基于SLS选择性激光烧结成型法的3D打印机设计.docx

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1、第一章绪论1.1 3D打印技术的发展历史与研究现状3D打印技术被称之为改变现代人类生产制造的新技术，它的出现，引爆了现代制造行业，引起了市场的高度关注。基于分层制造的原理，目前在技术和材料上，3D打印都已经逐步开始走向了商业化的道路。它特殊的生产方式，能够完全解决人们直接加工生产模型的复杂程度，在一定程度上，更像是在替代我们自己生产制造川。虽然3D打印技术始于三十年之前,但真正成熟化应用却是在21世纪。目前,越来越多的行业解决方案开始接纳和采用3D打印技术来完成。尤其在制造行业和创客行业，3D打印技术的出现，无疑是带来了新的机会。它丢弃了传统制造的复杂过程，大大的简化了我们获得产品所需的时间和

2、成本，帮助人们快速制造出传统加工工艺难以制造的高难度零部件，让更多的产品以最短的时间内能够呈现在大家的面前，而且它极大的开发了人们的思维方式，是创客朋友们的福音。1.1.1 3D打印技术的发展历史3D打印的历史起源于美国，从第一篇相关论文的发表至今，已经经过了三十年的发展，从最初开始的RP技术，也就是快速成型技术，一直到2009年被ASTM更名为增材制造技术，从这个时候开始，3D打印技术才算是得到了真正意义上的发展。相关类的企业团队才认识到了这项技术的实际价值。于此同时，从事3D打印的企业蜂拥进入到这个行业中，先后研发生产自己的3D打印设备。以目前市场上五大工艺的重要时间节点来呈现3D打印的发

3、展历史。1984年，分层制造的概念在美国的一篇研究论文中被提出，也被称为3D打印技术。该技术所采用的是SLA立体光固化原理，很快在2年之后该技术就被申请专利，并在同时，第一家巨头公司3DSystem成立，同年该公司就推出了第一台商用机。1987年，DTM公司又研发了SLS选择性激光烧结技术并很快在市场上推广开来。1988年，FDM熔融沉积技术在美国问世，该技术基于分层制造的原理，采用熔融的方法制造生产，并且在该技术研究出的第二年，又一家3D打印巨头公司Stratasys成立。1991年，3D打印的又一技术，LOM分层实体制造系统技术被研究出来。19931995年期间，英国麻省理工学院基于二维喷

4、墨技术研发了3DP打印技术，相关类的3D打印设备被很快开发了出来。至此，3D打印的几种工艺基本已经成型，在随后的几十年时间里，相关的研究人员基于这些技术，开展了在各个行业的应用研究，其中国防科技类和医疗类方面的研究更为深入o当然在之后的时间里，为了更快是适应实际生产的需要，也出现了相关类的衍生技术。比如2015年,美国的Carbon3D公司发布了一种新的光固化技术一一连续液态界面制造(CLIP):以面成型的打印方式快速的制造模型,该技术最大规模的节省了制造时间，甚至可以缩短到之前的l100o1.1.23D打印技术的国外研究现状在19世纪的美国，最早诞生出了3D打印的核心技术和制造思想，之后一直

5、到了1990年之后，这项技术才真正得到了发展，也同时被广泛的应用了起来。从此，3D打印公司如雨后春笋般的涌进了人们的视野当中。在21世纪之前，整个的3D打印行业一直处于研究型状态，实际商业转化率并不高，除了在1986年和1989年基于SLA和FDM两大3D打印技术成立的巨头公司3Dsystems和StrataSyS之外，由于掌握了核心技术，两家公司在成立之初，就已经推广出了商用的3D打印机，在这之后，一些团队和公司才相继加入。就当人们在思考质疑这技术的可靠性的同时，SLS选择性激光烧结成型技术在美国问世，这种技术的特点是选材范围非常的广泛，例如金属、尼龙等都可以作为原材料，弥补了其它3D打印工

6、艺技术在特殊材料上选择不足的问题，满足了现代工业的又一大需求到2005年,英国巴斯大学博士AdrianBowyer开始创建了RepRap项目，2007年，基于FDM的第一代机器研发成功，他开始在博客上更新发表他制作的过程，把自己的过程文件以开源的方式在各种渠道分享出来，并且他还给这台打印机命名为“达尔文”，这之后的时间里，他相继开源了三种结构的3D打印机。直到近几年，3D打印技术的研发暂时被停滞了下来，更多的公司开始瞄准了市场，他们开始以市场需求和应用为导向。3D打印公司CarbOn与著名的运动品牌阿迪达斯合作，推出了3D打印定制运动鞋，并在2017年开始实现了商业化。3D打印公司ErPrO和

7、时尚品牌香奈儿也开始宣布了合作，推出了3D打印睫毛膏刷子，在医疗方面，也有类似的合作方案，一种新的3D打印模型开始兴起。1.1.33D打印技术的国内研究现状我国大约在1991年开始了相关技术的研究，由于当时的3D打印技术还处于萌芽的阶段，被称之为快速成型技术，所成型的产品模型与实际加工生产出的模型存在很大的差异，所以当时在国内还并没有得到认可，在技术研究上，抄袭现象严重。2000年，由中科院院士引领的一批科研工作者开始了3D打印技术的深入研究。颜永年教授极其团队在我国的金属、生物3D打印研究领域做出了杰出贡献，被称为“3D打印第一人”，也曾经多次获得国家表彰；卢秉恒院士以西安交大为基地，致力于

8、工业SLA领域的应用研发，也是中国第一个3D打印行业院士；王华明院士及其团队则在我国的大型复杂金属结构建上作出了突出贡献之后他们把部分研究成果转化到了企业上，相继成立北京太尔时代、昆山永年激光等公司。2005年之后，得益于开源组织项目RePRaP技术方案的公开，国内企业开始迅速相应，之后相继成立了数百家与3D打印相关的公司，但是其规模都不大，掌握其核心技术的公司只有寥寥数几。同时一些海归的专家也看到了我国3D打印技术的发展潜力，开始回国创业，如华曙高科等企业。2010年之后的几年时间里，是我国3D打印行业发展最快的几年。以FDM技术为代表的企业相继崛起，例如宏瑞，市场份额从之前的不足10亿到如

9、今的破百亿，我国也相继出台了相关的政策，如2015年发布的中国制作2025技术中对3D打印技术产业的扶持，2016年“十三五规划”中对增材制造材料的研发,2017年科技部“重点专项指南”对激光制造技术的研发，以及第一个3D打印本科院校在新乡成立招生，我国对于3D打印技术的重视程度越来越高。1.2 3D打印技术的应用不可否认的是，到目前为止3D打印机的应用领域也是越来越广泛，从寻常百姓家的日常用品，到各大高校、公司的生产研发试验，再到航空航天甚至是国家安全的国防军事事业，几乎各种领域都可以有3D打印技术的身影。因为3D打印能够快速的制造模，型，能够很大程度的减少人们生产成本，控制产品的周期，所以

10、可以应用在各个行业中。使用者只需要提供相应的数据模型，根据模型，就能够生产出相对应的产品，获取物品的方式发生了改变，人们更加的方便快捷。现如今，虽然3D打印技术尚且不是很成熟，但是3D打印技术以深入行业发展为方向，在各行业当中也占据了一席之地。下面是一些行业目前应用的具体方向。在工业制造领域，3D打印技术主要被应用于产品的批量前的原型开发和功能性方面的检测，以及制造磨具等；在文化和数码娱乐方面，3D打印技术主要被用来表达人们新奇的艺术思想和创作的灵感，它能够更好的用来承载人们独特的思想寄托等；在航空航天和国防军工领域，主要是被用于制造一些传统加工难以做到的复杂结构零件或者是一些加工工序比较繁琐

11、的高端部件；在生物医疗方面，主要被用于制造植入人体的假肢或者手术用的导板、骨骼模型等；在消费品方面，用于制造出符合个人需求的产品；在建筑方面，主要被用于实验建筑模型验证以及墙体方面的制造；在教育方面，主要应用于创客教育和科研实验，极大的激发了学生的创造思维网；在个性化定制方面，主要提供针对私人的个性化打印服务等。现阶段还只是开发了部分的价值,还存在很大的行业应用有待开发。下面是以3D打印在模具制造应用中为例，它有效的降低了传统模具制造加工的周期和成本，避免了因为设计失误而导致的开模损失，利用快速原形技术快速的将零部件从设计转向实际模拟图形而不必必须经过生产。可以用UG等三维制图软件设计出零件的

12、三维图，也可以用三维扫描仪由实物直接扫描出实物的数据然后进行修改。图LI是某汽车的一个零部件的三维扫描图片。图1.1扫描出的汽车模型外壳1.3 3D打印技术的分类及特点1.3.1 FDM熔融沉积成型技术FDM熔融沉积成型技术，也是目前最简单，最普遍的技术，相比较于其它的3D打印技术原理来说，FDM熔融沉积技术相对简单，它所使用的材料一般为聚乳酸PLA、工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等线材热塑材料。相对应的打印机的结构也比较的简单，打印机工作的时候，可以分为两个部分，送料加热挤出和喷头定位,两个部分同时进行，材料丝从挤出机进入导管，在喷嘴处加热块把丝状的材料加热成熔融状态，后续材料持续挤出，材料不

13、断的从喷嘴处出来粘到平台上，于此同时，定位结构在系统的控制下，需要带着打印头移动，在XT平面刻画出打印模型的截面曲线图，待该层打印完毕后，需要平台抬起一定高度，在新的平台上继续堆叠刻画出下一个轮廓，就这样反复过程,直到打印出整个三维立体的模型。如图1.2所示。材料丝图1.2FDM技术原理这种工艺的特点就是操作上方便，不使用激光,所以维护和造价上相对简单,该技术被StrataSyS公司注册专利，但现已过专利保护期。基于这种结构所开发的材料种类也越来越多，适配效果也较为理想，所以该类型的机器目前市场份额占据非常大，用于产品前期的验证方面效果非常实用IK)L1.3.2 SLA立体光固化成型技术SLA

14、立体光固化成型技术。与前面介绍的FDM熔融沉积技术有几分类似之处,所不同的是该技术运用的是激光处理技术，该技术同样采用的是分层制造的方式，以特定波长的点激光刻画出物体当前的截面轮廓，由点到线，再到面，当完成一个面之后，模型下沉一定的距离，再继续激光固化下一个截面，直到模型打印完成。它的工艺流程是先通过计算机辅助软件构建物体的三维模型图，经由切片软件处理之后，系统设计生成激光的路径，扫描系统当中的振镜扫描器会根据系统设计的路径,精确的把激光照射到需要固化的树脂上面，当刻画完一个截面之后,平台会下降，新的树脂会补充到模型上面，继续进行下一个面的固化过程。模型第一次固化之后，由于材料的不同，有部分需

15、要将模型取出，进行二次的整体固化才能得到想要的模型效果。如图1.3所示。激光器拐播系统可移动手台.打物 板 在的 刮 正印体光敏树脂图1.3SLA技术原理SLA技术的优点就在于该技术运用的光学处理，再成型物体模型的表面不会存在过大的层纹，模型相对光滑，可以满足大部分对外观要求较高的人群需求,但是由于树脂材料的限制，目前，在其强度方面，树脂材料还不能提供满足需求的材料，因此行业正在大力开发强度高的树脂材料。1.3.3 SLS选区激光烧结技术SLS选区激光烧结技术，SLS技术选择的原料是粉末材料，通过高能量红外激光束产生瞬间的高温，融化其周围的粉末材料，让它们粘结在一起。与其它的打印原理相似，都是

16、通过把三维模型分成若干层，之后通过一层一层的打印，最终完成整个三维模型的建立。在SLS技术中，同样需要经过振镜结构的激光束来烧结出截面的轮廓，当一个截面烧结完成之后，在工作台上成型缸会下降，储粉缸会上升,滚轴会把储粉缸升起部分的粉末材料平铺在成型缸的上面,完毕之后,激光继续烧结材料，如此的往复，逐层烧结，最终形成三维模型。如图1.4所示。图1.4 SLS技术原理该项技术最初是在1989年期间美国DTM公司研发的，在之后的几十年时间里，经由企业的不断研究和发展，在现如今的市场需求上也起到了一定的作用，但是由于该技术的复杂程度、售价非常高，目前的普及程度还远远不够，该技术一般采用金属或者尼龙材料打印居多。1.3.4 LOM分层实体制造技术LOM分层实体制造技术，与之前不同的是，该技术是以片状材料作为原料，它的成型原理如图1.5