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增材制造技術(shù)發(fā)展及核心應(yīng)用方向分析

星之球科技 來源:科普中國2016-06-29 我要評論(0 )   

俗稱3D打印技術(shù)的計算機增材制造技術(shù)是一種基于三維CAD模型數(shù)據(jù),通過增加材料逐層制造的加工技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的材料切、削、磨等加工技術(shù)(被稱為減材制造),增材制造...

 俗稱3D打印技術(shù)的計算機增材制造技術(shù)是一種基于三維CAD模型數(shù)據(jù),通過增加材料逐層制造的加工技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的材料切、削、磨等加工技術(shù)(被稱為減材制造),增材制造是一種“自下而上”的制造方法。
增材制造設(shè)備與現(xiàn)代微機技術(shù)緊密相關(guān),它由零件的三維數(shù)據(jù)驅(qū)動,設(shè)備接受三維數(shù)據(jù)之后,轉(zhuǎn)換為加工步驟,從而直接制造零件。同時隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展,增材制造技術(shù)內(nèi)涵仍在不斷深化,類型也不斷擴展。當(dāng)前增材制造技術(shù)主要有以下幾種實現(xiàn)途徑:
 
光固化打印
這是采用紫外線在液態(tài)光敏樹脂表面進行掃描,每次生成一定厚度的薄層,從底部逐層生成物體。光固化打印的優(yōu)點是原材料的利用率高(接近100%),尺寸精度高,表面質(zhì)量優(yōu)良,可用于制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型,并且打印設(shè)備尺寸、重量較小,缺點是原材料種類有限。
 
選擇性激光燒結(jié)打印
這是指采用高功率的激光對粉末加熱使其燒結(jié)成型。選擇性激光燒結(jié)工藝的優(yōu)點是材料范圍廣,除可燒結(jié)塑料、尼龍。聚碳酸酯等非金屬材料,還可打印金屬材料,且打印時無需支撐,打印的零件機械性能好、強度高。缺點是粉末狀材料比較松散,打印精度較難控制,且打印設(shè)備價格昂貴。
 
熔融沉積打印
該打印工藝采用熱融噴頭,使塑性材料熔化后從噴頭內(nèi)擠壓而出,并沉積在指定位置固化成型。即類似于“擠牙膏”的過程。這種打印方式價格低廉、體積小、操作難度相對較小,適合于家用和辦公室打印,缺點是成型件表面有明顯的條紋,產(chǎn)品層間的結(jié)合強度低、反應(yīng)速度慢。
 
3D打印
這是采用類似噴墨打印機噴頭的工作方式,這種工藝與選擇性激光燒結(jié)十分類似,只是將激光燒結(jié)過程改為噴頭粘連,光柵掃描器改為粘接劑噴頭。3D打印的優(yōu)點是打印速度快、成本較低,缺點是打印出來的產(chǎn)品機械強度不高。
增材制造技術(shù)實用化之后,迅速被運用于多個領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域,增材制造技術(shù)首先在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用,隨后開始向海軍裝備制造領(lǐng)域推廣。目前,增材制造技術(shù)的使用方向主要有:
小型關(guān)鍵零件的制造,尤其是傳感器的制造,可利用電子束熔化處理合金后逐層燒結(jié),以獲得傳感器基本結(jié)構(gòu),兼顧性能和制造成本。
增材制造技術(shù)還可用于復(fù)雜模具與設(shè)計模型的制造。采用三維噴墨打印技術(shù),只需要設(shè)計出待打印樣品的三維CAD文件,使產(chǎn)品從設(shè)計到制作完成時間從原來的25周縮短到10周。
用于軍事裝備的修復(fù)。這是當(dāng)前增材制造技術(shù)的一個重點發(fā)展方向。增材制造技術(shù)可用于加工制造過程中誤加工損傷零件的快速修復(fù),以及裝備服役過程中失效零部件的快速修復(fù)。零件的修復(fù)包括幾何性能和力學(xué)性能恢復(fù),使用增材制造技術(shù)補完后,再經(jīng)少量的后續(xù)加工,即可使零件達到可使用的程度,實現(xiàn)零件的高效率低成本再制造。在航空領(lǐng)域,這種技術(shù)可以使作戰(zhàn)飛機和裝備可以在機場就地快速修復(fù),在艦船領(lǐng)域,這種技術(shù)可以對艦艇巡航的裝備提供更多保障。
當(dāng)前,利用增材技術(shù)進行裝備修復(fù),還需要克服一系列技術(shù)難題,如激光/電弧/等離子直接沉積修復(fù)過程關(guān)鍵因素的檢測與閉環(huán)控制、直接修復(fù)金屬零件的尺寸精度和形狀精度控制、直接修復(fù)/選區(qū)修復(fù)專用材料合金體系設(shè)計等。

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增材制造3D打印
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