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3D打印的工作原理

发布时间:2020-04-26 10:52:00

作者Ken Ford Powell

作者Ken Ford Powell

3D打印技术极大地创新了制造业的生产模式。有人甚至称之为“第三次工业革命”。

不久前,世界上第一架3D打印无人机成功飞行,时速达到241公里。对于一架民用无人机来说,速度是惊人的。据美国无人机制造商Aurora flight science航空研究【工程】师丹·坎贝尔(Dan Campbell)介绍,3D打印技术使设计师能够定制特定组件,以提高无人机性能,大大加快无人机生产速度,有效降低生产成本。

3D打印进入无人机技术领域后,将很快给整个【行业】带来积极影响

那么,3D打印的秘诀是什么?它是如何工作的?

对于3D打印来说,首先要了解的是它的名称不准确。确实,3D打印程序本质上是2D(二维)打印。它只需要在二维打印的基础上,一次又一次地逐层打印,直到最终形成三维产品。

一般来说,有很多方法可以打印二维图像,但你需要在纸或卡片上粘贴墨水。油墨是由染料、溶剂和其他物质组成的复杂液体。墨水不用时仍保持湿润。一旦被打印机打印在纸上,它会显示颜色,并在接触空气后立即干燥。墨水一点一点地在纸上形成字母、文字和图片,干燥后会自动留在纸上,并永久保留。

3D打印就像是把墨水一层一层地堆积到一定厚度,每层只有几微米厚(一微米等于百万分之一米)。此外,二维打印的墨水也相当标准。对于3D打印,几乎任何物质都可以充当墨水,如尼龙、塑料、金属、食品、生物组织,甚至纸张本身。

在3D打印机执行打印任务之前,首先使用计算机设计要打印的内容,例如杯子。一般来说,三维建模软件是用来建立被打印对象的三维模型。这些建模软件简单、实用、复杂,但无论是哪一个,都需要经过一定的训练才能掌握。当然,如果像两颗豌豆一样,只可能打印出与现有物体相同的复制品,或者可以使用3D扫描仪对物体进行快速建模,例如化石或机器零件。将这些模型放在计算机中,利用CAD软件将三维模型切割成水平的薄层,打印机可以根据需要打印这些薄层,最后“构建”出要打印的对象。最近,古埃及法老图坦卡蒙国王的木乃伊复制品被印刷成真尺寸,罗丹著名的雕塑《思想者》也以同样的方式修复了这些缺陷。这两件作品先用三维扫描仪扫描建模,然后用CAD软件进行分割,最后用三维打印机逐层打印。

模型经计算机建立后,可在打印机上打印

建立模型后,计算机还将把模型切成水平薄层

那么,这些薄层到底是如何打印出来的呢?这有点复杂,因为有不止一种3D打印方式。现在至少有八种商业用途。有些方法有相似的步骤,有些则相反。让【我们】来看看一些最重要的3D打印技术。

三维打印的第一次尝试始于20世纪80年代。1983年,美国发明家查克·赫尔发明了立体光刻术(SLA)。1987年,SLA技术开始【应用】于商业领域,至今仍在使用。3D打印技术最初用于打印原型。21世纪初,由于纳米技术使其精度接近原子水平成为可能,SLA技术得到了迅速发展。

SLA技术的主要原理是光聚合。利用光敏树脂在紫外光照射下瞬间由液体单体聚合为固体聚合物的特点,在装有液体树脂的槽中用紫外光扫描光敏树脂,使光敏树脂发生光聚合反应,形成凝固的薄层。如此反复,层层固化,最终形成3D产品。

印刷开始时,将工作台轻轻浸入液体树脂中,使树脂均匀地铺在工作台上,形成一薄层,紫外光直接照射待固化的树脂薄层表面,使树脂薄层发生光聚合反应固化。第一层固化后,工作台下降数微米,使液体树脂在固化后的薄层上铺设一薄层,然后用紫外光照射。新固化的层与前一层结合牢固,故逐层反复固化,直至整个零件制造完成。

在这里,根据设计的扫描路径,紫外线从点到线、从线到面照射液体感光树脂的表面,以使感光树脂凝固聚合并产生图案。

FDM是20世纪80年代发明的一种3D打印技术,FDM技术的打印原理是通过喷嘴对各种热塑性材料进行加热、熔融和挤压。当这些材料在熔融状态下冷却(几乎是瞬间冷却)时,它们将凝固并与下面的材料结合在一起,这些材料也会层层堆积。FDM技术成本低于SLA,特别适用于印刷塑料制品和一些有机材料。

SLS技术,或称选择性激光烧结技术,也是在20世纪80年代发展起来的。SLS技术使用粉末材料进行印刷。采用SLS技术打印时,左侧活塞上升,滚筒将粉末撒在台面上,右侧台面浸入粉末中,激光直接聚焦在目标位置。当激光击中粉末时,粉末将与先前的固化层(或“烧结层”)熔合。

当一层横截面烧结时,工作台将下降,然后轧制装置将一层粉末均匀地铺在其上,开始新的一层烧结。重复上述步骤,直到整个产品在粉末堆中完成。在材料选择上,玻璃、聚苯乙烯和铁、钛、银、铝等金属都是SLS技术的理想材料。

无论3D打印技术如何颠覆制造业,仍然存在一些问题。一是传统的3D打印技术会给产品留下一叠痕迹。通过对成品的显微镜观察,重叠痕迹清晰可见,说明三维打印产品不仅在沿打印方向受力时呈现出立体感和立体感,而且在其他结构上也有许多弱点。如果要打印具有较强抗张强度的机械零件,情况就不太好,因为打印出来的零件只有一个方向的强拉伸能力,当方向改变90°时,拉伸能力就会降低50%。二是印刷时间长。Aurora flight science发现,虽然无人机组件的3D打印比在其他地方定制要快得多,但这并不意味着可以在几分钟内完成打印——这还远远不够!即使是一个简单的对象也可能需要几个小时才能打印出来。事实上,在商业上大规模使用3D打印技术还有很长的路要走。正如美国3D打印【公司】carbon 3D总裁约瑟夫·德西莫内(Joseph Desimone)所言,“3D打印的速度太慢了!”2013年,3D打印产业收入突破30亿美元,远未达到2020年达到210亿美元的目标。为了达到这一目标,控制印刷时间至关重要!

德斯蒙德认为他已经解决了这两个问题。他是聚合物化学家、发明家和连续企业家,同时也是北卡罗来纳大学教堂山分校的教授。2013年,他在硅谷创立了“碳3D”【公司】,并于2015年推出了一种新的印刷系统——连续液体界面制造技术(clip)。

从技术上讲,剪辑实际上是另一种形式的立体光刻。它的主要原理仍然是光聚合。它还利用紫外光照射光敏树脂固化液体树脂。与立体光刻(SLA)不同,这里的打印输出不是放在工作台的顶部,而是层层打印在工作台的下面。当工作台上升,慢慢打开与液箱的距离时,打印将从上到下逐层增长。直觉上,它就像工作台从液体中“拉”出一个物体。

夹子技术主要依靠一个透明透气的窗户,可以让紫外线和氧气同时通过,并可以控制氧气的进入量和时间。在这里,作为一种抑制剂,氧可以在树脂中形成一个盲区,它可以薄到几十微米(约2-3红细胞直径)厚。在这些区域,氧可以抑制树脂的光聚合。紫外线发射器投射出从下面打印的模型的横截面,树脂仅在不受氧气抑制的区域固化。这样,固化一层后,工作台会稍微升高一层高度,重复这个步骤,直到整个模型打印出来。

连续液体界面制造技术(clip)打印的工作原理

剪辑打印机正在从液体树脂中提取埃菲尔铁塔模型

实践证明,剪辑技术是推动3D打印产业发展的技术动力。30年前首次使用SLS技术进行3D打印时,互联网并未出现,电脑的性能也不如电子手表。德斯蒙德和他的团队的新思想预示着3D打印的新时代。如今,3D打印已经在世界各地得到【应用】,学校、医院甚至企业都从中受益。只要研究人员的研究步伐不停止,对3D打印技术的追求就永远不会停止!


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