目前,3D打印技術(shù)在大眾消費(fèi)、工業(yè)、生物工程等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)開始,并具有不同的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。在歐洲和美國,3D印刷的流行率高于中國。2012年,世界3D印刷行業(yè)產(chǎn)值12億-13億元,中國約10億元。美國和德國的3D打印產(chǎn)值約占行業(yè)總收入的80%。中國的市場規(guī)模與日本相同。在大眾消費(fèi)領(lǐng)域,中國正在推出3D攝影館和3D創(chuàng)作者,杭州、北京、西安、上海等城市也相繼開設(shè)了3D攝影館。如何將3D打印技術(shù)應(yīng)用于大眾消費(fèi)領(lǐng)域,尚缺乏成熟的商業(yè)模式。這個問題不僅存在于大眾消費(fèi)層面,也存在于產(chǎn)業(yè)層面和生物工程層面。傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)的經(jīng)營模式是生產(chǎn)設(shè)備和銷售設(shè)備。無論市場用戶的需求如何,設(shè)備都是在上市前生產(chǎn)的。目前,3D打印產(chǎn)業(yè)仍走傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的老路。這種方式似乎行不通,否則3D打印技術(shù)在全球市場產(chǎn)值超過20億美元?“3D打印應(yīng)取代傳統(tǒng)制造業(yè)。在未來,我們可以在家里打印任何我們想要的東西,不需要工廠、車間、工人或外出?!白孕熊嚭惋w機(jī)可以用3D打印機(jī)打印”,“3D打印將使工廠告別車床、鉆頭、沖壓機(jī)、模具制造機(jī)等。傳統(tǒng)的工具被更復(fù)雜的計算機(jī)軟件所支配…這是很多人的觀點(diǎn),也經(jīng)常被一些媒體引用。根據(jù)3D打印技術(shù)的原理,不可否認(rèn),3D打印實(shí)際上可以打印出設(shè)計之外的任何東西。

幾種主流快速成型工藝的成型原理及優(yōu)缺點(diǎn)
1. 激光光固化(SLA——Stereolithography)
該技術(shù)以光敏樹脂為原料,將計算機(jī)控制下的紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態(tài)樹脂連點(diǎn)掃描,便被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng),從而形成零件的一個薄層截面。當(dāng)層固化完畢,移動工作臺,在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂以便進(jìn)行下一層掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上,如此重復(fù)直到整個零件原型制造完畢。美國3DSYSTEMS 公司是*早推出這種工藝的公司。該項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)是精度和光潔度高,但是材料比較脆,運(yùn)行成本太高,后處理復(fù)雜,對操作人員要求較高。適合驗(yàn)證裝配設(shè)計過程中用。
2. 三維打印成型(3DP——3Dimension Printer)
其*大特點(diǎn)是小型化和易操作,多用于商業(yè)、辦公、科研和個人工作室等環(huán)境。而根據(jù)打印方式的不同,3DP三維打印技術(shù)又可以分為熱爆式三維打印(代表:美國3D Systems公司的 Zprinter系列——原屬ZCorporation公司,已被3D Systems公司收購)、壓電式三維打?。ù恚好绹?D Systems公司的ProJet系列和前不久被Stratasys公司收購的以色列Objet公司的三維打印設(shè)備)、DLP投影式三維打印(代表:德國Envisiontec公司的Ultra、Perfactory系列)等。
增材制造現(xiàn)在定義了用于創(chuàng)建新零件和產(chǎn)品的大型工業(yè)(和業(yè)余愛好)系統(tǒng)。更常見地稱為3D打印,此類別中的大多數(shù)系統(tǒng)的特征在于它們逐層構(gòu)建零件的方法。
各個系統(tǒng)之間存在顯著差異,目前存在10種類型的3D打印。但是,這些和更典型的工業(yè)流程之間的主要區(qū)別可以分為幾類:
1、速度定義了從設(shè)計到完成可以制造給定部件的速度。
2、成本是創(chuàng)建單個零件所需的平均資金數(shù)額。
3、質(zhì)量是衡量零件和程度的現(xiàn)實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。
4、一致性是在相同的制造運(yùn)行之間“相同”部件的相似之處。
5、靈活性定義了在制造過程中可以輕松定制或修改設(shè)計。
6、可訪問性粗略衡量一個人或企業(yè)可以輕松獲得創(chuàng)建零件或產(chǎn)品的方法。
7、可持續(xù)性是對單個零件制造產(chǎn)生的廢物量的粗略衡量,以及與其他工藝相比,零件可以回收的難易程度。
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工業(yè)3D打印機(jī)的主要用途是什么?
工業(yè)三維打印機(jī)的應(yīng)用對象可以是任何行業(yè),只要這些行業(yè)需要模型和原型。具體應(yīng)用領(lǐng)域包括:
1.工業(yè)制造:產(chǎn)品概念設(shè)計、原型設(shè)計、產(chǎn)品評審、功能驗(yàn)證;制作模具原型或直接打印模具,直接打印產(chǎn)品。小型無人駕駛飛行器、3D打印的小型汽車等概念產(chǎn)品相繼問世。家電產(chǎn)品的3D打印模型也用于企業(yè)宣傳和營銷活動。
2。文化創(chuàng)意與數(shù)字娛樂:具有復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)和特殊材料的藝術(shù)表現(xiàn)載體。科幻電影“阿凡達(dá)”使用3D打印來塑造一些人物和道具;3D打印小提琴接近于手工藝。
3。航天國防工業(yè):直接制造形狀復(fù)雜、尺寸細(xì)、性能特殊的零部件和機(jī)構(gòu)。
4.生物醫(yī)學(xué):人工骨、牙齒、助聽器、假肢等。
5。消費(fèi)品:設(shè)計和制造珠寶、服裝、鞋類、玩具和創(chuàng)意DIY作品。
6.建筑工程:建筑模型風(fēng)試驗(yàn)與效果顯示、建筑工程與施工(AEC)模擬。
7。教育:不同學(xué)科實(shí)驗(yàn)和教學(xué)的科學(xué)假設(shè)的模型驗(yàn)證。在美國的一些中學(xué)、學(xué)院和軍事學(xué)院,3D打印機(jī)已被用于教學(xué)和科學(xué)研究。
8。食品工業(yè):研究人員已經(jīng)開始嘗試印刷巧克力。也許在不久的將來,許多完全相同的食物將與食品3D打印機(jī)“打印”。當(dāng)然,到那時,人造食品可能要貴很多倍。
9.個性化定制:基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)下載、電子商務(wù)個性化打印和定制服務(wù).
EOS北美航空航天業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Scott Killian表示,當(dāng)公司開始時,他們很容易轉(zhuǎn)向增材制造服務(wù)供應(yīng)商的部分零件。 “一旦公司投入生產(chǎn),他們就必須弄清楚供應(yīng)鏈?zhǔn)欠袢阅軡M足他們的需求,”他補(bǔ)充說。 “現(xiàn)在有很多潮流和流動讓供應(yīng)鏈增加?!?br>許多航天公司直接與EOS(一家德國3D打印機(jī)制造商)或由增材制造服務(wù)提供商運(yùn)營的EOS設(shè)備上的打印部件合作。 Killian可以討論的火箭客戶是Launcher。這家開發(fā)3D打印銅雙金屬發(fā)動機(jī)的紐約公司已同意與EOS展開聯(lián)合營銷活動。
“他們希望公開談?wù)撍麄冋谧鍪裁匆约八麄冋谧鍪裁?,”基利安說。 “他們還希望在他們前進(jìn)的過程中與我們密切合作?!?br>Launcher在5月發(fā)布推文,它生產(chǎn)出世界上的3D打印燃燒室,由單個部件組成。
由于EOS開始公開談?wù)撈渑cLauncher的合作,許多運(yùn)載火箭開發(fā)商已聯(lián)系該公司討論增材制造。 Killian說,一些早期公司已經(jīng)考慮了EOS機(jī)器的價格標(biāo)簽并決定不購買機(jī)器。
“我們實(shí)際上遇到過這些創(chuàng)業(yè)公司的情況,他們與我們交談并決定與服務(wù)部門合作,直到將設(shè)備帶入并自行完成工作才有意義,”Killian說。 “我們不一定會直接與很多火箭公司做很多事情,但我們的平臺在那里幫助他們?!?br> 3D打印新型熱電裝置創(chuàng)效率記錄-3d打印資訊
英國的研究人員在3D打印電子產(chǎn)品的性能方面取得了突破,通過一種新穎的制造方法創(chuàng)造出一種新型熱電裝置,將廢熱轉(zhuǎn)化為能源。該團(tuán)隊(duì)在《先進(jìn)能源材料》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于其工作的論文。
研究人員表示,該裝置由斯旺西大學(xué)SPECIFIC創(chuàng)新和知識中心的研究人員開發(fā),將熱量轉(zhuǎn)換為電能,其效率比以前打印設(shè)備的性能高50%。該中心旨在開發(fā)減少碳排放的技術(shù),包括更的建筑和工業(yè)流程。
材料加成制造有著廣闊的發(fā)展前景,但也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。目前*困難的問題是材料的物理化學(xué)性質(zhì)制約了其實(shí)現(xiàn)技術(shù)。例如,在成型材料中,目前主要是有機(jī)高分子材料和金屬材料。金屬材料的直接成形是近十年來的研究熱點(diǎn)。它逐漸在工業(yè)上得到應(yīng)用。難點(diǎn)在于如何提高精度。新的研究方向是通過添加材料制造技術(shù),直接堆積軟組織材料(生物基質(zhì)材料和細(xì)胞),形成類似生命的生物體,并通過體外和體內(nèi)培養(yǎng)制造復(fù)雜的組織和器官。關(guān)鍵技術(shù)的研究和開發(fā)將有力地推動材料添加技術(shù)的發(fā)展。
金屬3D打印技術(shù)及其專用電源的研究進(jìn)展
近年來,3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的制造,特別是金屬材料的制造。在國防領(lǐng)域,歐美發(fā)達(dá)國家重視3D印刷技術(shù)的發(fā)展,投入大量資金研究,3D印刷金屬部件一直是研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。它不能打印模具、自行車、槍支等武器,甚至不能打印汽車、飛機(jī)等大型設(shè)備。三維打印作為一種新的制造技術(shù),在設(shè)備設(shè)計與制造、設(shè)備保障、航空航天等領(lǐng)域顯示出了非常廣闊的應(yīng)用前景,并顯示出強(qiáng)大的發(fā)展勢頭。
1 3D打印概述
1.1 基本概述
3D打印技術(shù)的核心思想起源于19世紀(jì)末的美國,但直到20世紀(jì)80年代中期才形成。1986年,美國查爾斯·赫爾發(fā)明了臺3D打印機(jī)。3D打印技術(shù)于1991年在中國開始研究。大約在2000年,這些過程開始從實(shí)驗(yàn)室研究到工程和生產(chǎn)逐漸發(fā)展。當(dāng)時,它的名字是快速原型技術(shù)(RP),這是在開發(fā)樣本之前的物理模型。現(xiàn)在又被稱為快速成型技術(shù),材料加成制造。但為了方便公眾接受,這種新技術(shù)統(tǒng)稱為3D打印。三維打印是一種基于數(shù)字模型設(shè)計的快速成型技術(shù),三維物體的生成技術(shù)是利用金屬粉末或樹脂等粘合材料層層“增料”印刷而成。3D打印被稱為“上個世紀(jì)的思想和技術(shù),本世紀(jì)的市場”。
1.2 3D打印特點(diǎn)
1)精度高。目前,3D打印裝置的精度可以控制在0.3mm以下。
2)短周期。3D打印不需要模具的制造工藝,大大縮短了模型的生產(chǎn)時間。一般來說,模型可以在幾小時甚至幾十分鐘內(nèi)打印出來。
3)個性化。3D打印對打印模型的數(shù)量沒有限制,無論是否可以以相同的成本進(jìn)行一個或多個打印。
4)材料的多樣性。3D打印系統(tǒng)可以打印不同的材料,這些材料的多樣性可以滿足不同領(lǐng)域的需要。
5)成本相對較低。雖然目前3D打印系統(tǒng)和3D打印材料相對昂貴,但如果用于制作個性化產(chǎn)品,其生產(chǎn)成本相對較低。
2 金屬3D打印技術(shù)
金屬零件三維打印技術(shù)是整個三維打印系統(tǒng)中進(jìn)、最有潛力的技術(shù),是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和普及應(yīng)用的需要,利用快速成型直接制造金屬功能零件已成為快速成型的主要發(fā)展方向。目前,直接制造金屬功能件的快速成型方法主要有:選擇性激光熔接(SLM)、電子束選擇性熔接(EBSM)、激光工程網(wǎng)成型(透鏡)等。
2.1激光工程清潔成形技術(shù)(透鏡)。
透鏡是桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室提出的一種新的快速成型技術(shù)。它的特點(diǎn)是直接制造具有復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的金屬功能零件或模具;多種可加工金屬或合金材料可以實(shí)現(xiàn)非均勻材料零件的制造;便于加工熔點(diǎn)高、加工難度大的材料。
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透鏡是在激光熔覆技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的金屬零件三維打印技術(shù)。所述金屬粉末采用中強(qiáng)激光同步熔化,并按預(yù)定軌跡逐層沉積在基片上,最終形成金屬零件。1999年,Lens Technology被評為美國工業(yè)“創(chuàng)意的25項(xiàng)技術(shù)”之一。國外學(xué)者對透鏡法制備的奧氏體不銹鋼試樣的硬度分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,試樣的維氏硬度隨加工層數(shù)的增加而降低。
采用透鏡法制備了承重植入體的多孔梯度結(jié)構(gòu)。所用材料為鎳、鈦等與人體相容性好的合金。植入物的孔隙率為70%,植入物的使用壽命為7-12年??死锵<{等人。用Ti6Al4V和CoCrMo合金制備了多孔生物植入體,并對其力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,當(dāng)孔隙率為10%時,楊氏模量可達(dá)90 GPa;當(dāng)孔隙率為70%時,楊氏模量降至2 GPa。張等。制備了網(wǎng)狀鐵基(Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr)金屬玻璃(MG)模塊,發(fā)現(xiàn)MG的顯微硬度達(dá)到9.52GPA。采用LNS法對GTD-111定向凝固高溫合金進(jìn)行了修復(fù).采用透鏡法制備了國產(chǎn)薛春芳及其它具有良好組織、顯微硬度和力學(xué)性能的鈷基高溫合金薄壁件。通過透鏡工藝形成非變形Ni-Cu-Sn合金試樣。
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