仿生结构的3D打印
Time: 2016-07-05 03:08  Click:338

一、3D打印的背景

        3D增材制造(3D Additive Manufacturing)是由美国试验和材料协会( ASTM)定义的,它将增材制造定义为“由三维数模驱动的,通过叠层方法联结材料形成三维实体”,该定义是相对于传统的减法制造方式而言的。

       增材制造(即Additive Manufacturing,简称AM)是通过添加材料直接从三维数学模型获得三维物理模型的所有制造技术的总称,集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。学术界称之为“增量制造”,传媒界更喜欢称之为“三维打印”或者“3D打印”、“快速成型”。

        可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。

二、3D打印的发展历程

        增材制造技术诞生于20世纪80年代后期的美国,是基于材料堆积法的一种新型技术,被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。一开始,增材制造技术的诞生源于模型快速制作的需求,所以经常被称为“快速成型”技术(Rapid Proto-typing)。 历经25年发展,增材制造技术日新月异,从概念沟通模型的快速成型发展到了覆盖产品设计、研发和制造的全部环节的一种先进制造技术,已远非当初的快速成型技术可比。2009年美国ASTM专门成立了F42委员会,将各种RP统称为“增量制造”技术,在国际上取得了广泛认可与采纳。

三、3D打印的技术原理

        首先三维CAD模型被切成一系列二维的薄片状平面层。 然后利用AM设备制造各薄片层,与此同时将各薄片层逐层堆积,最终制造出所需的三维零件,大致如下图所示:

 

技术原理

3D打印的主要技术种类有以下几类:

(1)喷射成型:类似于喷墨打印机,通过喷嘴将液态成型材料选择性地喷出,逐层堆积形成三维结构。

(2)粘接剂喷射成型:先铺一薄层粉末材料,然后利用喷嘴选择性地在粉层表面喷射粘接剂,将粉末材料粘接在一起形成实体层,逐层粘接,最终形成三维零件。 

(3)光敏聚合物固化成型:利用某种类型的光源选择性地扫描预置的液态光敏聚合物,并使之快速固化。 

(4)材料挤出成型:在一定压力作用下,丝状聚合物材料通过加热喷嘴软化后,逐点、逐线逐面、逐层熔化、堆积形成三维结构,成型过程中工作平台下移或喷嘴上移。此前称为:熔融沉积制造(Fuse Deposit Manufacturing,FDM)。

(5)激光粉末烧结成型:基本原理与粘接剂喷射成型类似,不同之处在于不是用胶水而是利用热能将粉末材料粘接或熔合在一起,形成所需的形状。

(6)定向能量沉积成型:相当于多层激光熔覆,利用激光或其它能源在材料从喷嘴输出时同步熔化材料,凝固后形成实体层,逐层叠加,最终形成三维实体零件。

四、3D打印的产品应用

         随着3D打印技术的发展,3D打印技术有着更多材料、更高精度、更快速度、更简便操作、更高可靠性、更低成本的优势。3D打印的产品应用可分为以下几类:

    (1)形状打印

       使人类具备了前所未有的对物体形状的控制能力,能够制造任意复杂形状或结构的能力,因复杂程度增加而带来的边际成本为零,这与传统加工方法形成鲜明对比。

3D打印仿生学软椅 

(2)结构打印

        以前制造业中部件的设计完全依赖于生产工艺能否实现,而3D打印的出现,使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题,任何复杂结构的设计均可以通过3D打印来实现。

3D打印铝合金晶格结构

(3)材料打印

        可以制造一些新奇的材料,如:拉伸时材料横向膨胀的特异材料。个性化修复整形:使材料既强韧又轻量化。个性化金属植入体:由形状定制走向功能定制。生物打印“软组织植入体”:利用一种含有生物活性细胞的生物墨水,直接打印人体的各种软组织植入体,如心脏瓣膜、脊椎垫骨。

3D打印人造仿生鲨鱼皮 

 

3D打印医用模型 


(4)功能打印

        对材料行为的控制,即可对材料进行任意编程,使之具有预想的功能,如直接打印出可行走的具有真人形状的机器人,开辟全新的设计理念和类似于生物进化的工程制造模式。

3D 打印仿生手 

 

 

 

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