起来，从而制造出你所需要的产品。它打印的作品是立体的，而且精致、美观，它的优点是能够一次成型，但美中不足的是它耗材、耗时、耗电。而且由于种种原因，3D打印目前还是一项不完善的技术，必须使用专用的材料，不是所有的产品都能打印，希望你们长大以后能将他改善的更加完美。
10：00点教官带我们去参观了让我耳目一新的机器人，给我们上了堂关于人工智能的课，还让我们亲身体验了操控机器人，看着机器人在我的操控下，灵活的完成各种动作，真是让我体验到了科学的神奇力量。
3D打印标准 篇3
在欧盟第七框架计划的资助下, 一个名为“3D打印标准化支持行动 (SASAM) ”的项目近日发布了一份3D打印标准化路线图。该路线图旨在作为欧洲标准的一个示范模板, 其中阐述了标准化对于产业应用及现有3D打印技术标准发展的重要性, 明确了标准化与优先关注标准之间的差距, 最终有助于产业发展符合最佳实践。通过与主要的规范化或标准化机构保持联系, 将能确保该目标的实现。在更加容易产业化的同时, 又可以节省更多的原料, 保证成品的质量。
在3D打印中金属材料的3D打印制造技术是难度最大的, 由于金属的熔点较高、金属液体固液相变、表面扩散以及热传导等多种物理过程中复杂的变量, 还要考虑生成的晶体组织是否良好, 整个试件是否均匀、内部杂质和孔隙的大小等等因素, 为此, 一般需要激光技术加以配合, 激光的功率和能量分布、激光聚焦点的移动速度和路径、加料速度、保护气压、外部温度等等。一般而言, 激光快速成型需要用高功率的激光照射试件表面, 融化金属粉末, 形成液态的熔池, 然后移动激光束, 熔化前方的粉末而让后方的金属液冷却凝固。周边需要有送粉装臵、惰性气体保护、喷头控制等来配套。
3D打印属于增材制造, 不仅可以提高保证质量、提高效率, 而且大大解决材料浪费, 尤其对于比较稀缺和昂贵的材料而言, 在3D领域应用的意义更加重要。目前为止, 在军事和航天航空以及医疗领域, 3D打印技术正在成为一种趋势。稀有金属锗、镓, 铋、锑、锡、钨、钛及其化合物等是3D打印的重要原材料。钨作为硬质合金在军事上的用途非常广泛, 钛作为一种轻金属与镁形成合金广泛用于航空航天部件的生产。纯钛金属早已经在医疗上广泛应用, 而3D打印钛金属则是近几年的事情。钨、钛、镓、铋等均属于稀有稀散资源, 是我国的优势资源, 国家十分重视这些资源的保护和收储。2011年成立的泛亚有色金属交易所跟随国家政策方向, 将以上品种作为上市品种, 在保护稀有资源、争取全球定价权话语权方面起到了重要的作用。
3D打印技术将支持创新, 实现成本、资源有效的生产, 以保持欧盟制造业的高度竞争力。欧洲3D打印平台 (European Platform for AM) 起草了战略研究议程, 其中强调了标准化的重要支柱作用, 并且最终通过SASAM成功制订出路线图。
浅谈3D打印技术 篇4
1.3D打印技术概要...................................................1 1.1 3D打印技术原理..............................................1 1.2 主要的3D打印技术类型.......................................1 1.2.1 3DP：三维印刷技术......................................1 1.2.2 FDM：熔融层积成型技术..................................1 1.2.3 SLA：立体光固化技术....................................1 2.3D打印技术主要应用领域...........................................1 2.1医学领域.....................................................2 2.1.1术前病患部位诊断.......................................2 2.1.2人体组织替代品制作.....................................2 2.2军事领域.....................................................2 2.3教育领域.....................................................2 3.3D打印技术的社会隐患.............................................3 3.1“克隆人”有可能再成话题.....................................3 3.2安保系统面临威胁.............................................3 3.3自制武器泛滥.................................................3 3.4假冒伪劣产品当道.............................................3 4.3D打印技术的展望.................................................4
《多媒体技术与应用》课程论文
摘要：3D打印思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广。经过多年的研究，3D打印技术得到了极大的进步，在社会的各个领域得到应用，为推进社会发展做出了极大的贡献。随着技术成熟，这一尖端技术也从实验室一步步走进寻常百姓家。但是随着技术的普及，其不安的隐患也一点点显露。
关键词：3D打印 技术概要 应用领域 社会隐患
1.3D打印技术概要
1.1 3D打印技术原理
3D打印是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。
3D打印机堆叠薄层的形式有多种多样。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，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。
1.2 主要的3D打印技术类型
1.2.1 3DP：三维印刷技术
采用3DP 技术的3D 打印机使用标准喷墨打印技术，原料使用粉末材料，如陶瓷粉末、塑料粉末、金属粉末等。3DP 技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂（如硅胶）喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件。1.2.2 FDM：熔融层积成型技术
熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。FDM 技术的优势在于制造简单，成本低廉。1.2.3 SLA：立体光固化技术
固化技术是最早发展起来的快速成型技术，也是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。光固化技术，主要使用光敏树脂为材料，用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面，这样层层叠加构成一个三维实体。
2.3D打印技术主要应用领域
《多媒体技术与应用》课程论文
2.1医学领域
2.1.1术前病患部位诊断
传统医学的术前诊断，主要是通过X光线和CT仪器对手术部位的扫描，之后完全由医生的经验和手术团队的讨论来确定手术方案。这样的术前诊断存在一定的风险，毕竟通过平面的扫描图很难将人体内部的结构完全清晰正确的显示出来。手术时，在打开患者的病患部位时发现内部结构和事先讨论的情况有出入，从而导致手术陷入危机甚至失败的例子数不胜数。
利用3D打印技术，可以将患者病患部位的结构立体化的呈现出来，用于复杂手术的术前研究。据报道，美国一位儿科医生成功打印制作出人体心脏实物模型，使手术操作人员更好地掌握患者心脏结构，以此减少手术风险。通过这一技术，大大缩短了手术周期，提高了手术的成功率。2.1.2人体组织替代品制作
传统医学领域的人体组织替代品制作，由于需要制作模具，导致制作工艺复杂、制作周期漫长；通过3D打印技术，不用建模可以直接打印，制作速度大大提高。比如，人体某块骨骼缺失或损坏需要置换，首先可扫描对称的骨骼，形成计算机图形并做对称变换，再打印制作出相应骨骼。
这项技术可应用于牙齿种植、骨骼移植、重建义肢等医学领域。据中国日报网报道，一位83岁的骨髓炎患者接受了下颌骨移植，所用的人造骨骼是一个3D打印成品，而打印出的的下颌骨未对患者的语言和表达造成影响。德国研究人员利用3D打印等相关技术，制作出柔韧的人造血管，并能使血管与人体融合，同时解决了血管人体排斥的问题。
2.2军事领域
美军的F-22战机，虽然性能优异，但是其制造工艺复杂，制造周期漫长，而且传统的“减法”制造方法导致了原料大量浪费。因此美国军事领域的专家一直致力将3D打印技术应用于大型军事设备的制造。奥巴马政府上台后依然将这一项目作为美国军事领域的重点项目。但是由于技术的局限性，将3D打印技术应用于大型军事设备的制造迟迟没有进展。
虽然在有些方面频频碰壁，但是不可否认3D打印技术在军事方面发挥着巨大的作用。主要表现在武器受损部件的维护和武器复杂小零件的生产。美军安妮斯顿陆军基地采用激光近净成型成功维修M1艾布拉姆斯坦克的燃气涡轮。2014年7月1日，美国海军利用3D打印等先进制造技术快速制造舰艇零件，希望借此提升执行任务速度并降低成本。
有了3D打印技术，只要知道武器构件的结构和材质，无论多复杂，都可以做出来，而且成本还很低，制造装备就变得异常容易。这显然将使武器的价格下降和生产速度大大加快，尤其会使尖端武器“白菜化”，使一些原本为大国、强国垄断的武器生产能力，扩散到小国、发展中国家或某些集团手里。
2.3教育领域
3D打印技术在教育领域也掀起了一场的新的热潮。世界各地的教育机构纷纷研究怎么将这一技术应用到教育与学习中。
如今3D打印的身影在各个学科的教学中已经处处可见。在化学教育中，3D打印可以制作3D 立体分子模型；在生物教育中，3D打印可以打印出分子、病毒、器官、人工关节
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或其他模型；在地理教育中，3D打印可以制作立体的地形图、人口统计图等直观模型；在历史教育中，3D打印可以用于复原历史上的工艺品、古董，用于复制易碎物品，也可以将化石真实的展现在学生面前。借助这些3D打印的工具，能将学生的学习对象更加直观的呈现出来，提高了教学效率，也利于学生对知识的消化吸收。
除了上述的应用方式外，还可以让学生亲身体验3D打印技术。玛丽·华盛顿大学的教师在2012 年的设计入门课程中使用3D 打印机作为学习环境，由学生扫描实物或自己设计出物品，打印出原型，并在此基础上试验和改进。这种教育方式激发了学生的学习积极性、提高了学生的动手能力和参与能力、培养了学生的创造性和创造力。
3.3D打印技术的社会隐患
3.1“克隆人”有可能再成话题
3D打印技术在人造器官和组织方面取得的巨大进展的确为广大患者带去了福音。但是3D打印技术日新月异的突破，让人们不得不面对一个巨大的问题：既然人体器官和骨骼都可以顺利3D打印，那么3D打印一个生命个体也将成为可能。
之前的细胞克隆人曾在全球范围内引起了轩然大波，如果3D打印也可以“克隆”人的话，一场新的**在所难免。那些失去亲人朋友的人，如果知道3D打印可以让亲人团聚，朋友重逢，这巨大的诱惑也许会让他们踏出危险的一步，那么“人死不能复生”的定律又将置于何处。利用3D打印“克隆人”，那些不法分子干起不法勾当将会更加得心应手，替罪羊也将一抓一大把。
人类一直遵循有性繁殖，但是“克隆人”一旦出现，将打破孟德尔的遗传规律和人类传统的生育模式，使人伦关系模糊、混乱，甚至颠倒，道德伦理和法律也将面临挑战。
3.2安保系统面临威胁
利用3D打印技术，得到假指纹、假脸、假虹膜已经成为现实。这就意味着那些高科技的安保系统将失去用武之地。不法分子只要获取目标人的指纹、虹膜等数据，那些严密的安保将如同摆设。电影中那些间谍突破重重安保获取机密的情节将成为现实。
这就意味着，3D打印技术如果落入不法分子手中，个人档案、企业资料甚至国家机密就如同曝晒在光天化日之下。
3.3自制武器泛滥
利用3D打印技术，自制武器也将成为现实。在中国持有武器是违法行为，如果3D打印武器泛滥，社会安全将受到前所未有的威胁。即使在美国等西方国家，允许百姓合法持有武器，但是在自制3D打印武器的冲击下，事态也会失去控制。
2014年5月8日，日本警方逮捕了一位名叫工井村义友的27岁大学员工，原因是他从国外网站上轻松获得了3D打印枪的图纸，并涉嫌非法持有两把可以发射真子弹的3D打印枪。这只是这类事件的冰山一角。
3.4假冒伪劣产品当道
仅从外观上消费者可能很难分辨出产品的真伪，这为黑心商家提供了可乘之机。利用3D打印技术，不法商家可以很轻松复制出目标产品的外观。这就意味着假冒伪劣产品将大量出现在市场上。原本凭借着产品良好的工艺、优异的质量和优秀的用户体验打下市场基
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础的商家将会面临巨大的商业危机。
4.3D打印技术的展望
万物都是一柄双刃剑。一项新技术的发展，利与弊总是一起出现的，关键是使用者如何利用这项技术。
“克隆人”的问题依然存在，但是我们不可否认治疗性的“克隆”是必须的。这是现代医学发展的必然。3D打印在推进社会发展方面做出的贡献我们有目共睹，我们不能因为一点小的危害就全盘否定一件事物。只要我们更加系统更加规范的利用3D打印技术，其弊端就能被无限的缩小。
为了防止3D打印危险物品或者仿冒正规商品。我们可以建立一个版权的认证环节。可以要求所有的3D打印机都连接互联网，否则无法打印。网上的3D打印的图纸必须从正规渠道获得。用户在3D打印时，通过连接互联网的认证系统，对3D图纸进行认证，如果3D图纸属于危险品或者无法认证的物品就无法打印。这样在一定程度上能减少3D打印危险品和仿冒商品的可能。这仅仅只是一种设想，但是随着技术的发展，相信这些弊端最终会被消除。
综全篇所述，3D 打印将改变第二次工业革命产生的以装配生产线为代表的大规模生产方式，使产品生产向个性化、定制化转变。3D 打印机的推广应用将缩短产品推向市场的时间，在数小时内通过3D打印机就可将产品“打印”出来，从而不需要大规模生产线，不需要大量的生产工人，不需要库存大量的零部件。相信在不久的未来，3D打印能融入每一个人的日常当中，成为生活不可分割的一部分。
参考文献：
3D打印标准 篇5
这货专门配备了一个传感器, 一束用来识别声纹的激光扫过, 总统就开始演讲了, 侧面的播放控制也是用手势感应来激活。他们这些玩儿数字艺术的人想法的确是够创意啊有木有?其实这种记录声音的方式和老式的黑胶唱片的原理是一样的, 就是通过声音所形成的有特殊纹理、凹凸不平的波纹来转换成声音后实现的。但是用3D打印这么“高大上”的手段来实现, 并且正好是总统展望3D打印行业未来时的一段话, 如果3D打印真有了“工业革命”的节奏, 那这货的纪念意义就非凡了。
不过小猫还是接地气的想象, 以后家用的CD音响、MP3、4、5播放器是不是都要弱爆了?家里放个这玩意儿, 既美观又实用, 既然声音可以打, 那视频应该也差不多吧?以后出去旅游回来直接把视频打印成一座雕塑, 照着视频中那样回放一下, 太高大上了简直!
这是小猫第一次挂视频内容, 因为这么有纪念意义的消息不放视频你根本体验不到这个艺术品的魅力。所以一顿研究以后找到了这段视频, 猫友们局域网内可以欣赏一下。
3D打印势头强劲 篇6
自最初推出以来, 3D打印技术展区已经售出了超过3, 000净平方英尺的展区, 此后, 又将展区面积增加了25%, 以迎合参展商需求。新的技术展区目前共有9家参展商, 包括3D Systems、MakerbotIndustries、Sculpteo和Stratasys Inc.。
International CES及企业业务战略部高级副总裁Karen Chupka说道:“参展商的需求真正促使我们下决心推出该3D打印技术展区, 而该展区也正迅速成为业内最具活力、最具创新力的类别之一。
3D打印瓷杯 篇7
在国外的工业领域, 早就有用3D打印来制造建筑用瓷的企业, 现在, 艺术家也把目光投向了这项革命性技术———利用传统的工艺烧造技术加上无限创意, 就能打造出绝美的瓷器。
西班牙设计师伯纳特·屈尼 (Bernat Cuni) 就借助了3D制瓷打印, 完成了他所谓“每天一个咖啡杯”的计划。 在30 天的时间里, 屈尼每天都会制作出一个稀奇古怪的咖啡杯。 每个杯子从构思、设计、成型到制成, 所花费的时间都控制在24 小时之内。
从概念变身实物, 最重要的是构建现实模型, 整个3D打印过程需要花费大约4小时的时间。 在平铺的瓷粉上的特定区域沉积有机粘结剂, 每建成一层, 在顶部继续添加瓷粉和黏结剂, 直到整个模型完工。之后, 模型将会被送入炉中加热, 这样, 黏结剂就会被固化。 出炉后, 扫掉外层的瓷粉末, 一个实体的模型就算是做成了。被清理掉的瓷粉还可以用于下一个模具的制造。
为了让屈尼的杯子永久地保持住结构外形, 它需要被送入炉子中再用高温“磨炼” 一番。 通过使用一种水性喷雾对其预先上釉, 可以减轻表面的粗糙程度, 然后再进行低温加热, 为最终在表面上釉打下基础。 层层加工之后, 带着亮丽光泽的咖啡杯就修成正果了。
原本只是模型的咖啡杯变成了触手可及的现实事物, 充分体现出了3D制瓷打印技术的可操作性和便捷性。 屈尼制造的咖啡杯虽然在实用性上有所欠缺, 但新鲜的想法和技术带给人耳目一新的感觉。
如果说, 传统制瓷工艺高温烧结的魅力是3D陶瓷打印无法企及的话, 那么3D制瓷打印的造型技术, 却能完成传统制瓷工艺所无法表现的繁复三维结构。
传统的方法中, 制作雕塑要抟泥、塑型, 考验工匠的用刀和对泥土湿度的把握。而3D制瓷打印则是承担了过去手工塑型制模的整个过程。
3D打印技术综述 篇8
关键词：3D打印,综述,应急维修
近来, “3D打印”这个词在媒体上出现的频率极高, 不但能打印模具、自行车, 还能打印出手枪等武器, 甚至能够打印出汽车、飞机等大型设备装备。作为一种新型制造技术, 3D打印已展现出了十分广阔的应用前景, 不但在交通、医疗保健、军事以及教育等机构得到充分利用, 而且在装备设计与制造、装备保障、航空航天等更多的领域展现出了强劲的发展势头[1]。
1 3D打印的概念和原理
1.1 基本概念
与传统的减法制造工序 (通过对整块材料进行“裁剪”获取想要的形状) 相反, 3 D打印技术是一种增材制造技术 (A d d i t i v e Manufacturing) , 即通过叠加式制造工序, 根据计算机数据, 利用金属、塑料或其它材料逐层自动打印物品, 因此也称作叠加成型技术或快速原型技术[2]。3D打印机是应用3D打印技术来构造物品的设备。3D打印机具有仿真性强、速度快, 价格便宜, 高易用性等优点[3]。
1.2 基本原理
首先在电脑上设计一个完整的三维立体模型 (也称为计算机辅助性设计) , 然后把胶体或粉末等“打印材料”装入打印机, 再将打印机与电脑相连接, 通过打印设备软件读取设计绘图数据, 并将数据传输至3D打印机, 从而控制印刷头的移动与材料输出。在3D打印机工作时, 塑性模型材料细丝与可溶性支撑材料将被加热至半液体状态, 然后通过印刷头输出, 精确地沉积成极其细微的分层, 把“打印材料”和三维立体模型一层层叠加, 最终把计算机上的蓝图变成实物。
印刷头只沿水平方向或垂直方向移动, 模型与支撑材料将自下而上地构造。在构造模型时, 有了支撑材料的承托, 模型的悬挂部分能够顺利完成材料沉积。打印工作完成后, 支撑材料将会自行溶解, 还可按需为模型涂上颜料或者进行其他处理[4]。
1.3 3D打印的特点
(1) 精度高。目前3D打印设备的精度基本都可控制在0.3mm以下。
(2) 周期短。3D打印无须模具的制作过程, 使得模型的生产时间大大缩短, 一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印。
(3) 可实现个性化。3D打印对于打印的模型数量毫无限制, 不管一个还是多个都可以以相同的成本制作出来。
(4) 材料的多样性。一个3D打印系统往往可以实现不同材料的打印, 而这种材料的多样性可以满足不同领域的需要。
(5) 成本相对较低。虽然现在3D打印系统和3D打印材料比较贵, 但如果用来制作个性化产品, 其制作成本相对就比较低了[5]。
2 3D打印技术
2.1 概述
3D打印技术又称作叠加成型技术或快速原型技术。它源于军方的“快速成型” (Rapid prototyping, RP) 技术, 基本原理都是叠层制造。RP技术是当今世界飞速发展的制造技术之一, 诞生于20世纪80年代后期, 是基于材料堆砌法的一种高新制造技术, 被认为是近20年来制造领域的一项重大成果[6]。它集机械工程、CAD制图、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术于一身, 可自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件, 从而为零件原型制作、新设计思想的校验等提供一种高效益、低成本的实现手段[7]。
2.2 主流技术
RP技术以其高集成、高柔性、高速性而得到了迅速发展。
(1) 3D打印成型技术。使用标准喷墨打印技术, 将液态连接体铺在粉末薄层上, 逐层创建各部件。此技术在打印成型过程中不需要使用实体或附加支持, 并且所有未使用的材料都可再利用, 所开发的3D打印成型机具有处理速度快、成本低廉以及应用范围广的特点[8]。
(2) 光固化成型法。以液态光敏树脂为材料充满液槽, 由计算机控制激光束跟踪层状界面轨迹, 使液体树脂固化, 层层叠加, 最终得到一个三维实体模型。特点是原型件精度高, 零件强度和硬度好, 可制造出形状特别复杂的空心零件, 生产的模型柔性化好, 可随意拆装, 是间接制模的理想方法。缺点是需要支撑, 树脂收缩会导致精度下降, 另外光固化树脂有一定的毒性, 不符合绿色制造发展趋势。
(3) 分层实体制造法。或称为叠层实体制造, 是根据零件分层集合信息切割箔材和纸等, 将所获得的层片粘接成三维实体。特点是工作可靠、模型支撑性好、成本低、效率高, 缺点是前、后期处理费时费力, 且不能制造中空结构件。
(4) 选择性激光烧结法。常采用金属、陶瓷、AS塑料凳材料的粉末作为成型材料。特点是材料适用面广, 不仅能制造塑料零件, 还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件, 造型精度高, 原型强度高, 所以可用样件进行功能试验或进行装配模拟。
(5) 熔融沉积制造法。又称为熔丝沉积制造, 是以热塑性成型材料丝为材料, 逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。特点是使用、维护简单, 成本较低, 速度快, 一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型, 且无污染[9]。
以上是一些目前市场上主流的3D打印技术, 除上述技术外, 一些大的3D打印公司在它们的基础上也研发了其他3D打印技术。
(1) Objet Poly Jet MatrixTM技术。该技术由以色列Rehavot高新科技开发区Objet Geometries公司提出, 是3D打印的一个革命性的突破, 可以为普通消费品、电子消费品、汽车及其他制造商就双色注塑模具提供强大的解决方案, 更好地减少成本和降低风险[7]。
(2) Poly JetTM技术。Poly JetTM技术是Ob Jet公司2000年时在全球最先推出的, 先用喷嘴将感光材料以16m的厚度喷涂在基材上, 然后用紫外光固化, 再喷涂一层, 再固化, 如此反复, 直至完成打印。
(3) Ob Jet StudioTM软件。实质上是一个客户端/服务器软件, 可以快速、高效地构造高质量、高详细程度的模型, 可以接受任何三维CAD应用程序的文件, 将其分割, 驱动打印喷头喷出一层层成型材料, 完成模型的构建。
(4) Direct Metal (SLMR) 技术。采用激光烧结粉末成型, 制成的三维模型一般是金属模型, 应用领域比较广, 可应用在医学、航天和高精度工程领域的零部件制作。
(5) Voxeljet Systems技术。也是一种固化成型技术, 成型的模型较大, 适合于交通运输和医学方面的应用[10]。
3 3D打印设备
3D打印设备目前比较出名的公司主要有Z-Corporation公司、3D System公司、Objet Geometries公司和Stratasys公司 (后两者于2012年4月宣布合并) 等[11]。其中3D System公司的实力最强, 代表了3D打印目前的技术水平和未来的发展趋势, 能够为专业人士及类似消费者提供3D打印系统。
3D System公司的3D打印系统可分为个人用户解决方案、专业用户解决方案和工业用户解决方案等。
(1) 个人用户解决方案。主要特点是多功能、低成本, 是入门级产品。Bot Mill是小型的办公类型的3D打印系统, 主要打印一些小的物件。Rap Man主要用于学校教学或爱好者打印塑料模型。3Dtouch也是一款用于教学、家庭和办公领域的小型3 D打印机, 精度为0.125mm, 设备总体质量也只有38kg左右。
(2) 专业用户解决方案。专业版的Pro Jet系列主要针对办公和小型工业设计领域, 包括1000、1500、SD3500、HD3500、6000、7000等, 支持单色和彩色模型的打印。此外还有Zprinter系列的6种3D打印机[12]。
(3) 工业用户解决方案。工业产品解决方案中主要有四种不同的技术。在光固化成型技术方面, 考虑到要满足不同客户的需要, 打印尺寸和配置要求也不同, 机型也略有区别;在选择性激光烧结法方面, 精度可以达到0.08mm, 最大的成型尺寸可以达到550mm (X) *550mm (Y) *750mm (Z) 。在SLM技术方面, 目前有s Pro 125 SLM Printer和s Pro 250 SLM Printer两种机型, 速度为 (5~20) cm3/h, 每层厚度为 (20~100) m, 打印模型大小分别为125mm*125mm*125mm和2 50mm*250mm*320mm。在voxeljet systems技术方面, 有两种机型:VX500和VX800, 打印模型大小分别为500mm*400mm*300mm和850mm*450mm*500mm[13]。
Stratasys公司的Dimension 3D立体打印机由RP技术转化而来, 其成本低于RP技术, 能够测试塑形、适配和功能, 并且在桌面上即可随心所欲地进行设计迭代, 产品原型可经受严格的测试, 不会弯曲、收缩和吸收水分, 使用的ABS塑料在日常环境下比较稳定, 任何形状的零件精度都不会随着时间推移而受到环境条件的影响, 能够制作耐用的功能原型[14]。
另一3D打印大公司Objet公司也具有同样的实力。该公司的产品分为Connex家族 (能够打印多种模型材料) 、Eden系列 (高精度、高品质) 和桌上型产品系列 (实惠普及型系列) [15]。
4 3D打印应用
目前, 虽然对于产品开发和制造来说, 3D打印技术能够带来无限的可能性, 但是大部分的技术应用主要分成概念模型、功能原型、工具制造、制成品四类[16]。随着技术的发展, 3D打印的应用领域在不断扩展。
(1) 医学领域。2011年9月, Object医疗解决方案部门负责人介绍, 其新型材料非常适合3D打印植入手术导板和口腔输送盘。2011年11月, 德国科学家利用3D打印技术成功地研制了人造血管, 用3D打印骨骼、器官模型更是轻而易举的事了。
(2) 工业领域。现代工业中, 很多产品如手机、汽车、飞机等在新产品推出之前要做很多模型和零部件。基于3D打印技术的快速成型, 可以大大减少前期研发的时间, 被越来越多的工业领域所应用。
(3) 个性化领域。随着3D技术的发展, 3D打印可以打印各种各样的日常小模型, 设备也小到可以放到桌面上。如3D System公司的Cube 3D Printer, 可以打印5.5英寸*5.5英寸*5.5英寸大小的立体模型[17]。
(4) 航空航天领域。2012年, 美国宇航局完成了“添加制造仪器”的测试, 该仪器就是利用3D打印技术在太空打印宇航员所需要的模型。这是NASA对太空按需生产能力的投资, 使得3D打印机可以广泛运用于建造空间站部件, 制造航天员使用的工具、卫星甚至航天器等。研发团队认为, 未来在太空利用他们正在制造的打印机可以“打印”出太空所需三分之一的零部件[18]。
(5) 军事领域。3D打印技术应用到军事领域, 一方面可在军事装备开发阶段获取设计的即时反馈信息, 有助于降低成本和提高战技性能;另一方面还可以帮助使用维修人员利用三维模型和3D打印设备, 现场快速生产原型产品 (包括工具、零配件等) , 解决平时维修和战时抢修中可能出现备件携带不足、备件不易购买、再造周期较长、特殊备件成本太高等问题, 提高维修效率, 减轻后勤保障压力, 增强部队的任务持续能力[19]。
5 3D打印的发展趋势
未来5-10年, 随着技术的不断进步及市场需求的扩大, 3D打印将呈现三个方面的发展趋势:一是随着开拓并行、多材料制造工艺方法的采用, 3D打印速度和效率有望获得更大提升;二是随着先进材料的不断发展, 智能材料、纳米材料、新型聚合材料、合成生物材料等成为3D打印材料, 打印材料更加多样化;三是随着技术进步及推广应用, 3D打印设备的价格有望大幅下降[20]。
3D打印诞生后, 早期主要用于汽车、航空航天、机械、医疗、建筑等行业的模型制作。随着其进一步走向成熟, 3D打印已开始用来制造汽车、飞机等高科技含量零部件, 以及皮肤、骨骼等活体组织。专家预计, 在不久的将来, 从鞋、眼镜到厨房用具、汽车整车等各种产品都可以用3D打印机生产出来[21]。
6 结语
3D打印标准 篇9
关键词：3D打印,数控加工,切削,工业化生产
1 引言
自上世纪80 年代以来,3D打印技术以逐步进入人们的视野, 现已发展出选择性激光烧结、熔融沉积、分层实体制造和选择性激光熔化成型等多种形式, 在工业设计、模具制造、航空航天和医疗卫生等领域均有应用[1]。目前3D打印技术已经展现出一种极具成本效益的多次迭代设计方式, 在产品研发的初始阶段, 就获得产品设计的即时反馈信息, 便于发现缺陷并及时修改, 不仅有助于降低成本, 而且能缩短产品的上市时间, 对于在产品研发阶段采用3D打印技术的企业来说, 无疑具有明显的竞争优势[2]。
欧美发达国家高度重视3D打印技术的发展, 奥巴马政府视人工智能、3D打印、机器人为重振美国制造业的三大支柱, 其中3D打印是第一个得到政府扶持的产业,并且在航空航天装备制造、生物医学等多技术领域领跑全球。在国内, 众多的研发机构和企业也积极参与3D打印设备的研发, 但总体技术水平落后于欧美。政府部门对3D打印的政策支持力度也不断加大,科技部公布的《国家高技术研究发展计划(863 计划)、国家科技支撑计划制造领域2014 年度备选项目征集指南》, 首次将3D打印产业纳入其中, 工信部联合发改委、财政部也出台了《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016)》的通知, 这一举措也为我国3D打印技术的发展指明了方向。
但在传统的3D打印过程中, 仅有靠单一的打印方式完成最终产品的制造, 大大增加了打印的难度, 导致次品率较高。而在制造行业中, 仍然是依靠切削加工方式获得高精度和高质量的产品, 以数控机床为代表的减材制造装备正不断挑战着复杂、精密类零件的制造极限, 因此可将数控加工技术引入3D打印领域, 形成3D打印与数控加工相结合的产品制造方式, 采取“打印—加工”模式不仅可以降低3D打印的制造难度, 更能大幅提高产品的制造速度。
2 传统3D打印的一般流程[3]
利用传统3D打印技术制造一件产品, 通常要经过三维建模、分层处理、叠加打印和后期处理四个步骤。
(1) 三维建模
一方面可以利用Pro/E、UG、Solid Wroks、3DMAX等软件, 通过三维建模的方式设计出所需的3D模型,另一方面还可利用三坐标测量仪或3D扫描仪, 获取目标对象的三维数据, 并且以采集到的数字化点云为基础逆向生成相应的三维模型[4]。
(2) 分层处理
通常3D打印机并不能直接读取三维模型, 这一过程需要由专门的分层软件来完成, 它将三维模型根据实际需要切分成一层层的切片。切片的厚度与打印速度和打印质量有着密切的联系, 一般来讲切片越厚则打印时间越短, 单产品越粗糙, 越薄则打印产品越精细, 耗费的时间也相对较长。
(3) 叠加打印
由打印机将打印材料逐层喷涂或熔结到三维空间中, 虽然不同类型3D打印机的工作原理的不同, 产品实现方式也有很多种, 但其基本原理无外乎先分层制造再逐层叠加。根据模型大小、复杂程度、打印材质和制作工艺的不同,这一过程需要耗时几分钟到数天不等[5]。
(4) 后期处理
由3D打印直接获得的产品的表面难免会有飞边、毛刺或是较为粗糙的截面, 这就需要对打印出的产品进行后期处理。如打磨、修整、抛光、剥离、喷涂、固化、上色等加工过程。这些处理会使产品的美观性和功能性显著提升, 从而达到最佳的制作效果。
3 熔融沉积式3D打印方法的特点
长期以来3D打印一直受到打印材料的制约, 在国内PP形式与SLA形式的3D打印机的打印耗材成本在1 万元/kg, 昂贵的打印耗材成本使得很多用户望而却步, 这也严重影响了3D打印技术的应用和普及。但熔融沉积式3D打印技术恰好弥补了这一缺陷, 这种类型的3D打印材料价格一般不超过200 元/kg(PLA材料),若采用ABS或PA66 材料则打印成本会更低, 价格在50 元/kg左右。因此, 低廉的使用成本也使得熔融沉积式3D打印机越来越受到人们的关注, 也最有可能首先投放到人们的生产和生活之中。
熔融沉积式3D打印技术通常是先把塑料类的打印材料进行加热熔化, 再从打印喷嘴处以丝状挤出, 按照分层后零件每一层的预定轨迹, 以适当的速率进行熔体沉积打印, 每完成一层, 打印喷头会相对于工作台提升一个打印层高, 进行新一层的叠加打印, 如此反复最终实现所需产品的沉积成型[6]。
采用熔融沉积型式进行产品打印, 由于采用塑料类的打印材料, 材料的配比和性能很好改变, 更加适合灵活多变的打印用途, 此外其低廉的耗材成本和较高的材料利用率也是其他打印方式无法比拟的。但是熔融沉积式3D打印的缺点在于制造精度较低, 不易制造复杂类悬臂零件, 并且加工产品的表面质量不佳。一方面是由于打印层高是由打印喷头出丝的直径决定, 通常最小出丝直径在0.1 ~ 0.4mm之间, 另一方面该打印方式是将塑料类打印材料经熔化后再凝固, 这就使得打印得到的产品存在有一定的内部应力, 从而导致产品质量大大下降,难以用于精度较高产品的制造。因此, 目前该制造方式只适合于中等复杂程度的概念类产品建模和特殊类产品的外状及功能测试, 还不能应用于大型零部件的生产。
4 “打印—切削”联动式3D打印模式
传统熔融沉积式3D打印机存在制造速度慢、产品尺寸小、打印精度低、表面质量差、后续处理复杂等问题,究其原因一方面在于打印喷头的出丝尺寸直接影响到产品的打印精度。按照传统3D打印的理念, 为保证产品的尺寸精度就必须要缩小打印喷头的直径, 而喷头的最小出丝直径决定了被打印工件的精度, 若打印喷头的直径为0.1mm,则工件的最小打印精度也在0.1mm左右。此外在逐层打印过程中,各层之间也会产生分层和纹理,同时过小的打印喷头直径将影响产品的打印速度, 使打印时间延长, 所以这种打印方法仅适合中小型零件的加工, 不宜用于大尺寸工件的制造; 另一方面, 在铸造生产中, 将液态金属导入铸模之后, 随着金属的冷却凝固,铸件难免会发生收缩和变形。而在熔融沉积式3D打印过程中也面临类似的问题, 打印材料由从融化挤出到凝固成型, 材料状态变化引起的收缩导致打印工件内部应力的产生, 进而使得被打印工件发生变形, 并且打印工件越大变形问题越严重。
因此, 传统的打印模式已经严重制约了3D打印技术的发展, 速度慢、尺寸小、精度低、质量差等一系列问题正影响着3D打印技术向实际生产和生活领域的应用和推广。为解决这一问题, 本课题组创新引入数控加工技术, 将传统的“减材制造”与“增材制造”融合在一起, 研制出一种“打印—加工”相结合的新型3D打印模式( 如图1)。该打印模式将产品的制造过程分为3D打印和数控加工两个部分, 即首先进行产品的3D打印,在打印过程中预留出一定的加工余量, 以便进行后续切削加工; 在打印完成后启动数控加工系统, 利用切削刀具去除打印过程中产生的缺陷, 并完成一些难于打印部位的加工, 使被加工零件满足设计和使用要求。
(1) 3D打印过程
在产品的打印过程中, 为提高打印速度、减少打印时间, 将采用“分级打印技术”。在实施打印时, 首先使用打印熔丝直径较小的打印喷头, 对所打印切片层的外形轮廓进行精细打印, 然后根据实际情况切换成熔丝直径较大的打印喷头, 对所完成轮廓内部进行填充打印, 这种打印方式不仅可以很好的保证打印产品的外观质量, 还可缩短打印时间、大大提高打印效率。
(2) 数控加工过程
在产品打印完成后, 启动数控加工功能, 根据实际需求选取相应的切削刀具, 以切削加工方式去除打印过程中产生的飞边、毛刺、拉丝等缺陷, 还可利用该方式完成一些不易打印位置的加工, 如薄壁结构、平面结构、大跨度悬空结构等。同时还可通过工艺调整, 在打印过程中预留一定的加工余量, 以切削加工方式去除打印过程中产生的变形, 起到降低打印难度, 提高产品质量的目的。
在产品制造过程中, 根据产品的结构特征和实际用途,有针对性的调整打印与加工的顺序, 形成“先打印后加工”、“边打印边加工”、“打印后无加工”等多种产品制造工艺,以柔性、高效的方式完成大尺寸、高精度、复杂型产品的制造。
5 数控加工系统具备特点
(1) 以数控铣削装置为基础
为实现对产品的切削加工功能, 必须在原有3D打印机上加入一套数控加工系统。在传统减材切削加工中,铣削加工的适用范围最广, 它可以加工平面、沟槽、内孔、复杂曲面等, 因此本系统将以数控铣削装置为基础,并配有加工刀库, 以便应对不同的加工需求[7]。
(2) 具有工作位置调整机构
在打印和切削加工过程中, 为避免发生运动干涉,需要引入一套工作位置调整机构, 在打印过程中它将数控加工装置收起, 以保证打印过程的顺利进行, 而在数控加工过程中又要将打印装置调整至合适位置, 避免打印机构对切削加工产生不利影响。
(3) 除屑降温功能
在传统金属切削加工中常用到切屑液。它具有清洗、冷却、润滑、防锈等功能, 实现带走切屑、减小切削阻力、降低切削温度、防止工件烧伤、减少表面粗糙度和提高尺寸精度的目的, 保证了产品的加工质量。在对打印出的塑料类产品进行数控切削加工过程中也需要使用类似切削液的物质, 一方面可以带走切削热量, 降低切削表面的温度, 防止发生粘刀和工件熔化的情况, 另一方面可以带走切屑, 保证加工的顺利进行。结合3D打印工艺的特点, 在此采用压缩空气作为“切削液”, 其具有来源广泛、输送方便、无毒害作用等优点, 适用于3D打印的工作环境。但是压缩空气吹起的切屑会产生无规则的飞溅,飞溅起的切屑除了会影响工作区域的整洁外,还可能粘附在工件的表面, 影响下一步的打印过程, 因此还需要引入一套吸尘装置, 对切削产生的残屑进行回收和储存, 即可保证工作环境的清洁又可保证“打印—加工”过程的顺利进行。
6 应用范围及推广价值
本项目研发的新型熔融沉积式3D打印机适用于装备制造业, 借助“打印—加工”相结合的新型3D打印技术, 将长期处于实验室阶段的3D打印拓展到大规模工业生产, 突破了以往仅能打印中小型工件的局面, 使大型工业产品的3D打印制造为可能。在实际应用过程中, 它可为装备制造类企业提供产品开发阶段的单件、小批量试制, 还可用于特殊类产品的订单化生产。针对目前市场及行业情况, 该3D打印机可首先应用于注塑行业, 它将改变注塑类产品的研发模式, 由传统方式:设计→开模→样品制造→模具修改, 变为新方式: 设计→ 3D打印样品→设计修改→开模。
目前国内大多数注塑类产品在开发阶段仍是以开模具为主, 传统的设计样品的制作过程从开模具到注塑生产大约需要一个月,所需费用高达几万元甚至几十万元,这就大大增加了企业的制造成本和研发周期。而借助这种新型的3D打印技术, 以“打印—加工”相结合的方式直接获取设计样品, 非常适用与大型注塑类产品在开模前的试制, 利用新方式完成一件样品的制作只需3—5天, 所需费用不过几千元, 为企业优化设计、改进工艺创造了有力条件, 进一步实现降低研发成本、缩短设计时间、提高企业的市场竞争优势的目的。
7 结束语
(1) 将数控加工系统与3D打印技术相结合, 形成“打印—加工”新型产品制造方法, 在提高加工质量的同时缩短了制造时间。
(2) 依照“打印—加工”模式的工艺要求, 产品在打印过程中需要预留一定的切削加工余量, 便于在数控加工中进行表面修整和缺陷去除。
(3) 为适应新的产品制造方法, 采取“分级打印”的方法, 通过对打印喷头和供料速度的控制, 分别完成外形轮廓打印和内部填充打印, 提高了打印效率。
(4) 在制造速度、产品质量、打印尺寸三个方面突破了传统3D打印机的局限, 将制造水平提高到工业级,真正实现大型工件的高速、高效生产。
(5) 新型的3D打印机可为装备制造企业提供产品开发阶段的单件、小批量试制, 还可用于特殊类产品的个性化生产。
参考文献
[1]WALTER.P&DAVIES.K.3D printing for artists:research and creative practice[J].Journal of the Norwegian Print Association,2010,(1):12-15.
[2]许廷涛.3D打印技术——产品设计新思维[J].电脑与电信,2012,(9):5-7.
[3]王灿才.3D打印的发展现状分析[J].丝网印刷,2012,(9):37-41.
[4]成思源,周小东,杨雪荣等.基于数字化逆向建模的3D打印实验教学[J].实验技术与管理,2015,(1):30-33.
[5]董宇,佟强.数控系统在3D打印领域中的应用[J].科技创新导报,2015,(3):89.
[6]谢毅.熔融沉积快速成型系统的微型螺杆挤出式双喷头设计与研究[D].华南理工大学,2009.