3D打印立体字、发光字原理解析

    中文名

    3D打印立体字

    别    称

    三通立体字

    原    理

    三维快速成型

    3D打印立体字原理

 

      3D打印技术源自19世纪美国研究的照相雕塑和地貌成型技术，学界将其称为“快速成型技术”。1986年美国科学家查尔斯·胡尔利用一种叫光敏树脂的液态材料，发明出世界上第一台3D打印机。随后胡尔以这种技术为基础成立了世界上第一家3D打印设备公司3D Systems，并于1992年卖出了第一台商业化产品。上世90年代3D技术经历过一波快速发展，例如1989年美国得克萨斯大学卡尔提出选择性激光烧结（SLS）技术，1990年麻省理工学院申请了“三维印刷技术”专利等。本世纪至今全球越来越多的公司先后涉足3D打印制造。据统计， 2015年3D打印市场规模达到50亿美元，预计未来3—5年世界3D打印市场将保持快速增长的势头。

 

      3D打印原理——分层制造，逐层叠加

 

     “3D打印”是一类将材料逐层添加来制造三维物体的“增材制造”技术的统称，其核心原理是：“分层制造，逐层叠加”，类似于高等数学里柱面坐标三重积分的过程。区别于传统的“减材制造”，3D打印技术将机械、材料、计算机、通信、控制技术和生物医学等技术融合贯通，具有缩短产品开发周期、降低研发成本和一体制造复杂形状工件等优势，未来可能对制造业生产模式与人类生活方式产生重要的影响。

 

     按照3D打印的成型机理，通常将3D打印分为两大类：沉积原材料制造与黏合原材料制造，涵盖十多种具体的三维快速制造技术，较为成熟和具备实际应用潜力的技术有5种：SLA-立体光固化成型、FDM-容积成型、LOM-分层实体制造、3DP-三维粉末粘接和SLS-选择性激光烧结。

 

    技术类型与材料共同决定应用范围

 

    具体到细分类型，不同的成型原理对材料的要求也不同。目前SLA技术主要采用液态光敏树脂，FDM技术主要使用丝状热熔性塑料，LOM使用薄膜材料，SLS使用金属粉末，而3DP可使用金属粉末或塑料粉末等。反过来讲，材料本身的物理特性又会限制不同技术的应用。

 

     立体光固化成型的成形速度快，精度相对较高，且外形表面好，但限于光敏树脂的物理特性和材料成本较高，应用范围受局限。

 

     目前3D打印技术中唯一可桌面化的技术是FDM，这种技术，使用ABS或PLA丝状、线状材料制作玩具；而在工业中FDM使用的丝状才来主要是工程塑料，其产品多为塑料件、铸造蜡模和样件等。SLS是3D技术中最具潜力制备功能性零件的技术，SLS可再细分为金属粉末和粘结剂混合烧结、金属粉末激光烧结和金属粉末压坯烧结；SLS主要优势是制作相对高强度的金属制品，在高端制造领域中完成样件功能试验或装备模拟。南京航空航天大学用Ni基合金混铜粉进行烧结成型的试验，成功地制造出具有较大角度的倒锥形状的金属零件。

 

     与传统减材制造技术相比，各有用武之地

 

     传统机械制造是基于削、钻、铣、磨、铸和锻等“减”材制造基本工艺的组合，工件的制造一般要经过多个工艺的组合才能完成。而3D打印技术秉承“分层制造，逐层叠加”核心原理，是一体成型技术，一台3D打印机就可以完成整个工件的制造。从工业应用领域来看，目前3D打印适于小批量、造型复杂的非功能性零部件；大多在汽车、航天等领域内用于制造样件和模具等；而传统的机加工制造就适用于大规模、需要量产的部件，并广泛应用在几乎所有领域。从使用的材料来分析，受制于技术的需要，3D打印技术目前使用的材料多为塑料、光敏树脂和金属粉末等材料，这与传统机加工可以使用几乎任何材料相比要少很多。但3D打印就像其技术特点一样，几乎不产生浪费，材料的利用率可超过95%；而传统的“减”材制造，不同程度要产生许多废料。

 

     未来可能与传统制造业优势互补

 

     如今，3D打印技术已经在社会公众中引起了较大的反响，多个企业宣布即将进入或已经进入3D打印领域，业界也有学者认为3D打印将是推动第三次工业革命的重要内容，将在制造业掀起颠覆性的革命。3D打印技术本身也在不断改进，不断有新的应用材料出现，应用领域也在逐步拓展。