3D打印技术发展、类型、使用等等介绍

3D打印过程是通过逐层依次添加材料堆积程序的技术,从计算机建模软件(Proe\\3D max)等软件构建三维模型,这就是为什么它也称为增材制造的原因,与传统的机加工,铸造和锻造不同从原材料中取出材料(减法制造)或将材料倒入模具并通过模具,压力机和锤子成型的过程。


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“3D打印 ”涵盖了多种过程,在这些过程中,材料在计算机控制下被结合或固化以创建三维物体,其中材料被添加到一起(例如塑胶融化的、液体分子或粉末颗粒被通常逐层堆积在一起)。 在1990年,3D打印技术被认为仅适用于功能性或美学原型的生产,当时更合适3D打印的术语是“快速成型” 。自2019年以来,精度、可重复性和材料范围已增加到一些3D打印过程被视为可行的工业生产技术的程度,因此“增材制造”和“3D打印”可以同义使用。 3D打印的主要优势之一是能够产生非常复杂的形状或几何形状,而生产任何3D打印零件的前提是构建完整的3D模型或CAD三维文件。

截止2019年市面上的3D打印技术占比46%以上的是熔融堆积 (FDM)技术。虽然FDM技术是在其他两种最流行的技术之后发明的,分别是立体光刻(SLA)和激光烧结(SLS);FDM是这三者中最便宜,也是最适合普通百姓使用的技术,所以FDM是全世界最受欢迎的技术。


到2010年初,3D打印和增材制造已演变成各种含义 ,它们是增材制造技术的替代统称,一种被消费者群体和媒体以流行语言使用,另一种则被工业最终用途更正式地使用。零件生产商,机器制造商和全球技术标准组织。 直到最近,术语“ 3D打印”一直与价格低廉或功能强大的机器相关联。3D打印和增材制造反映了该技术在自动控制下的3D工作范围内共享材料添加或加入的主题。 《增材制造 》杂志主编彼得·泽林斯基(Peter Zelinski)在2017年时指出,这些术语在随意使用中仍常常是同义词,但一些制造业专家正试图区分,以使增材制造包括 3D打印和其他技术或制造过程的其他方面。


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发展历史

1974年 : David EH Jones在其《 新科学家 》杂志的定期专栏Ariadne中提出了3D打印的概念

1981年 :1980年代开发了早期的增材制造设备和材料。 1981年, 名古屋市工业研究所的小玉英夫发明了两种添加方法,它们是用光硬化热固性聚合物制造三维塑料模型的,其中紫外曝光区域由掩模图案或扫描纤维发射器控制。

1984年 : 1984年7月2日,美国企业家Bill Masters为其计算机自动制造过程和系统( US 4665492 )申请了专利 。该文件在美国专利商标局有记录,是历史上第一项3D打印专利。 这是Masters拥有的三项专利中的第一项,为当今使用的3D打印系统奠定了基础。

1984年7月16日, Alain LeMéhauté ,Olivier de Witte和Jean ClaudeAndré为立体光刻工艺申请了专利。 法国发明家的申请被法国通用电气公司(现为阿尔卡特-阿尔斯通)和CILAS (激光协会)放弃。 声称的原因是“由于缺乏商业前景”。

3周后的1984年, 3D Systems Corporation的Chuck Hull 申请了自己的STL制造系统专利,该系统通过用紫外线 激光固化光敏聚合物来添加层。 赫尔将该过程定义为“通过创建要形成的物体的横截面图案来生成三维物体的系统”。 赫尔的贡献是STL文件格式以及当今许多过程中常见的数字切片和填充策略。

1986年 :Charles Hull为其系统获得了专利,他的公司3D Systems Corporation发布了第一台商用3D打印机SLA-1。

1988年 :迄今为止,大多数3D打印机使用的技术(尤其是业余爱好者和面向消费者的模型)是FDM技术 ,这是S. Scott Crump在1988年开发并由其公司Stratasys商业化的塑料挤出的特殊应用。 1992年生产出第一台FDM机器。

金属烧结或熔化的增材制造工艺(例如选择性激光烧结 , 直接金属激光烧结和选择性激光熔化)在1980年代和1990年代使用自己的名字。 当时,所有金属加工都是通过现在称为非加性的工艺完成的; 尽管对这些技术应用了大量的自动化方法,但通过3D工作面移动工具或头部以工具路径将大量原材料转变为所需形状的想法仅与金属加工相关。到1990年代中期, 斯坦福大学和卡内基梅隆大学开发了新的材料沉积技术,包括微浇注和喷涂材料。 牺牲和辅助材料也变得更加普遍,从而实现了新的物体几何形状。

1993年 : 3D打印一词最初是指采用标准和定制喷墨打印头的粉末床工艺,该工艺由Emanuel Sachs在MIT于1993年开发,并由Soligen Technologies,Extrude Hone Corporation和Z Corporation商业化 。

1993年,一家名为Solidscape的公司成立了,它引入了具有可溶支撑结构的高精度聚合物射流制造系统。

1995年 :1995年, 弗劳恩霍夫研究所开发了选择性激光熔化工艺。

2009年 :熔融沉积建模(FDM)印刷工艺专利在2009 年到期。

随着各种添加剂工艺的成熟,很明显,很快的去除金属将不再是通过工具或头部移动通过3D工作区域将金属原料逐层转换为所需形状的唯一金属加工工艺。

2010年代是第一个十年,在该时期中,将在金属最终用途零件,例如发动机支架和大螺母,而不是强制性地从棒料或板材上进行机加工。 在金属加工中,铸造,制造,冲压和机加工仍比增材制造更为普遍,但是增材制造已开始取得重大进展,并且凭借增材制造设计的优势,工程师显然可以做到还有更多。

随着技术的成熟,一些作者已经开始推测3D打印可以帮助发展中国家实现可持续发展 。

2012年: Filabot开发了一种用塑料闭合回路[32]的系统,并使任何FDM或FFF 3D打印机都能够使用更广泛的塑料进行打印。

2014年: 佐治亚理工学院的 Benjamin S. Cook博士和Manos M. Tentzeris博士演示了第一个多材料,垂直集成的印刷电子增材制造平台(VIPRE),该平台可对功能电子器件进行高达40 GHz的3D打印。

3D打印的过程如下

1、三维建模


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可以使用计算机中 (Proe\\3D max)软件,可以将Proe\\3D max模型保存为(STL)格式 ,这是一种用于增材制造的事实上的(Proe\\3D max)文件格式,该文件格式基于)Proe\\3D max)模型表面存储数据。 STL不适用于增材制造,因为由于涉及大量表面,它会生成大文件尺寸的拓扑优化零件和晶格结构。 为解决此问题,2011年引入了更新的(Proe\\3D max)文件格式

2、模型切片

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建模完成后输出STL文件,再使用“切片软件”来处理STL文件,该软件将模型转换为一系列薄层,并生成Gcode代码文件,其中包含针对特定类型的3D打印机( FDM)量身定制的指令。然后,可以使用3D打印客户端软件(加载G代码并在3D打印过程中使用它来指示3D打印机)来打印此G代码文件。

使用现代方法构建模型可能要花费数小时到几天的时间,具体取决于所使用的方法以及模型的大小和复杂性。 附加系统通常可以将此时间减少到几个小时,尽管它会因所用机器的类型以及同时生产的型号的大小和数量而有很大差异。传统技术对于大量生产聚合物产品而言可能较便宜,但当生产相对少量的零件时,增材制造可以更快,更灵活且更便宜。 3D打印机使设计人员和概念开发团队能够使用桌面级的3D打印机来生产零件和概念模型。

3、模型打印

设计人员一般使用的机器成型尺寸300*300*400mm的的FDM技术3D打印机将虚拟文件现实化,通常这样的时间都会比较长,但是这样的技术成本相当低廉,能够满足很多设计者的需求

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4、成型

自动打印结束后,使用者可以在第一时间感受到设计出来的产品或者模型是什么样的形态,从而及时更正或者直接使用。



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影响

3D打印机的出现被国外的科学家认为是“第三次工业革命”的缔造者,也将会对未来工业发展起到一个非常大的作用,许多传统工艺难以实现的,使用3D打印技术来就能轻松完成,所以在不远的将来3D打印机将继续扮演这重要的角色,我们拭目以待。


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