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3D打印技术的未来发展与实际应用

来源:科印网作者:张桂兰时间:2014/03/21 点击:

  据称“3D打印”被誉为自20世纪90年代兴起互联网以来最热门的技术,甚至将其称为是第三次工业革命,可以做到无所不能的打印技术。但是3D打印技术到底是什么,现在的发展情况怎样,这是我迫切想了解的。因此,我带着极大的热忱查阅了国内外的有关资料,经过学习、总结,使我对3D打印有了初步的认识,从中领会了3D打印的点滴技术要点。

  什么是3D打印?

  3D打印虽然火热,但仍处于初始阶段,多数人对此还是比较陌生的。但实际上“3D”早已走进寻常百姓的生活中。例如,当我们走进电影院看立体电影时,服务员一定会送上一副眼镜,要求你在看电影时戴上,这样我们看到的电影就是一系列立体的场景,即3D图像,其原理如图1所示。

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图1 最简单的透镜类型的3D画面

  图1显示的是典型的透镜类型的3D画面,左视觉观察的压缩图像用L1表示,右视觉观察的压缩图像用R1表示,当压缩图像对准图像薄片顶部的微透镜时,微透镜将其分为左视图和右视图。观看者的左眼只能看到左视图,右眼只能看到右视图。所以同时从两个不同的角度观看时,左视图和右视图就成了一个立体场景的图像,即三维图像。
  如果将我们所看到的3D图像进行反向思考,则可以想像到立体图像实际是二维图像的叠层,这样就不难理解3D打印了。
  所谓3D(三维)打印,是使用叠层制造技术来制造产品。在计算机的控制下,一旦打印机接收到用几何表示的产品时,将其数据分成许多横截面的2D(二维)层,然后使用安装的材料进行逐层构建,每层的接合处理可采用熔化和沉积等技术实现。当每层处理结束后,可以取出产品,它可以是一个最终产品或产品的零件,并能立即使用。
  3D打印是以材料而定的制造技术,因为每层要添加材料,才能形成三维物体。因此,3D打印被认为是一个添加的过程,因为所构建的物体是从零开始的;而传说的制造技术,所使用的材料要被切割、钻孔、铣削或加工等,因此可看成是个消减的过程。
  3D打印机采用了各种技术和材料,不仅具有传统打印机打印数字文件的功能,还能打印3D物体,进行无所不能的打印。图2为3D Systems公司的3D Touch品牌的家用和办公用的打印机,是基于叠层制造技术(Additive Layer Manufacturing——ALM)的3D打印机。

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图2 3D Touch的3D打印机

  3D打印技术的发展简况

  3D打印技术的发展可分为以下几个阶段。
  1.1986年:发明“立体光刻”技术
  1984年查尔斯赫尔(Charles Hull)研发了3D打印技术,被称为“立体光刻”(Stereolithography——SLA)技术,也称为光固化技术或立体平版印刷设计。该方法使用激光加热和合并树脂层而共同创造一个三维物体。1986年,他取得专利并形成了3D系统,同时开发出“立体光刻设备”,被认为是有史以来第一台3D打印机,但还没有出现“3D打印机”术语。这台机器是一个原型机,并没有人制造,但是选定了多家公司对该机进行了测试。根据测试反馈的意见,1988年对原型机进行了改进,称为SLA-2502的立体光刻设备向公众出售。
  2.1987年:发明了选择性激光烧结(Selective Laser Sintering——SLS)技术
  1987年,DTM公司(现在的BF Goodrich公司的附属公司)开发了选择性激光烧结(SLS)技术,并且进行了商业应用。其工艺是采用激光熔化粉末状物质来创建一个实物。1992年生产出可以使用的第一台机器。
  选择性激光烧结技术通常可以用来制作结构功能件,激光束选择性地熔合所用材料,无须辗压步骤,工艺简单。图3为选择性激光烧结技术的一个实例,它有两个粉末仓,位于平台的两边,水平辊将粉末从一个粉仓穿过工作区推到另一个粉仓,之后激光束逐步描绘整个层,工作台下降一个层高的厚度,水平辊以相反方向移动,如此往复直到整个零件烧结完毕。

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图3 选择性激光烧结技术实例示意图

  3.1988~1992年:发明熔融沉积造型(Fised Deposition Modeling—— FDM)技术
  1988年斯科特克伦(Scott Crump)提出了熔融沉积成型(FDM)的想法,该技术采用喷嘴和热熔胶枪的方法来创建三维物体,一年后成立了Stratasys公司,使三维的想像力具有了商业上的可行性,1992年他们的第一台FDM机被投放市场。
  4.1993~1996年:发明“三维打印”(3DP)技术
  1993年,美国麻省理工学院采用一种新的方法,即三维打印(3PD)技术,并获得了专利。后来,美国麻省理工学院将所获得的专利授权给Z公司(现在的3D Systems公司的一部分)。1996年Z公司开发出Z402打印机。Z402打印机与标准的喷墨打印机类似,但是它是3D打印机。
  5.1996~2008年:“3D打印”和自我复制的3D打印机
  1996年有更多的3D打印机(有些是新型号的,有些是改进型的)投放市场,这时“3D打印”的术语开始被快速原型制造业所采用。
  虽然在2000年左右推出一些更便宜的机型,但3D打印系统仍然是昂贵的,直到2006年推出RepRap之前,通常只用于工业用途。2008年开始RepRap销售,并能打印它自己部分的50%,这意味着RepRap是世界上第一个自我复制的3D打印机。RepRap也是一个开放的源代码项目,这意味着所有的设计印刷的东西都可以在免费软件许可证的情况下发布。
  6.2008年至今:Makerbot和在线社区
  2008年以后,3D打印有了较大的发展,特别是2011年3D打印出现迅猛发展的势头,3D打印技术从原型设计印刷工具到制造工具有了很大突破。2012年MakerBot投放市场,它是一个开放源代码项目,并沿用RepRap三维打印的经验,价格合理,可用于普通家庭中。
  3D打印可使用各种材料以及多种打印技术。根据所使用的材料、所需多少种颜色、分辨率及价格等因素,至少有5种3D打印方法可以选择。
  (1)熔融沉积成型技术
  熔融沉积成型(FDM)技术是3D打印中最常用的技术,这种技术所采用的原料是一卷塑料或金属丝,将原料熔化并通过打印机的喷嘴,逐层构建3D模型。对于商业印刷设计而言,如使用MakerBot打印机,FDM通常使用塑料丝,因此FDM通常被称为“热塑性沉积”。
  (2)喷墨打印技术
  喷墨打印采用特殊油墨(树脂和黏合剂),使用非常类似于家用或办公用的喷墨打印设备去建立一个3D模型。树脂和黏合剂添加到被创建物体的每一层,直至所有层被添加完。喷墨打印是3D打印技术中唯一可以自定义颜色的打印技术。
  (3)选择性激光烧结技术
  烧结是从粉末变成固态物体的过程,选择性激光烧结(SLS)的粉末可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃。SLS使用一个脉冲激光在所需的横截面上“绘制”,该技术的关键是需要有一个相当强大的激光装置。
  (4)数字光处理技术
  3D打印采用的数字光处理(Digital Light Procession——DLP)技术与DLP投影机的技术相同,DLP制造与立体光刻(SLA)类似,但是能得到很高的精度,价格也贵很多。
  (5)其他类型
  还有几种没有被广泛使用的3D打印技术,但是可能未来会用到。例如,与DLP方法类似的是使用发光二极管(Light Emitting Diode——LED)固化树脂,用双光子的光聚合实现超小型的3D打印的功能,在分层实体制造中,将使用的纸张或卡片粘在一起,然后用激光切割。

  3D打印技术的使用现状

  3D打印技术虽然有20多年的历史,但发展并不快。20世纪90年代主要在美国和以色列得到应用,主要用于制作印刷设计电路板。3D打印机的用途很广,可以制造飞机零件、人造骨骼、复杂的以及纳米级的机器等,称为无所不能的打印技术,但目前全球市场的规模并不大,约为30亿美元左右。自2010年以来开始出现3D打印热潮,2011年世界上第一台打印的汽车诞生,许多自行车、飞机也开始被打印出来,3D打印使用的材料多种多样,目前已经达到100多种,仍在开发更多种材料。
  目前世界上掌握3D打印技术的国家也不多,只有美国、以色列、德国等少数发达国家,我国也已全面掌握了3D打印技术。
  我国3D打印技术虽然市场规模不大,只有3亿元人民币左右,但已在镶牙、航天、卫星定位、军事等领域得到了应用,虽然在材料和软件方面与发达国家还有一定差距,但我国的3D打印技术将会快速发展。为了加快3D打印技术的产业化,促进3D打印技术与传统制造技术的有机结合,2012年10月,由亚洲制造业协会联合了华中科技大学、北京航空航天大学、清华大学等权威科研机构以及3D打印领先企业成立了“3D打印技术产业联盟”,这标志着我国3D打印技术开始进入快速发展的新阶段。
  有专家预测,2013年3D打印技术将成为全球最热门的技术,以致在全球掀起使用3D打印技术的热潮。让我们以极大的热情,迎接3D打印技术的腾飞吧。