第1章 走进3D打印

1.1 3D打印起源、原理及优点

1.1.1 3D打印的起源

长久以来,科学家和技术工作者一直有着一个用机器制作立体模型的设想,科幻电影中也常出现这样的镜头,成龙的《十二生肖》中制作生肖头像的神奇技术让大家大为惊奇。这个神奇的技术思想来源就是3D打印,3D打印技术的核心制造思想在美国早已经出现。

1892年,J.E.Blanther在其美国专利中建议用分层构造法构建立体地形图,首创了叠层制造原理。

1902年,Carlo Baese的专利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。

1904年,Perera提出了将硬纸板切割出轮廓线,再将这些纸板粘接成三维地形图的方法。

20世纪50年代后,出现了几百个有关3D打印的专利。尤其在80年代后期,3D制造技术有了根本性的发展,出现的专利更多,仅在1986—1998年间注册的美国专利就有24个。1982年,日本名古屋市工业研究所首次公开实现实体模型的印制;1986年,查尔斯·W·赫尔(Chuck Hull)发明的立体光刻成型技术(Stereolithography Appearance, SLA)被授予了专利,所以我们认为发明“现代”3D打印机的人是查尔斯·W·赫尔;1988年,Feygin发明了分层实体制造;1989年,美国得克萨斯州大学奥斯汀分校的Deckard博士发明了选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering,SLS),其实在1979年,类似的过程已经由RF Housholder得到专利,但没有被商业化。1992年,Crump发明了熔融沉积制造技术(Fused Deposition Modeling,FDM),随后美国麻省理工学院(MIT)的E.M.Scans和M.J.Cima等首先提出了3D打印技术的概念,并创建了3D打印企业Z Corp。

随着3D打印专利技术的不断发明,相应地用于生产的设备也被研发出来。

1988年,美国的3D Systems公司根据查尔斯·W·赫尔的专利,生产出了第一台现代3D打印设备——SLA-250(光固化成型机),开创了3D打印技术发展的新纪元。

在此后的十年中,3D打印技术蓬勃发展,涌现出了十余种新工艺和相应的3D打印设备。

1991年,Stratasys公司的FDM设备、Cubital的实体平面固化(Solid Ground Curing,SGC)设备和Helisys的LOM(Laminated Object Manufacturing,分层实体制造)设备都实现了商业化。

1992年,DTM(现在属于3D Systems公司)的SLS技术研发成功。

1994年,德国公司EOS推出了EOSINT选择性激光烧结设备。

1996年,3D Systems公司使用喷墨打印技术制造出其第一台3D打印机——Actua 2100。同年,Z Corp也发布了Z4023D打印机

近年来,随着3D打印技术的推广和媒体的广泛报道,除了军工工业制造等传统领域,3D打印机开始走向民用,国内外出现了巧克力、陶瓷、黏土、纸张等多种材料、小型化的3D打印机,甚至连面向教育界的儿童3D打印机都已经问世,如图1-1、图1-2所示。

图1-1 巧克力3D打印机

图1-2 儿童3D打印机

1.1.2 3D打印的基本原理

3D打印(3D Printing),又称为增材制造(Additive Manufacturing, AM),目前国内习惯把快速成型技术形象地称为“3D打印”或者“三维打印”,但实际上“3D打印”或者“三维打印”只是快速成型的一个分支。简而言之,3D打印是一种以数字模型文件为基础的直接制造技术,基本分为软件建模—切片—选材料—累加打印4个主要过程。

首先用软件通过计算机辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片,也就是我们常说的数字建模;建模之后将这些切片的信息传送到3D打印机上;3D打印机通过读取文件中的横截面信息,根据实际需要选用液体状、粉状或片状的可粘合材料将这些截面逐层的打印,并将各层截面以各种方式粘起来,直到一个固态物体成型,从而累加制造出一个实体。

3D打印过程如图1-3所示。

图1-3 3D打印过程

从图1-3我们可以看出,3D打印,以采用计算机,满足快速柔性化需求为主要目标,必须有几何模型的计算机设计和对其进行分层解析的软件技术,还要有能够控制激光束(或电子束、电弧等高能束)按任意设定轨迹运动的振镜技术、数控机床或机械手。因此,3D打印需要依托至少包括信息技术、精密机械和材料科学三大技术。因此, 3D打印技术,应被称为“信息化增材制造技术”或“数字化增材制造技术”更准确。

1.1.3 3D打印的优点

3D打印的优点如下：

1)传统的机械加工技术通常采用切削或钻孔技术(减材工艺)实现,而3D打印技术可以大幅度地节省材料,大大降低了制造的复杂程度,而且使用快速成型技术和快速制造技术,是不需要开模具的,可使新产品研制的成本下降和周期缩短。再加上快速成型和快速制造设备大部分可以实现无人值守、24h的不间断加工,也就为厂商节约了人工成本,提高了生产效率。

2)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,这种技术的特点在于其几乎可以制造任意形状的三维实体,“打印”的产品是自然无缝连接的,一体成型,结构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法,而且不受产品结构和形状的限制。任何复杂的造型和结构,只要有CAD数据,都可以打印完成,这样就给产品的个性化、定制化提供了可能性。

3)由于采用3D打印快速成型和快速制造,后期辅助加工量大大减小,避免了委托外界加工的数据泄密和时间跨度,尤其适合一些高保密性的行业,如军工、核电领域、新产品研发等。苹果、微软等公司在新产品的设计研发阶段,已经采取3D打印技术。

4)3D打印技术可以贯穿使用在产品设计、开发、试制、小批量生产等环节,而且无论是工业制造领域、教育领域、医疗领域、文物保护领域还是其他领域,大至一架飞机,小到一枚戒指,只要需要进行实物打样或者试制,都可以使用3D打印技术,适用面非常广泛。