1 引言
3D打印(three-dimensional printing) 技術是一種\從無到有" 的增材制造方法. 其思想起源于19 世紀末美國一項分層構造地貌地形圖的專利, 并在20 世紀80 年代得以發展與推廣.
3D 打印技術在美國發展迅速, 其發展狀況基本可代表全球3D 打印技術的發展. 1988 年美國的3D Systems 公司生產出了第一臺3D 打印裝備SLA250, 開創了3D 打印技術發展的新紀元. 1991 年,美國Stratasys 公司的熔融沉積制造(fused deposition modeling, FDM) 裝備、以色列Cubital 公司的實體平面固化(solid ground curing, SGC) 裝備和美國Helisys 公司的疊層實體制造(laminated object manufacturing, LOM) 裝備都實現了商業化. 1992 年, 美國DTM 公司(現屬于3D Systems 公司) 的激光選區燒結(selective laser sintering, SLS) 裝備研發成功, 開啟了3D 打印技術發展熱潮. 1996 年, 3DSystems 使用噴墨打印技術, 制造出其第一臺3D 打印裝備Actua2100. 1996 年, 美國Zcorp 公司也發布了Z402 型3D 打印裝備. 國內自20 世紀90 年代初開始3D 打印技術研發, 以華中科技大學研制的LOM 裝備和SLS 裝備、西安交通大學的光固化成型(stereo lithography, SL) 裝備、北京航空航天大學的激光快速成型裝備以及清華大學的FDM 裝備最具代表性.
3D 打印技術是一項革命性技術, 3D 打印無需機械加工或者模具, 甚至無需在工廠進行操作. 英國《經濟學人》雜志則認為它將“與其他數字化生產模式一起推動實現第三次工業革命" , 認為該技術將改變未來生產與生活模式, 實現社會化制造, 每個人都可以成為一個工廠. 此外它將改變制造商品的方式, 進而改變世界的經濟格局, 最終改變人類的生活方式.
2 3D 打印技術的發展概述
與傳統加工方式相比, 3D 打印技術將三維實體加工變為由點到線、由線到面、由面到體的離散堆積成形過程, 極大地降低了制造復雜度。3D 打印技術在發展之初, 首先突破了傳統制造技術在形狀復雜性方面的技術瓶頸, 能快速制造出傳統工藝難以加工、甚至無法加工的復雜形狀及結構特征. 隨著3D 打印技術的不斷發展, 現代3D 打印技術已經超越傳統單材均質加工技術的限制, 突破下述3 個復雜性. 材料復雜性: 可實現多材料、功能梯度材料、多色及真彩色表面紋理貼圖零件的直接制造; 層次復雜性: 可跨越多個尺度(從微觀結構到零件級的宏觀結構) 直接制造; 功能復雜性: 增材制造可以在一次加工過程中完成功能結構的制造, 從而簡化甚至省略裝配過程.
2.1 多材料、多色3D 打印技術概述
多色的3D 打印技術能直接獲得產品設計的彩色外觀, 而不需要后處理流程, 在消費領域、原型手板及教育行業較以往的單色3D 打印制件有著巨大優勢. 多材質的3D 打印技術能將不同性能的材料構建于同一零件上, 縮短加工流程, 減少裝配, 提高性能. 3D 打印技術經近些年的發展, 已經出現多種實現多材料、多色打印的技術方法, 并開發出商品化裝備.
Stratasys 公司的最新款3D 打印裝備Objet500 Connex3 (收購自Object Geomatries 公司) 支持同一部件多材質、多色打印, 該系列3D 打印裝備采用Polyjet(噴射固化成型) 技術, 由Object Geomatries 公司2007 年發布, 使用陣列式噴頭將光固化樹脂噴射到基底上然后用紫外光將其固化成形, 其層厚可達16 μm, 通過不同顏色樹脂的混合, 可以打印上百種色調, 可用于牙科、醫療和消費產品行業的3D 打印. Polyjet 技術使用特別設計的凝膠類支撐材料與所選的模型材料一起噴射, 以支撐懸垂和復雜的幾何圖形. 可用手或用水輕松將其除去. PolyJet 3D 打印技術最顯著的特點是可同時打印多種材料, 包括上百種鮮亮顏色的剛性不透明材料、透明和著色的半透明色調材料、橡膠類柔韌材料和專業光聚合物, 特別適用于牙科、醫療和消費產品行業的3D 打印. 與該技術原理類似的還有美國3D Systems 公司的多噴頭打印(multijet printing, MJP) 技術, 其代表產品為Projet 5500X 3D 打印機, 可實現兩種材料的按比例漸變混合打印。
3D Systems 公司的ZPrinter 系列3D 打印裝備(收購自Z Corporation 公司) 采用彩色噴墨打印(colorjet printing, CJP) 技術, 該技術通過在粉末床上噴射彩色粘接劑的方法實現彩色技術, 由于彩色粘接劑特性與彩色墨水類似, 通過混合漸變可實現真彩色制件打印. 最新款ZPrinter850 配有5 個打印頭(無色、青色、品紅、黃色和黑色), 能打印出39 萬種顏色.
Mcor 公司的Mcor IRIS 真彩色3D 打印裝備采用LOM 技術, 配有墨盒, 根據每層的顏色將紙張雙面用普通彩色打印機打印成彩色, 再切出所需輪廓并粘接, 能打印出100 萬種以上的接近真實色彩的3D 模型。
以色列火龍理工學院的Studio Under 工作室開發了一種彩色陶瓷3D 打印技術, 將特制的彩色粉末混入陶瓷黏土中, 然后用擠出式的3D 打印噴頭打印出來, 從而得到彩色陶瓷制品。
BotObjects 公司開發的ProDesk3D 彩色3D 打印裝備采用FDM 技術, 將5種顏色的線材在調色打印頭中進行色彩的調配, 這種技術還存在很多問題, 如線材的控制和混合、噴頭內殘余材料的去除等. 美國麥迪遜大學開發出一種彩色打印轉接器Spectrom), 該轉接器與FDM 3D 打印機相兼容,在塑料熔化時加入染色劑, 從而打印出不同顏色. 意大利的Stick Filament 公司8)提出在棒狀線材的兩端加上可以相互扣合的連接頭, 這樣不同顏色的PLA 線材就可以被連接在一起進行彩色3D 打印。
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