3D打印机地技术原理

实用 工程训练工程训练 I I 大作业大作业 -- --3D3D 打印机的技术原理打印机的技术原理 学院名称 专业班级 学号 学生姓名 成绩 20182018 年年 0303 月月 1818 日日 文档 实用 3D3D 打印机的技术原理打印机的技术原理 3D 打印（3Dprinting），是制造业领域正在迅速发展的一 项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。运用该技术 进行生产的主要流程是：应用计算机软件，设计出立体的加工样式， 然后通过特定的成型设备（俗称“3D 打印机”），用液态、粉末、 丝状的固体材料逐层“打印”出产品。 3D 打印是“增材制造”（AdditiveManufacturing）的主要实 现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数 控制造一般是在原材料基础上， 使用切割、 磨削、 腐蚀、 熔融等办法， 去除多余部分， 得到零部件， 再以拼装、 焊接等方法组合成最终产品。 而“增材制造”与之截然不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算 机图形数据，通过叠加材料的方法生成任何形状的物体， 简化产品的 制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。 国际上喜欢用“AdditiveManufacturing”（简称AM）来表示 3D 打印技术， 国内专业术语是增量制造、 增材制造或添加制造。 2009 年 美 国ASTM成 立 了F42委 员 会 ， 将AM定 义 为 ： “ Processofjoiningmaterialstomakeobjectsfrom 3dmodeldata,usuallylayeruponlayer,asopposed tosubtractivemanufacturingologies.”即：一种 与传统的材料去处加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维 CAD 模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完 文档 实用 全一致的三维物理实体模型的制造方法。 目前主流的 3D 打印技术有： 1、SLS 激光粉末烧结成型 （Se1ectedLaserSintering）； 2、3DP 三维打印（3DimensionPrinter）； 3、SLA 激光光固化（Stereolithography）； 4、FDM 熔融沉积造型（FusedDepositionModeling） 3D3D 打印机的用途，能够实现哪些功能打印机的用途，能够实现哪些功能 3D 打印能够发挥的作用，按照产品设计研发的流程来说： 3D 打印不仅仅可以快速制作设计原型，从最初的概念设计到 最终产品制造，3D 打印在产品设计制造的各个环节都具备变革性优 势。 许多企业在产品设计早期，就会使用 3D 打印设备快速制作足够 多的模型用于评估，不仅节省了时间，而且减少了设计缺陷。随着产 品设计研发的进展，他们会采用 3D 打印反复制作手板模型用于设计 沟通、设计验证、装配测试和宣传展示，以实现产品功能改善、生产 成本降低、品质更好、市场接受度提升的目标。在产品小批量试制阶 段，3D 打印为快速打样提供了最佳方案，3D 打印出来的样品可以用 于宣传展示、市场调查、试销售等。而在产品量产环节，也已经有越 来越多的企业在采用 3D 打印方式来加快交付周期、降低个性化定制 价格、改善产品交付质量，以及提高生产效率。 3D3D 打印能够发挥的作用，按照不同应用行业来说：打印能够发挥的作用，按照不同应用行业来说： 文档 实用 近年来，3D 打印技术发展迅速，通过与数控加工、铸造、金属 冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，该技术已成为现代模型、模具和零 件制造的有效手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学、文 化创意等领域得到了一定应用， 在工程和教学研究等应用领域也占有 独特地位。具体应用领域包括： 1、工业制造：产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证； 制作模具原型或直接打印模具，直接打印产品。3D 打印的小型无人 飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D 打印的家用器具模型，也被 用于企业的宣传、营销活动中； 2、文化创意和数码娱乐：形状和结构复杂、材料特殊的艺术表 达载体。科幻类电影《阿凡达》运用3D 打印塑造了部分角色和道具， 3D 打印的小提琴接近了手工艺的水平； 3、航空航天、国防军工：复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零 部件、机构的直接制造； 4、生物医疗：人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等； 5、消费品：珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意 DIY 作品的设计和 制造； 6、建筑工程：建筑模型风动实验和效果展示，建筑工程和施工 （AEC）模拟； 7、教育：模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北 美的一些中学、普通高校和军事院校，3D 打印机已经被用于教学和 科研； 文档 实用 8、个性化定制：基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印 定制服务。 什么样的三维数据才能够用于什么样的三维数据才能够用于 3D3D 打印打印 3D 打印的标准数据格式 STL STL（StereoLithographyInterfaceSpecification）格式 是目前 3D 打印/增材制造设备使用的通用接口格式，是由美国 3Dsystems 公司于 1988 年制定的一个接口协议，是一种为 3D 打印/ 增材制造技术服务的三维图形文件格式， 目前已成为 3D 打印/增材制 造的事实上的标准格式。 STL 格式是存储三维模型信息的一种简单方法，它将复杂的 数字模型以一系列的三维三角形面片来近似表达。STL 模型是一种空 间封闭的、有界的、正则的唯一表达物体的模型，具有点、线、面的 几何信息，能够输入给增材制造设备，用于快速制作实物样品。随着 增材制造技术的发展和应用，STL 文件格式也得到了各 CAD/CAM 软件 公司的广泛支持。在医学、自然科学和工程领域里，STL 技术也得到 了广泛的应用。 利用三维扫描仪等三维数字化工具对物理原型进行多方位三维 扫描， 经过点云数据的预处理与优化， 得到物体完整的三维数据模型， 对该数据模型进行表面三角形小平面化处理， 类似于有限元的网格划 分，即用许多空间三角形面片来逼近 CAD 模型，当三角形面片小到一 定程度，其近似性可达到工程允许的精度范围内，其数据文件称为 文档 实用 STL 文件，可以直接输入3D 打印/增材制造设备，用于3D 打印/增材 制造。 STL 文件格式化对 3D 打印/增材制造精度影响 3D 打印时，由于要将复杂的三维加工转化为一系列简单的二维 加工的叠加，因此，成型精度主要取决于二维（ X，Y）平面上的加工 精度，以及高度（Z）方向上的叠加精度。从3D 打印机本身而言，可 以将 X、Y、Z 三方向的运动位置精度控制在微米级水平，因而能得到 精度相当高的工件。因此，特别在加工复杂的自由曲面及内型腔时， 3D 打印/增材制造比传统的加工方法表现出更明显的优势。然而影响 工件最终精度的因素不仅有 3D 打印机本身的精度，还有一些其它因 素，其中比较重要的是 CAD 模型的前期处理造成的误差。 对于绝大多 数增材制造设备而言，开始成型前，必须对工件的三维 CAD 模型进行 STL 格式化和切片等前期处理，以便