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《3D打印：五个技巧实现增材制造》

  • 来源专题：数控机床与工业机器人
  • 编译者： icad
  • 发布时间：2014-10-22

  • 三维打印,也称为增材制造技术,迅速成为普遍接受的技术,公司使用原型和小批量生产一部分,爱好者和diy采购小机器创建自己定制的部分。

    与所有的兴奋的可能性3 d印刷,重要的是要知道如何为这种技术设计部分。

    加法制造系统具有不同的差异从其他生产方法和你不需要遵守许多传统的制造能力的规定。

    结果是自由创建部分专为形式,配合和功能。 从以前的设计约束,自由自在的3 d打印是使公司更有效率和降低成本。

    1。 脱离传统制造业的约束

    多年来,工程师们一直在教导设计产品如何生产,生产零件注塑或减去生产流程等,阻碍了设计的自由。

    注射成型,有很多需求,限制部分设计:从模具角度,以确保适当的弹射,草案辐射式的角落减少压力,均匀壁厚和部分大小limitations-just等等。

    同样,数控加工等复杂的几何形状的限制了生产工具的内部通道,因为没有路径到达内的部分。 和复杂的组件(比如削弱和悬岩通常需要多个支架和辅助操作,推高成本,导致生产延误。

    然而,这些限制在加法制造存在因为部分是从头构建的,一层一层地与可溶性支持结构。 您可以构建复杂的零件多个组件,如内部通道孔、晶格结构和mid-build插入,这将需要创建分别在传统的制造业中,增加建筑的时间和费用部分。

    还有一个广泛的加法制造技术可以支持几乎所有部分:PolyJet可以产生细功能细节和多个材料理想的现实原型;和熔融沉积制造(FDM)构建部分相同的反光膜热塑性塑料用于注塑,足够耐用的功能测试要求和最终用途的应用程序。

    部分的大小与3 d印刷也不是一个问题。 Stratasys公司FDM机最大的构建部分36 x 24 x 36。 大,但如果是设计文件可以分成多个片段,与每一个建立在一个单独的机器,然后热风焊接或粘在一起,使其强度和功能,好像它是一个组成部分。

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    • 编译者：杨芳
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    • 增材制造 基于3D打印技术的摇滚演唱会 上周，黑色安息日摇滚乐队在法兰克福的表演带给德国摇滚歌手极大震撼，就在同一时间，另一支乐队也在法兰克福会展中心的一个大型会堂里准备自己的演出设备。实际上，这支乐队在此之前还没有接触过自己要演奏的乐器；这是因为他们所使用的乐器是在演出前一天才用3D打印机打印出来。 当时，欧洲模具展也在法兰克福会展中心举行，该展会是一个全球性展会，为来自世界各地的模具制造、机床制造和准备开设工厂的工程师提供了一个交流平台。欧盟模具展已经举办了20年，不仅展出传统生产技术设备，如焊接、机械加工和注朔成型技术设备，新近出现的3D打印技术设备也出现在了本届展会上。3D打印技术又被称为增材制造技术，是指利用添加材料的方法来制造实体物品的技术。根据欧洲模具展公布的信息，3D打印设备已经有20种不同的方式打印方式，使用的打印材料除了朔料、金属之外，越来越多的其他材料也能被用与3D打印。 大卫·阿杜·阿毗基和其他乐队成员在欧洲模具展上表演所使用的电吉他、电子琴和架子鼓都是使用3D打印技术设备打印出来的，这他们的表演最吸引人观众的地方。大卫他们的表演想人们展示了3D打印技术发展的两个重要趋势。第一个趋势：人们利用3D打印技术，不用花多少钱就能成为一个生产商。 使用3D打印机来制造乐器已经不是什么新鲜事了。此前，在位于新西兰奥克兰的梅西大学，有一个名叫奥拉夫·迪戈尔的机电一体化教授，他喜欢弹吉他，曾使用3D打印机制造了一些乐器。随着奥拉夫·迪戈尔的设计乐器的品质不断提高，奥拉夫·迪戈尔将自己制造的乐器图片发表在了自己的博客上；不久就有人联系奥拉夫·迪戈尔，表示愿意购买这些乐器。在2012年，奥拉夫·迪戈尔成了一个叫做“ODD 吉他”的公司，进行小规模地制造乐器。ODD吉他公司每一把吉他都是按照买家的要求定制，因此，每一把吉他都是独一无二的。ODD吉他公司在销售了20多把吉他后，奥拉夫·迪戈尔将销售定制3D打印吉他的业务转给了一个名叫“3D系统”的美国公司，正是3D系统公司为大卫·阿杜·阿毗基他们制造了在欧洲模具展上表演用的乐器。 “沃雷斯联盟”是一家3D打印技术行业资讯公司。在沃雷斯联盟主办的一次展会上，奥拉夫·迪戈尔声称：“销售3D打印技术制造的产品，几乎不会遇到资金危机。”3D打印机能按照买家要求打印吉他，因此，制造厂商不会有任何库存问题。此外，3D打印机电整个制造产品的过程都由电脑软件控制，如果要对产品进行修改，直接用电脑软件修改即可，无需调整价值不菲的生产设备。例如，一些吉他买家告诉奥拉夫·迪戈尔他们想要在电吉他上嵌木板，以保证吉他声音的纯正，奥拉夫·迪戈尔随即按照他们的要求进行了调整，虽然在奥拉夫·迪戈尔看来，在吉他上嵌不嵌木板，发出的声音根本没有任何区别。 第二种趋势：将传统加工技术与3D打印技术相结合。奥拉夫·迪戈尔对此解释道：“你能用3D打印机打印出所有东西，但所有东西都要用3D打印机来制造，这就有点过了。”因此，奥拉夫·迪戈尔制造的吉他、架子鼓和电子琴都使用了一些使用传统技术制造的零件和电子元件。（虽然3D打印机也能打印出电子元件。）奥拉夫·迪戈尔的想法是用当前最好的加工方法来制造乐器。奥拉夫·迪戈尔制作了一把名叫“蒸汽朋克”的电吉他，“蒸汽朋克”的内部装满了转动的齿轮；“蒸汽朋克”这种精细的结构如果使用常规机床制造，将是十分困难。 在欧洲模具展上，人们还见到了将传统技术和3D打印技术相结合的其他应用领域。德国DMG Mori Seiki公司是一家在德国和日本都有生产基地的工业机床制造商，该公司在本次欧洲模具展上，想人们展示了他们制造的融合3D打印技术和传统加工技术的混合加工技术机床原型，该机床自身能存储金属粉末，利用激光将金属粉末融化，并将融化后的液态金属一层层地焊接在一起；除了这种激光打印设备，该机床还配有多轴联动铣削头，能将工件上多余的材料去除掉，从而加工出高精度零件。 3D打印技术看起来还不错吧？大卫·阿杜·阿毗基对此已有了深刻印象，但大卫·阿杜·阿毗基认为要是对3D打印机还做一些改进，做出的乐器会更好。不论怎样，这些3D打印机打印出来的乐器足以让奥齐·奥斯本和其他黑色安息日摇滚乐队的成员大吃一惊了。
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  • 《3D打印技术在航天复合材料制造中的应用》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-03-20
    • 复合材料的需求将以更快的速度增长，而其高成本成为制约复合材料广泛应用的重要瓶颈。低成本复合材料制造技术是目前世界上复合材料研究领域的一个核心问题。提高复合材料的性能价格比，除了在原材料、装配与维护等方面进行研究改进外，更重要的是降低复合材料制造成本。 3D打印 近年来，3D打印技术的出现为制造业开辟了一个全新的思路，不同于传统制造业的减材制造和等材制造，它通过添加材料的方式可以快速地成型复杂形状产品并且实现极大限度的利用原材料。 航天器的发射成本高，有效载荷的质量对发射成本影响巨大，因此有效载荷在结构设计和材料选用时特别注重结构效率。碳纤维复合材料具有比强度高、比模量大、热稳定性好、可设计性强等特点，优异的综合性能正是追求高性能、结构质量效率优化的航天产品所需。 目前，应用在航天光学遥感器的碳纤维复合材料产品涵盖遥感器的各个部位，如相机镜筒、相机支架、遮光罩、桁架等。所用树脂以环氧树脂和氰酸酯树脂为主，增强材料以连续碳纤维为主。根据具体产品特点和工艺特点，按照产品的性能要求和厚度要求将预浸料以一定的铺层顺序和铺层层数在模具上叠放形成坯体，再将坯体放入热压罐或热压机在高温环境下进行数小时的高温高压固化。 航天遥感器复合材料及制造工艺主要有以下特点： 1）为保证产品的力学性能，增强体采用连续纤维； 2）树脂基体环氧树脂和氰酸酯树脂均为热固性树脂，需要在特定的固化温度和压力下进行数小时固化（发生化学交联反应）以形成稳定的网状交联聚合物； 3）预浸料叠层坯体内部松散，为排出坯体中的空气和其他小分子，需对坯体在加热的同时施加高压，以提高制品的致密性，保证制品的力学性能； 4）对于复杂结构产品，为保证其力学性能，预浸料铺层设计往往需要多个平面或多个部位进行连续铺层，如薄壁加筋镜筒需保证法兰环和镜筒筒体的连续、加强筋与镜筒筒体的连续等，多向接头中要保证各端头周向连续、各端头之间的根部连续等。 3D打印技术 3D打印也叫增材制造，区别于传统的减材或等材加工制造方法，它是采用材料逐层累加的方法制造实体零件。该技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、信息技术、精密伺服驱动技术以及新材料与物理化学技术的基础上集成发展起来的。 其工作原理是将物理实体的计算机三维模型离散成一系列的二维层片，利用精密喷头或激光热源，根据层片信息，在数字化控制驱动下，将熔覆的成型材料通过连续的物理层叠加固化，逐层增加材料来生成三维实体产品。 在各种3D打印技术中，能够进行复合材料3D制造的主要有选区激光烧结（SLS）、熔融沉积成型（FDM）、分层实体制造（LOM）以及立体光刻技术（SL）。 SLS制造复合材料的主要方法是混合粉末法，即基体粉末与增强体粉末混合，激光按设计图纸的截面形状对特定区域的粉末进行加热，使熔点相对较低的基体粉末融化，从而把基体和增强体粘接起来实现组分的复合。该方法存在的问题是混合粉末中两种材料的密度不同，易出现沉降使得制品成分不均匀。通过合成单一复合材料粉末进行技术改进，制得的复合材料粉末将能克服混合粉末的易沉降、不均匀等问题从而能够制得品质更高的制品。 FDM工艺制造复合材料是预先将纤维和树脂制成预浸丝束，再将预浸丝束送入喷嘴，丝束在喷嘴处受热融化并按设计轨迹堆放在平台上形成一层层材料，层与层之间通过树脂部分或完全融化形成连接。FDM技术所用的复合材料预浸丝束必须满足组分、强度以及低粘度等要求，一般需要在复合材料中添加塑性剂增加流动性。 LOM技术与FDM类似，需预先制备单向纤维/树脂预浸丝束并排制成无纬布即预浸条带，预浸条带经传送带送至工作台，在计算机的控制下，激光沿三维模型每个截面的轮廓线切割预浸条带，逐层叠加在一起，形成三维产品。 利用SL制造复合材料，首先需将光敏聚合物与增强颗粒或纤维混合成混合溶液，利用紫外激光快速扫描存于液槽中的混合液，使光敏聚合物迅速发生光聚合反应，从而由液态变为固态，然后工作台下降一层薄片的高度，进行第二层激光扫描固化，如此反复，形成*终产品。SL制造复合材料存在增强颗粒发生沉淀导致颗粒分布不均匀、溶液中泡沫导致固化后孔洞的产生、颗粒的反射使得激光吸收能量变低因而需要更长的照射时间等问题。 复合材料3D打印技术进展 热塑性树脂具有加热变软、冷却固化的工艺特性，易于实现增材制造，在3D打印市场以热塑性塑料为主，同样，在复合材料3D打印技术中，以热塑性树脂为基体的复合材料相对也是主要的研究对象，增强材料有短切纤维和连续纤维。 德国、美国等3D打印公司及我国华曙高科等分别研制了可用于SLS技术的短切纤维/热塑性树脂复合材料粉末并实现商业化。 美国MarkForged公司2014年初研发了连续碳纤维增强热塑性复合材料3D打印设备MarkOne，打印出了碳纤维增强尼龙复合材料。打印机具有两个喷头，一个喷头输送热塑性树脂（尼龙或聚乳酸），一个喷头输送连续的预浸碳纤维丝或预浸玻璃纤维丝，预浸纤维丝涂有特别为打印机开发的热塑性树脂，两个喷头轮流工作，用基于FDM的工艺沿X/Y平面铺放树脂和预浸丝束，实现纤维和树脂的复合，纤维可以按需要取向或仅在需要的地方铺放。目前，该设备仅能实现X/Y方向纤维取向，尚不能实现Z向取向。MarkOne可打印尺寸为0.6m×0.4m×0.3m。 美国Stratasys公司和美国能源部（DOE）橡树岭国家试验室合作开发量产碳纤维复合材料FDM制造技术。合作分为3个阶段，第一阶段研究在FDM过程中如何放入碎纤维以及如何调整材料的各种机械性能，第二至第三阶段研究集中于在中心线上开工制造连续碳纤维复合材料以及进一步的处理。 哈佛大学研制了适用于3D打印的环氧树脂，实现了热固性树脂的3D打印。为改善树脂粘度，研究人员添加了纳米粘土、二甲基磷酸酯、碳化硅晶须和短切碳纤维，以咪唑基离子做固化剂，极大地拓展了树脂的打印窗口，使树脂在长达数周的打印窗口期内粘度不会显著增加。通过控制纤维长径比和喷嘴直径，使填料在剪切力和挤出流的作用下发生取向，实现了填料取向的控制，获得了取向的纤维。打印好的部件先在较低的温度下预固化，然后从基板上移出再进行进一步高温固化。 航天用树脂基复合材料3D打印技术分析 目前复合材料3D打印技术以短纤维/热塑性复合材料为主，材料和设备实现了商业化，而热固性基复合材料仅在试验室实现了短切纤维增强复合材料的3D打印。结合航天遥感器复合材料的产品特点，连续纤维增强热固性复合材料3D打印技术在打印材料、多维连续打印、预固化功能等方面亟待突破。 亟待突破的方面 1）开发适应性的打印材料。复合材料3D打印过程要求打印材料具有适当的粘度、流动性、长的操作时间、短的成型时间，因此需对现有航天复合材料材料体系进行适应性开发，对材料体系进行改进，以提供满足3D打印技术和航天应用要求的材料。 2）突破纤维多维连续打印。复合材料3D打印设备亟需突破在多维方向的连续堆积，如设置五轴/六轴联动打印平台通过转动平台实现多维连续打印，以满足航天复杂结构产品多个平面、多个部位的连续铺层要求。 3）实现预压实功能。热固性树脂基复合材料需在高温高压下实现树脂基体的固化和制件的致密化，可在打印一定层数后在设备内对坯体进行预压实和加热，提高打印中间过程的致密性，打印完成后再将坯体移至固化设备进行最终固化。 采用低成本技术是降低复合材料产品成本的有效途径之一，3D打印技术通过增加材料实现产品的制造，能够极大限度的发挥材料的利用率，降低复合材料生产成本。 此外，对于复杂结构复合材料产品，3D打印技术还可以减小对工装的依赖，缩短加工时间，同时还可以实现整体成型、减少装配时间，研究3D打印技术在航天复合材料的应用具有重大工程意义。对于航天遥感器所用的连续纤维增强热固性树脂复合材料，3D打印需解决打印材料、纤维多维连续打印、预固化功能等问题。
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