產(chǎn)品技術(shù)分析報(bào)告

1、產(chǎn)品技術(shù)分析報(bào)告3D打印機(jī)的技術(shù)原理分析與設(shè)計(jì)產(chǎn)品技術(shù)分析報(bào)告3D打印機(jī)3D打印機(jī)，即快速成形技術(shù)的一種機(jī)器，它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。發(fā)展歷史在20世紀(jì)80年代中期，SLS被在美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校的卡爾Deckard博士開發(fā)出來(lái)并獲得專利，項(xiàng)目由DARPA贊助的。1979年，類似過(guò)程由RFHousholder得到專利，但沒有被商業(yè)化。1995年，麻省理工創(chuàng)造了“三維打印”一詞，當(dāng)時(shí)的畢業(yè)生JimBredt和TimAnderson修改了噴墨打印機(jī)方案，變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末床的解決方案，而不是把墨水?dāng)D壓在紙張上的方案。

2、3D打印帶來(lái)了世界性制造業(yè)革命，以前是部件設(shè)計(jì)完全依賴于生產(chǎn)工藝能否實(shí)現(xiàn)，而3D打印機(jī)的出現(xiàn)顛覆這一生產(chǎn)思路，使得企業(yè)在生產(chǎn)部件的時(shí)候不再考慮生產(chǎn)工藝問(wèn)題，任何復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)均可以通過(guò)3D打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它無(wú)需機(jī)械加工或模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體，從而極大地所縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)率。盡管仍有待完善，但3D打印技術(shù)市場(chǎng)潛力巨大，勢(shì)必成為未來(lái)制造業(yè)的眾多突破技術(shù)之一。應(yīng)用領(lǐng)域3D打印機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括建筑設(shè)計(jì)、醫(yī)療設(shè)備、音樂(lè)、航天、國(guó)防、教育業(yè)以及制造業(yè)。建筑設(shè)計(jì)業(yè)在建筑業(yè)里，工程師和設(shè)計(jì)師們利用3D打印機(jī)打印出建筑模型，不僅能節(jié)省大量材料降低成本，又能快

3、速地得到精美的樣品。DUS公司的3D打印展覽館目前正在利用3D打印技術(shù)準(zhǔn)備打印全球最大的3D打印房屋，該公司使用名為KamerMaker的3D打印機(jī)，高達(dá)6米可安置在廢棄集裝箱內(nèi)。醫(yī)療行業(yè)一位83歲的老人由于患有慢性的骨頭感染，因此換上了由3D打印機(jī)“打印”出來(lái)的下顎骨，這是世界上首位使用3D打印產(chǎn)品做人體骨骼的案例。據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，在不久的將來(lái)外科醫(yī)生們或許就將可以在手術(shù)中現(xiàn)場(chǎng)利用打印設(shè)備打印出各種尺寸的骨骼用于臨床使用。這種神奇的3D打印機(jī)已經(jīng)被制造出來(lái)了，而用于替代真實(shí)人體骨骼的打印材料則正在緊鑼密鼓地測(cè)試之中。音樂(lè)行業(yè)RickardDahlstrand使用Lulzbot3D打印機(jī)創(chuàng)造出

4、獨(dú)特的藝術(shù)，在2013斯德哥爾摩藝術(shù)黑客節(jié)上，Lulzbot3D打印機(jī)不僅為參加的藝術(shù)家和黑客們打印出藝術(shù)節(jié)的LOGO,而且作為一個(gè)表演項(xiàng)目，它還一邊播放古典音樂(lè)一邊相應(yīng)地打印出可視化的音樂(lè)作品。1、原理3D打印機(jī)可以根據(jù)零件的形狀，每次制做一個(gè)具有一定微小厚度和特定形狀的截面，然后再把它們逐層粘結(jié)起來(lái)，就得到了所需制造的立體的零件。每個(gè)截面數(shù)據(jù)相當(dāng)于醫(yī)學(xué)上的一張CT像片；整個(gè)制造過(guò)程可以比喻為一個(gè)，積分的過(guò)程。當(dāng)然，整個(gè)過(guò)程是在電腦的控制下，由3D打印機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)完成的。不同公司制造的3D打印機(jī)所用的成形材料不同，系統(tǒng)的工作原理也有所區(qū)別，但其基本原理都是一樣的，那就是分層制造、逐層疊加。這種

5、工藝可以形象地叫做增長(zhǎng)法或加法。工作原理和工作步驟把數(shù)據(jù)和原料放進(jìn)3D打印機(jī)中，機(jī)器會(huì)按照程序把產(chǎn)品一層層造出來(lái)。打印出的產(chǎn)品，可以即時(shí)使用。首先得通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）或計(jì)算機(jī)動(dòng)畫建模軟件建模，再將建成的三維模型“切片”成逐層的截面數(shù)據(jù)，并把這些信息傳送到3D打印機(jī)上，3D打印機(jī)會(huì)把這些切片堆疊起來(lái)，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。把三維模型“切片”至于怎么堆疊這些“切片”，方式有很多種，小型3D打印機(jī)最為常用的就是用液態(tài)材料沉積成型，這個(gè)有點(diǎn)類似噴墨打印機(jī)，只不過(guò)噴頭噴出的不是墨水而是熱塑性塑料或共晶系統(tǒng)金屬等可迅速固化的材料。累枳技術(shù)基本材料，選擇性激光燒結(jié)tivelasersinterin

6、gs3LS)惑塑性塑料.金屬粉耒、隅瓷粉末直接金屬激光燒結(jié)(DiicctEetailaser5ir：ttrir:5DVLS)幾乎任何含金熔訓(xùn)沉幟成型(7depcsitiannode1injFUM)勲塑性塑粽吐晶翕統(tǒng)金鳳耳負(fù)用材料立體平(stereolithographyjSLA)jtSItWE(photopolymcr)數(shù)字免處哩(DLP)熔絲制璉(FusedFiluentFabricationfFFF)澱乳釀(PU).AESWJS融化壓模(HcltcdandExtrusianModelingsMEM)金屬練塑料線分層實(shí)體制造(laminatedobjectTanufacturinffLOM)

7、紙、金屬膜.塑J4SK電子束熔化成型(ELEUtronbeammeltingjEBU)tt合金速擇性熱燒結(jié)(Selectiveht昔扌merin和SH5)Tlicraoplftsticponder耕末層噴頭維打E卩(en:Fowderbedandinkjethead3dprinting7PP)工作臺(tái)每一層的打印過(guò)程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會(huì)迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實(shí)體模型將會(huì)被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可

8、循環(huán)利用。打印耗材由傳統(tǒng)的墨水、紙張轉(zhuǎn)變?yōu)槟z水、粉末，當(dāng)然膠水和粉末都是經(jīng)過(guò)處理的特殊材料，不僅對(duì)固化反應(yīng)速度有要求，對(duì)于模型強(qiáng)度以及打印”分辨率都有直接影響。3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)600dpi分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。受到噴打印原理的限制，打印速度勢(shì)必不會(huì)很快，較先進(jìn)的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)每小時(shí)25毫米高度的垂直速率，相比早期產(chǎn)品有10倍提升，而且可以利用有色膠水實(shí)現(xiàn)彩色打印，色彩深度高達(dá)24位。由于打印精度高，打印出的模型品質(zhì)自然不錯(cuò)。除了可以表現(xiàn)出外形曲線上的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)部件也不在話下。如果用來(lái)打印機(jī)械裝配圖，齒輪、軸承、拉桿等都可以正?；顒?dòng)，

9、而腔體、溝槽等形態(tài)特征位置準(zhǔn)確，甚至可以滿足裝配要求，打印出的實(shí)體還可通過(guò)打磨、鉆孔、電鍍等方式進(jìn)一步加工。同時(shí)粉末材料不限于砂型材料，還有彈性伸縮、高性能復(fù)合、熔模鑄造等其它材料可供選擇。下面以ImakerUltimaker為例詳細(xì)解釋3D打印機(jī)的工作原理。關(guān)于ImakerUltimakerMakerIII設(shè)計(jì)師專用3D打印機(jī)iMakerIII3D打印機(jī)系列是專為設(shè)計(jì)師和藝術(shù)家量身打造的智能3D打印機(jī)，致力于設(shè)計(jì)師和藝術(shù)家提供藝術(shù)級(jí)的3D打印輸出。MakerIII3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示料-一今務(wù)于41SD+接收從計(jì)覧杭irSbjj連迥由用帶訂總維禍匸武*5D卡！jiTSE中其中

10、x軸y軸由皮帶傳動(dòng)。Z軸為精度更高的螺桿傳動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)控制螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，更加精確地提升基板。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)皮帶與X軸上的齒輪軸。齒輪軸傳導(dǎo)帶動(dòng)X軸方向皮帶。皮帶上的齒輪控制連桿沿X軸運(yùn)動(dòng)。Y軸運(yùn)動(dòng)方式與X軸相同。SImakerIII3D打印機(jī)由主電路板、4個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制電路板、1個(gè)噴頭控制電路板構(gòu)成。rMU“PE艮屮;盂.A咤.二.Ln-ft-主電路板采用標(biāo)準(zhǔn)的PC電源接口，所有步進(jìn)電機(jī)控制電路板和噴頭控制電路板所需的控制信號(hào)都由主電路板發(fā)出。2、材料選擇一臺(tái)3D打印機(jī)一般由300500個(gè)零件組成。零件主要包括沖壓件，注塑料件，橡膠件。沖壓件以鋼材（鍍鋅）和不銹鋼304為主。塑料件以ABS,PC,P

11、OM等原料為主，也有加入玻璃纖維的材料，耐高溫材料和導(dǎo)電材料。橡膠件由乙丙橡膠，丁腈膠，天然橡膠，加硫化劑和發(fā)泡劑原料做成。其他材料（彈簧，密封圈等）與普通打印機(jī)一樣。下面主要介紹一下膠合板和氮化鋼這兩種材料。膠合板MakerIII3D打印機(jī)外部框架主要使用了膠合板這種材質(zhì)。膠合板是由木段旋切成單板或由木方刨切成薄木，再用膠粘劑膠合而成的三層或多層的板狀材料，通常用奇數(shù)層單板，并使相鄰層單板的纖維方向互相垂直膠合而成。膠合板以木材為主要原料生產(chǎn)的膠合板，由于其結(jié)構(gòu)的合理性和生產(chǎn)過(guò)程中的精細(xì)加工，可大體上克服木材的缺陷大大改善和提高木材的物理力學(xué)性能，膠合板生產(chǎn)是充分合理地利用木材、改善木材性能

12、的一個(gè)重要方法。MakerIII3D打印機(jī)大量使用膠合板，膠合板強(qiáng)度大，抗彎性能好，在一些需要承重的結(jié)構(gòu)部位，能夠很好地承重但又減輕打印機(jī)自身的重量，降低制作打印機(jī)的成本。氮化鋼MakerIII3D打印機(jī)中螺桿使用的材質(zhì)是氮化鋼，由于螺桿需要耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、并具有高強(qiáng)度和良好的切削加工性能，以氮化鋼為主要材料的螺桿綜合性能比較優(yōu)異，應(yīng)用比較廣泛。一般氮化層達(dá)0.40.6毫米。但這種材料抵抗氯化氫腐蝕的能力低，且價(jià)格較高。原材料選擇MakerIII3D打印機(jī)可支持ABS塑料、PLA塑料等，下面以PLA塑料為例。PLA是生物降解塑料聚乳酸的英文簡(jiǎn)寫聚乳酸也稱為聚丙交酉（polylactid

13、e），屬于聚酯家族。聚乳酸是以乳酸為主要原料聚合得到的聚合物，原料來(lái)源充分而且可以再生主要以玉米、木薯等為原料。聚乳酸的生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染，而且產(chǎn)品可以生物降解，實(shí)現(xiàn)在自然界中的循環(huán)，因此是理想的綠色高分子材料。聚乳酸的熱穩(wěn)定性好，加工溫度170230C，有好的抗溶劑性，可用多種方式進(jìn)行加工，如擠壓、紡絲、雙軸拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的產(chǎn)品除能生物降解外，生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性好，還具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分廣泛，可用作包裝材料、纖維和非織造物等，目前主要用于服裝內(nèi)衣、外衣）、產(chǎn)業(yè)（建筑、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、造紙）和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。通過(guò)送料機(jī)將PLA塑料絲送進(jìn)與

14、噴頭相連的導(dǎo)管中，令原本直徑為1.7mm的PLA塑料絲經(jīng)過(guò)溫度高達(dá)210C的高溫噴頭，噴出直徑為0.040.4mm的細(xì)絲。3D打印機(jī)噴頭，配有加熱器、風(fēng)扇、耗材輸入口。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制高溫噴頭沿x、y、z軸運(yùn)動(dòng)，將融化后的PLA塑料絲噴在110C輸出基板上，將輸出模型的底板固定，然后開始逐層打印。3、制造工藝3D打印機(jī)的制造工藝主要主要包括SLA、FDM、SLS、3DP、LOM。SAL:立體光刻造型技術(shù)、立體光固化成型法技術(shù)原理：用特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面順序凝固，完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度，再固化另一個(gè)層面。這樣層層

15、疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。優(yōu)勢(shì)：光固化成型法是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，成熟度高，經(jīng)過(guò)時(shí)間的檢驗(yàn)。由CAD數(shù)字模型直接制成原型，加工速度快，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，無(wú)需切削工具與模具?？梢约庸そY(jié)構(gòu)外形復(fù)雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具。使CAD數(shù)字模型直觀化，降低錯(cuò)誤修復(fù)的成本。為實(shí)驗(yàn)提供試樣，可以對(duì)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與校核?？陕?lián)機(jī)操作，可遠(yuǎn)程控制，利于生產(chǎn)的自動(dòng)化。缺陷：SLA系統(tǒng)造價(jià)高昂，使用和維護(hù)成本過(guò)高并且要對(duì)液體進(jìn)行操作的精密設(shè)備，對(duì)工作環(huán)境要求苛刻。成型件多為樹脂類，強(qiáng)度，剛度，耐熱性有限，不利于長(zhǎng)時(shí)間保存。預(yù)處理軟件與驅(qū)動(dòng)軟件運(yùn)算量大，與加工效果關(guān)聯(lián)性太高。軟件系統(tǒng)操作復(fù)雜，

16、入門困難使用的文件格式不為廣大設(shè)計(jì)人員熟悉。FDM：中文名稱熔融沉積成型技術(shù)原理：將絲狀（直徑約2mm）的熱塑性材料通過(guò)噴頭加熱熔化，噴頭底部帶有微細(xì)噴嘴（直徑一般為0.20.6），供材料以一定的壓力擠噴出來(lái)同時(shí)噴頭沿水平方向移動(dòng)，而工作臺(tái)沿豎直方向移動(dòng)。這樣擠出的材料與前一個(gè)層面熔結(jié)在一起，一個(gè)層面沉積完成后,工作臺(tái)按預(yù)定的增量下降一個(gè)層的厚度，再繼續(xù)熔融沉積，直至完成整個(gè)實(shí)體造型oFDM工藝使用兩種材料：一種是沉積實(shí)體部分的成型材料另一種是沉積空腔或懸臂部分的支撐材料。優(yōu)勢(shì)：這種技術(shù)成型精度更高、成型實(shí)物強(qiáng)度更高、可以彩色成型。缺陷：成型后表面粗糙，目前不適合高精度的應(yīng)用。SLS：選擇性激

17、光燒結(jié)技術(shù)原理：利用粉末材料在激光照射下燒結(jié)的原理，由計(jì)算機(jī)控制層層堆結(jié)成型。SLS技術(shù)同樣是使用層疊堆積成型，所不同的是，它首先鋪一層粉末材料，將材料預(yù)熱到接近熔化點(diǎn)，再使用激光在該層截面上掃描，使粉末溫度升至熔化點(diǎn)，然后燒結(jié)形成粘接,接著不斷重復(fù)鋪粉、燒結(jié)的過(guò)程，直至完成整個(gè)模型成型。優(yōu)勢(shì)：成品精度好、強(qiáng)度高，但是最主要的優(yōu)勢(shì)還是在于金屬成品的制作。激光燒結(jié)可以直接燒結(jié)金屬零件，也可以間接燒結(jié)金屬零件，最終成品的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他D打印技術(shù)。缺陷：粉末燒結(jié)的表面粗糙，需要后期處理，其次使用大功率激光器，除了本身的設(shè)備成本，還需要很多輔助保護(hù)工藝，整體技術(shù)難度較大，制造和維護(hù)成本非常高，普通用

18、戶無(wú)法承受，所以目前應(yīng)用范圍主要集中在高端制造領(lǐng)域，而目前尚未有桌面級(jí)SLS3D打印機(jī)開發(fā)的消息，要進(jìn)入普通民用領(lǐng)域，可能還需要一段時(shí)間。3DP:三維粉末粘接技術(shù)原理：該技術(shù)通過(guò)使用液態(tài)連結(jié)體將鋪有粉末的各層固化，以創(chuàng)建三維實(shí)體原型?；?DP技術(shù)，美國(guó)ZCorp公司開發(fā)了3d打印成型機(jī)。3d打印機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印技術(shù),通過(guò)將液態(tài)連結(jié)體鋪放在粉末薄層上，逐層創(chuàng)建各部件。與2d平面打印機(jī)在打印頭下送紙不同，3d打印機(jī)是在一層粉末的上方移動(dòng)打印頭，打印橫截面數(shù)據(jù)。彩色3d打印機(jī)打印成型的樣品模型與實(shí)際產(chǎn)品具有同樣的色彩。您可以將彩色分析結(jié)果直接描繪在模型上，或者注釋并標(biāo)記設(shè)計(jì)更改，以便進(jìn)一步增強(qiáng)模型樣品所傳遞的信息值。優(yōu)勢(shì)：成型速度快，成型材料價(jià)格低，適合做桌面型的快速成型設(shè)備。在粘結(jié)劑中添加顏料，可以制作彩色原型，這是該工藝最具競(jìng)爭(zhēng)力的特點(diǎn)之一。成型過(guò)程不需要支撐，多余粉末的去除比較方便，特別適合于做內(nèi)腔復(fù)雜的原型。另外此技術(shù)最大優(yōu)點(diǎn)是能直接打印彩色，無(wú)需后期上色。目前市面上打印人像的基本采用次技術(shù)。缺陷：強(qiáng)度較低，只能做概念型模型，而不