学科前沿知识专题报告——3D打印技术探索学生姓名：学号：专业班级2014年4月2日摘要随着工业现代化的不断发展，传统的加工工艺已无法满足现代工业部件的加工需求，许多异形结构利用传统加工（包括五轴加工中心）也很难加工或根本不能加工。

随即3D打印机应运而生……根据维基百科的释义，3D打印（3D Printing）是快速成形技术的一种，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术（即“积层造形法”3D打印）。

它是断层激光扫描烧结的逆过程，断层扫描就是把某个三维模型“切”成无数叠加的片；3D打印就是一片一片的打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。

3D打印机的出现是对生产方式的一个革新，使设计师与产品之间建立了直接联系。

一方面保证了设计者的想法、创意能够原汁原味的体现出来；另一方面,传统的工业产品开发，往往是先开模具，然后再做手板，而运用3D打印技术，无需开模，可以把制造时间减少，费用降低，对成本更好的控制。

随着科技的不断进步，3D打印机用于大规模制造变为可能。

本文主要从3D打印的发展历史、打印原理、打印过程、典型打印技术、发展现状及发展前景这几个方面进行介绍。

关键词:3D打印；累积技术；快速成型；机械制造目录第1章发展历史 (1)第2章3D打印技术介绍 (1)2.13D打印的工作原理 (1)2.23D打印工作过程 (2)2.2.1三维建模 (2)2.2.2分层切割 (2)2.2.3打印喷涂 (2)2.2.4后期处理 (2)2.33D打印的技术支持 (2)第3章典型3D打印技术分析 (3)3.1粘结成形3D打印 (3)3.1.1粘结成形3D打印的工作原理 (3)3.1.2粘结成形3D打印系统的组成 (3)3.1.3粘结成形3D打印的成形材料 (3)3.2直接成形3D打印 (4)3.2.1直接成形3D打印的工作原理 (4)3.2.2直接成形3D打印系统的组成 (4)3.3熔融沉积快速成型 (4)3.3.1熔融沉积快速成型3D打印的工作原理 (4)3.3.2熔融沉积快速成型3D打印系统的组成 (5)3.3.2熔融沉积快速成型3D打印的成形材料 (5)3.4选择性激光烧结 (5)第4章发展现状及发展前景 (5)4.13D打印技术的发展现状 (5)4.23D打印技术的发展前景 (5)第5章收获与体会 (6)第1章发展历史3D打印技术出现在20世纪90年代中期，3D打印机是一位意大利名为恩里科·迪尼的发明家设计的一种神奇的打印机，它实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。

但由于价格昂贵、技术不成熟，早期并没有得到推广普及。

长久以来科学家和技术工作者一直有着一个复制技术的设想，但直到20世纪80年代，3D打印的概念才算真正开始实现。

经过20多年的发展，该技术已更加娴熟、精确，且价格有所降低。

目前，3D打印技术已经应用到许多学科领域，近几年,“3D打印”成了超前科技的代言词，火遍全球。

由于其在制造工艺方面的创新，被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”。

第2章3D打印技术介绍2.13D打印的工作原理3D打印的工作原理与普通打印基本相同，传统打印机的打印材料是墨水和纸张，只要轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像；而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，与电脑连接后，以数字模型文件为基础，首先将物品转化为一组3D数据，然后打印机开始逐层分切，针对分切的每一层构建，按层次打印，粉末状金属或塑料等可粘合材料会一层一层地打印出来，层与层之间通过特殊的胶水进行粘合，并按照横截面将图案固定住,最后一层一层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。

之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似,这项打印技术称为3D立体打印技术。

3D打印演示图如图1-1所示：图1-13D打印演示图2.23D打印工作过程一般来说，通过3D打印获得一件物品需要经历建模、分层、打印和后期处理四个主要阶段，具体如下所述。

2.2.1三维建模通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模型。

也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等三维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL 文件格式。

一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。

三角面越小其生成的表面分辨率越高。

PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

2.2.2分层切割由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。

当3D模型输入到电脑中以后，需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理,即将模型切分成一层层的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。

打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。

2.2.3打印喷涂由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到三维空间中，根据工作原理的不同，有多种实现方式。

目前，3D打印技术已经有十几种不同的成形方法，通常将它们分为两类：第一类是基于激光技术的成形方法，如立体光刻、纸叠层、选择性激光烧结、选择性激光熔化等；第二类是非激光技术的快速成形方法，如熔丝沉积、三维打印、掩膜光固化、冲击微粒制造、实体磨削固化等。

2.2.4后期处理模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面。

这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等等，才能最终完成所需要的模型的制作。

2.33D打印的技术支持作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的技术含量。

3D打印机是3D打印的核心设备，它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。

此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。

信息技术：要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并且根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向。

精密机械：3D打印以“每层的叠加”为加工方式。

要生产高精度的产品，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求。

材料科学：用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。

第3章典型3D打印技术分析3D打印快速成形技术可分为粘结成形3D打印、直接成形3D打印、熔融沉积快速成型和选择性激光烧结，下面分别介绍了它们的工作原理、系统组成以及打印材料等等。

3.1粘结成形3D打印3.1.1粘结成形3D打印的工作原理粘结成形3D打印的工作原理如图3-1所示。

首先在成形室工作台上均匀地铺上一层粉末材料，接着打印头(也称喷头)按照零件截面形状，将粘结材料有选择性地打印(喷射)到已铺好的粉末层上，使零件截面由实体区域内的粉末材料粘接在一起，形成截面轮廓，一层打印完后工作台下移一定高度，然后重复上述过程。

如此循环逐层打印直至工件完成，再经后处理，得到成形制件。

3.1.2粘结成形3D打印系统的组成由粘结成形3D打印的工作原理可知，基于该技术的3D打印快速成形系统主要应由以下几部分组成:打印头控制系统(包括喷头、喷头控制和粘结材料供给与控制)、粉末材料系统(包括粉料储存、喂料、铺料及回收)、3个方向的运动机构与控制(包括打印头在X轴和Y轴方向的运动，工作台在Z轴方向的运动)、成形室、计算机硬件与软件。

3.1.3粘结成形3D打印的成形材料粘结成形3D打印中常用的成形材料是淀粉基粉末和石膏基粉末，也可以用陶瓷基粉未或金属基粉末等其它材料直接成形陶瓷或金属等制件。

由于未粘接的粉末材料可以作支撑，因此粘结成形3D打印中不需要考虑支撑，打印头的个数最少可以只设置1个。

若将粘结材料制成彩色，则该方法可以直接成形出彩色的制件，这是目前唯一可以制作影色制件的RP工艺。

图3-l粘结成形3D打印的工作原理图3-2打印光固化材料3D打印的工作原理3.2直接成形3D打印3.2.1直接成形3D打印的工作原理不同于粘结成形3D打印，直接成形3D打印是直接由打印头打印出光固化成形材料、热熔性成形材料或其他成形材料，然后经固化成形得到制件。

图3-2是打印光固化材料3D打印的工作原理图。

其工作过程如下:根据零件截面形状，控制打印头在截面有实体的区域打印光固化实体材料和在需要支撑的区域打印光固化支撑材料，在紫外灯的照射下光固化材料边打印边国化。

如此逐层打印逐层固化直至工件完成，最后除去支撑材料得到成形制件。

打印其他成形材料3D 打印的工作原理与此相似，只是固化方式有所不同。

3.2.2直接成形3D打印系统的组成与粘结成形的3D打印快速成形系统相比，直接成形的3D打印快速成形系统因没有粉末材料系统，结构和控制相对要简单一些。

在直接成形的3D打印中，对于制件有悬臂的地方需要制作支撑，因此，基于该技术的快速成形系统中打印头的数量至少要设置2个，一个打印实体材料，另一个打印支撑材料。

3.3熔融沉积快速成型3.3.1熔融沉积快速成型3D打印的工作原理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。

3.3.2熔融沉积快速成型3D打印系统的组成在3D打印技术中，FDM的机械结构最简单，设计也最容易，制造成本、维护成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术，而工业级FDM机器，主要以Stratasys公司产品为代表。

3.3.2熔融沉积快速成型3D打印的成形材料熔融沉积快速成型技术的桌面级3D打印机主要以ABS和PLA为材料，ABS强度较高，但是有毒性，制作时臭味严重，必须拥有良好通风环境，此外热收缩性较大，影响成品精度；PLA是一种生物可分解塑料，无毒性，环保，制作时几乎无味，成品形变也较小，所以目前国外主流桌面级3D打印机均以转为使用PLA作为材料。

3.4选择性激光烧结选择性激光烧结利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层层堆结成型。

选择性激光烧结技术同样是使用层叠堆积成型，所不同的是，它首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型。