汽车车身3D打印系统方案设计_紫菜网
汽车车身3D打印系统方案设计
汽车车身 3D 打印系统方案设计 Automobile 3D Printing System Design
摘要：3D 打印被誉为“第三次工业革命”的核心技术，综合了数字建模技术、 机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多领域的前沿技术，有着非常优 越的应用潜质。 本文将就 3D 打印展开讨论， 并就 “汽车车身 3D 打印” 作为重点， 设计一个制造系统的实施方案。此外，本文还将针对 3D 打印中所遇到的最主要 的问题讨论起解决方案。 Abstract: 3D-printing is known as the core technology of the "third industrial revolution". It is a combination of digital modeling technology, mechanical and electrical control technology, information technology,materials scienceand chemistryand many other cutting-edge technologies. So it has a very superior application potential. In this article, I will talk about 3D-printing and design a manufacturing system and implementation plan for ‘3D-printing for automotive body’. Besides, this article will also focus on the main problems of 3D-printing and their solutions. 关键词：3D 打印 汽车车身 熔融沉积成型 一、3D 打印概述 3D 打印，是根据所设计的 3D 模型，通过 3D 打印设备逐层增加材料来制造 三维产品的技术。这种逐层堆积成形技术又被称作“增材制造” 。传统数控制造 一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分， 得到零部件， 再以拼装、 焊接等方法组合成最终产品。 而 “增材制造” 与之不同， 无需原胚和模具， 就能直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何 形状的物体， 简化产品的制造程序， 缩短产品的研制周期， 提高效率并降低成本。 3D 打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸 多领域的前沿技术，是快速成型技术的一种，被誉为“第三次工业革命”的核心 技术。 “第三次工业革命” 实质就是以数字制造技术、互联网技术和再生能源技术 的重大创新与融合为代表,从而导致工业、 产业乃至社会发生重大变革,这一过程 不仅将推动一批新兴产业诞生与发展以替代已有产业，还将导致社会生产方式、 制造模式甚至生产组织方式等方面的重要变革, 最终使人类进入生态和谐、 绿色 低碳、 可持续发展的社会。 这次科技革命不仅极大地推动了人类社会经济、 、 文化领域的变革，而且也影响了人类生活方式和思维方式,使人类社会生活和人 的现代化向更高境界发展。 二、3D 打印技术现状和发展趋势 1、技术现状：3D 打印技术经过超过半个世纪的不过改良，已经发展衍生出了很 多打印技术，如：光敏固化成型(StereoLithography Appearance, SLA)、熔融 沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)、 选择性激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)、分层实造(Laminated Object Manufacturing, LOM)。
对比国内外专利申请记录，如下图：
从国内外趋势线上反映的总体态势看， 我国与国外技术发展差距近 10 年,处在不 同的发展时期。这与研发者的学术敏锐、研发模式及国家层面的重视有关。 右图是各国在 3D 打印技术应用 的市场份额，不难看出，我国已经 能够在这个庞大的市场中占据一席 之地，但是，目前，我国 3D 打印产 业处于起步阶段，存在一系列影响 3D 打印产业快速发展的问题，如： 缺乏宏观规划和指导；科研投入不 足；产业链缺乏统筹发展。 综合以上科研领域和市场份额 的对比，我们可以得出结论：我国 需加强政策扶持，加大研发投入， 不断进行技术研发创新，逐步向产 业化迈进，缩小与国外的差距。 2、3D 打印机的发展前景：3D 打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业 需要模型和原型。以色列的 Objet 公司认为，3D 打印机需求量较大的行业包括 、航天和国防、医疗设备、教育以及制造业。根据国际快速制造行业权威报 《WohlersReport2011》发布的结果，全球 3D 打印产业产值在
年间保持着 26.2%的年均增长速度。 报告预期， 3D 打印产业未来仍将持续地增长。 到 2016 年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到 31 亿美元，2020 年 将达到 52 亿美元。 但 3D 打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面临着 多方面的瓶颈和挑战：一是成本方面，现有 3D 打印机造价仍普遍较为昂贵，给 其进一步普及应用带来了困难；二是打印材料方面，目前 3D 打印的成型材料多 采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也 存在一定隐患；三是精度、速度和效率方面，目前 3D 打印成品的精度还不尽如 人意，打印效率远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打 印精度与速度之间存在严重；四是产业环境方面，3D 打印技术的普及将使 产品更容易被复制和扩散， 制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制 难以适应产业未来发展的需求。Gartner 公司 2011 年发布的最新技术发展展望 报告判断：3D 打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分 成熟，主流市场也有待进一步培育。Gartner 公司研究人员认为，3D 打印技术成
熟到适应市场需求还将需要 5～10 年的时间。在这一段较为漫长的发展过程中， 产业可能会面临增长期望落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等风险。总之，从中 长期来看，3D 打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚 有较大距离，因此，现阶段产业界对 3D 打印领域的投入应以加强创新研发、技 术引进和储备为主， 尤其要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场 竞争中占据有利地位。 3、3D 打印技术未来发展的最主要趋势：随着智能制造的进一步发展成熟，新的 信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D 打印技术也 将被推向更高的层面。未来，3D 打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通 用化以及便捷化等主要趋势。 提升 3D 打印的速度、 效率和精度， 开拓并行打印、 连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物 理性能，以实现直接面向产品的制造；开发更为多样的 3D 打印材料，如智能材 料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接 成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点；3D 打印机的体积小型化、 桌面化，成本更低廉，操作简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需 求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现 CAD/CAPP/RP 的一体化，使设计 软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造； 拓展 3D 打印技术在生物医学、 建筑、 车辆、 服装等更多行业领域的创造性应用。 三、汽车车身 3D 打印系统方案设计 1、设计目标：采用 3D 打印方法打印出汽车车身。车身能够具有良好的各方面性 能， 包括承载汽车内部各种零件已经汽车驾驶员及乘客、能够保证强度不会过于 脆弱或者结构过于定。同时，打印系统具有良好的抗干扰能力，能够一定程 度上应用于工业生产，并且打印具有可以接受的精度。其次，车身打印要能够在 精确的掌控范围以内， 能够通过数字化控制手段满足各种造型的打印要求。 最后， 打印成本不能过于昂贵，考虑经济方面的因素。 2、设计思路：第一，选择合适的打印材料。目前，3D 打印材料主要包括工程塑 料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等。由于汽车车身对强度的要 求不低，所以普通工程塑料并不能满足条件，同时，材料又要又良好的热塑性， 故模仿美国亚利桑那州 Local Motors 公司的电动汽车 Strati 的碳纤维混合材料， ABS 保证了打印原料的良好热塑性，碳纤维保证车身能够有足够的强度。 第二，选择合适的打印技术实现 3D 打印。目前，主流的 3D 打印技术有敏固化成 型 (StereoLithography Appearance, SLA) 、熔融沉积成型 (Fused Deposition Modeling, FDM)、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)、分层实 造(Laminated Object Manufacturing, LOM)等等。其它的还有的技术手段 在这里不再一一赘述。列举的四种 3D 打印技术中，SLA 和 SLS 能够有很高的精 度，但是价格过于昂贵，故不在考虑的范围以内，而发明应用 LOM 的公司已经退 出了 3D 打印的行业，LOM 是一种基本不再使用的打印技术，与其他三项比较， FDM 是一项成熟的强大的又相对廉价安全的 3D 打印技术，因此在本次系统方案 设计中采用 FDM（热塑挤压） 。 第三，选择合理的模型构建软件。由于 3D 打印汽车车身并不需要扫描一个现有 的车身并实现复制， 故这个模型构建软件只需要能够实现设计并且将设计转化为
数字化的模型就可以达到目的。目前， 3D 打印软件开发公司站主导地位的是 Autodesk 和 Dassault Systemes。 Autodesk 的 AutoCAD 软件和 Dassault Systemes 的 SolidWorks CAD 软件是目前使用率很高的 3D 打印软件。 它们都能够输出*.STL 文件格式的文件，实现通过程序直接控制 3D 打印机。但是，上述的两款软件学 习起来过于复杂费时，而且这两款软件的价格过于昂贵，因此这次设计中选用 Trimble Navigation 的 SktechUp。 第四，3D 打印机。国内的 3D 打印企业多如牛毛这里不一一赘述。国外最知名的 3D 打印机制造商是 3D Systems 和 Stratasys。打印汽车车身需要不同于一般的 3D 打印机，所以只能采用订制的办法，这里无法给出具体的型号，只能根据需 要打印的汽车车身需要来确定具体的 3D 打印机所需要的参数。 3、系统工作原理：见下面的程序框图
CAD 程序设计
信号采集处理板卡 运动控制程序
控制器 打印机（机器人） 送丝机 红外测距传感器
工件 温度传感器
4、控制方法：CAD 软件控制试教在线机器人，辅助以温度传感器和红外测距传 感器形成负反馈， 达到控制目的。成形中采用的三维 CAD 模型以 STL 格式文件作 为控制程序，控制器控制送丝机（3D 打印原材料）和机器人，作用于工件（汽 车车身） ，同时两种传感器实时测量喷头温度和工件打印的厚度，发现异常立刻 以原先程序设定的方案进行修正。 5、系统特点：第一、个性化：能够根据使用者的需求设计不同的车身造型；第 二、实时性：两个负反馈传感器保证系统能够实时修正打印中的误差；第三、经 济性：系统设计时均采用了最经济合理的方式，最大限度的降低了成本消耗。 四、3D 打印表面成形质量和精度的检测和控制 1、检测方法：3D 打印表面成形质量与碰头温度控制、工件（被打印层）冷却速 度和单次表面厚度误差有关系。 因此从这三个角度对问题提出尝试解决方案。第
一， 喷头温度控制实现很简单， 在喷头处设计一个温度传感器和拥有加热及冷却 功能的温度控制器，由于要使得 3D 打印原料处在半流体的状态有一个具体的范 围， 只需要在负反馈中设计一个保准温度，温度传感器一旦检测到喷头的实时温 度与标准温度超过一个固定的差值，立刻采取加热或者冷却，保证碰头的温度使 得 3D 打印原料一直处于半流体的状态。第二、工件（被打印层）冷却速度需要 经过精密的计算， 设计一个保证不会产生很大体积缩小的标准冷却速度。冷却的 速度的实现可以通过一个恒温箱实现，由于碰头温度已知，材料的散热性能可以 测量，控制材料冷却环境的温度就能实现对工件（被打印层）冷却速度的控制。 第三、单次表面厚度的误差。这里的检测有点困难，但是我可以提出一个认为可 行的方案， 在工件加工表面上方设计一个红外测距传感器 （保证很高的测量精度， 误差不能超过单层打印厚度的 5%，即达到μ m 级） ，每次根据固定高度减去测量 的与加工表面的距离判定单层的厚度，出现误差立刻进行修正。这里的修正方案 有两种，其一：若红外传感器位置固定，那么要多设置几个，在碰头下一层的加 工中增加或减少单层厚度 （这种方法存在一个不太科学的假设就是喷头在单层的 加工中加工的厚度是一样的，不能避免单层中出现厚度的波动） ；其二，若红外 传感器与喷头固定，那么可以实现实时修正，已经发现单层厚度出现误差，立刻 进行修正（这种方法会很大程度的降低打印的速度） 。 2、 信号采集方式： 本实验中使用两个传感器采集一个温度信号和一个距离信号。 第一、红外测距仪：要求精度要高，灵敏性高；第二、温度传感器：由于本系统 中对温度的稳定性有很高的要求，所以要求传感器的精度和灵敏性要很高，故选 用接触式热电偶进行温度的测量。 之后采样过程、 保持过程、 量化编码过程、 A/D 转换过程都交给数据采集和处理板卡进行处理。 3、滤波和信号处理方式：实际生产环境中通常有许多干扰因素，如：供电电压 的波动、其他设备频繁启动或负载波动对电网的干扰、环境温度的变化、电磁干 扰等等。本次设计的系统中存在两个信号，一个是距离，一个是温度，两者的数 值稳定性较好只会有很小的变化，可以采用限幅滤波法，克服由仪器外部环境偶 然因素引起的突变性扰动。 限幅滤波法依赖已有的时域采样结果，将本次采样值 与上次采样值进行比较， 若它们的差值超出允许范围，则认为本次采样值受到了 干扰，应予剔除。
对于供电电压的突变、电磁干扰或者是设备突然启动而引起的较大的脉冲信号， 采用基于拉依达准则的奇异数据滤波。拉依达准则：当测量次数 N 足够多且测量 服从正态分布时，在各次测量值中，若某次测量值 Xi 所对应的剩余误差 Vi＞3 σ ，则认为该 Xi 为坏值，予以剔除。具体步骤为： （1）求 N 次测量值 X1 至 XN 的 算术平均值； （2）求各项的剩余误差 Vi； （3）计算标准偏差σ ； （4）判断并剔除
奇异项 Vi＞3σ ，则认为该 Xi 为坏值，予以剔除。 4、控制方式：在本学期的课程中，我们知道通过使用闭环控制系统可以有效的 控制出现的误差， 信号从输入端到达输出端的传输通路为前向通路，系统的输出 量经过测量元件反馈到输入端的通路成为主反馈通路。 前向通路与主反馈通路共 同构成主回路， 此外还有局部反馈回路。本次的系统设计中就采用了负反馈闭环 控制系统，希望可以达到控制误差的目的。 五、预期创新点、关键技术及其解决方案 1、3D 打印原材料：根据前文所述，目前，3D 打印材料主要包括工程塑料、光敏 树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等。3D 打印所用的这些原材料都是专 门针对 3D 打印设备和工艺而研发的，与普通的塑料、石膏、树脂等有所区别， 其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等。通常，根据打印设备的类型及 操作条件的不同，所使用的粉末状 3D 打印材料的粒径为 1-100μ ｍ不等，而为 了使粉末保持良好的流动性， 一般要求粉末要具有高球形度。本次系统中采用的 是 ABS 辅助以碳纤维强化。 虽然强度可以得到一定保证但仍旧是不足的，打印出 的汽车车身并不能满足很高的时速要求，因此，在 3D 打印原料这一方面仍旧有 很大的提升空间。如果能够将金属粉末用于 FDM（也就是 FDMm）并且能够使得金 属在打印之后依然能够维持良好的晶体性能， 同时还要解决金属打印的体积收缩 问题。 这个关键的技术就在于如何控制冷却速度和找出适合 3D 打印的合金成分。 2、误差控制系统：根据前文所述，采用闭环负反馈控制系统能够一定程度的减 少误差。但是，文中所述的检测方法还存在有待商榷的地方，同时，在保证误差 检测能够完成的情况下， 如何对误差进行修正也值得斟酌。这里的关键技术就在 于程序的编写，需要有专业的程序编写人员参与软件的修正。 3、喷头的机械设计：从各类文献和上述我们可以明确的认识到，要通过 FDM 技 术手段实现 3D 打印， 喷头在整个 3D 打印过程中起到了至关重要的作用。这里的 关键技术在于：第一、能够保证喷头喷出的 3D 打印原料温度就是传感器测量的 温度，就是说保证喷头内 3D 打印原材料温度的均匀性，同时，由于喷头内需要 安装加热和冷却装置，所以也要保证它们对喷头内 3D 打印原材料温度改变的均 匀性，就这一点，我认为可以把喷头设计成为两个腔体，一个为温度修正腔，一 个绝热腔，前者用以修正温度的误差，后者直接快速用于喷吐原料；第二、能够 保证喷头 3D 打印原材料喷射速度的稳定性，也就是能够保证在没有干扰的环境 中，碰头不会出现负反馈能够发现的误差，降低系统运行的负担；第三、喷头的 稳定性和走位精确性，这点主要是通过完善机器人的机械控制得以实现。 4、智能分层技术：考虑到 FDM 技术如果单层厚度不够小的话会有明显的“台阶 状”表面特征，使得 3D 打印的出的汽车车身不能够满足需求，但是如果把每层 的厚度都设计的很小的话， 又会严重的影响打印速度。这里我提出一个可行的方 案：在 3D 打印第一步数字化模型构建完成并选择完合适的打印方向之后，程序 智能识别打印边缘的曲率半径， 并根据事先设定好的表格根据不同表面的曲率半 径使用不同的单层打印厚度，打个比方：如果表面 1 的曲率半径是 1000mm，就 选择单层打印厚度为 0.1mm，如果表面 2 的曲率半径为 600mm，就选择单层打印 厚度为 0.12mm。这里的数据仅仅是假设，这个技术的关键就是要设定一套合理
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cnc手板打样怎样填石膏
& & 打样怎样填石膏？在CNC手板制造中，加工上下两面的样件，一般在加工完一面后，用石膏填满，再加工另一面。我们首选手板模具石膏粉，有 那种专业厂家生产的，你可以买来兑水用。手板黄石膏粉有2种,一种35/包和一种45/包,白石膏25/包。 CNC加工双面结构手板时候,由于壁厚, 所以在偏 薄的地方填满石膏, 以免加工时变型损坏。
& & 首先来看看手板CNC加工的步骤：
& & 一、手板模型编程：编程师傅根据3D图纸编写程序语言；
& & 二、CNC手板加工：数控机床根据程序语言指令进行机加工；
& & 三、手工处理：加工之后的手板模型需要进行外表手工；
& & 四、表面处理：表面处理工艺包括喷漆、水转印、丝印、电镀、镭雕、拉丝等；
& & 五、手板组装：手板加工完成，组装；
& & 六、手板包装：进行包装发货。
& & CNC手板一般都是用石膏或者油泥来进行辅助手板的制作。这两种材料只能做出产品外观，内部结构做不出来；CNC加工的时候，当零件需要翻面加工， 为防止产品变形，会在凹陷的背面用石膏填充，等产品机加工完成后再用手工将其清理干净即可。
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3D打印领域，3D打印材料始终扮演着举足轻重的角色，因此3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础，在某种程度上，材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用。3D打印所用的这些原材料都是专门针对3D打印设备和工艺而研发的，与普通的塑料、石膏、树脂等有所区别，其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等。通常，根据打印设备的类型及操作条件的不同，所使用的粉末状3D打印材料的粒径为1～100μｍ不等，而为了使粉末保持良好的流动性，一般要求粉末要具有高球形度。对于3D打印材料来讲，当下市场上的材料已不下200余种，且随着技术的研发和进步，材料种类的更新度也会越来越快。那么，怎样才能更好更快更系统的认识材料呢？目前3D打印常见的材料有哪些呢？①ABS塑料ABS是目前产量最大，应用最广泛的聚合物，它将PS，SAN，BS的各种性能有机地统一起来，兼有韧、硬、刚的特性。ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。ABS塑料一般是不透明的，外观呈浅象牙色、无毒、无味，有极好的冲击强度、尺寸稳定性好、电性能、耐磨性、抗化学药品性、染色性，成型加工和机械加工都比较好。②PLA塑料PLA（聚乳酸）是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。聚乳酸的相容性、可降解性、机械性能和物理性能良好，适用于吹塑、热塑等各种加工方法，加工方便，应用十分广泛。同时也拥有良好的光泽性和透明度及良好的抗拉强度及延展度。（强韧PLA材料制作的3D打印电吉他)Tips：ABS或PLA？3D打印线材哪种好？PLA和ABS材料可以制作的东西多种多样，并且有很多重叠。因此从普通产品本身很难判断，对比观察ABS呈亚光，而PLA很光亮。加热到195度，PLA可以顺畅挤出，ABS不可以。加热到220度，ABS可以顺畅挤出，PLA会出现鼓起的气泡，甚至被碳化。碳化会堵住喷嘴，非常危险。③工程塑料工程塑料是指被用作的工业零件或者外壳材料的工业用塑料。相比其它材料，兼有强度、耐冲击性、抗老化、硬度等性能指标兼顾的平衡优点。因此它也是目前3D 打印中应用最为广泛的材料。常见的工程塑料种类包括工业ABS材料、PC类材料、尼龙类材料等。工业ABS材料它是FDM（熔融沉积造型）快速成型工艺常用的热塑性工程塑料，具有强度高、韧性好、耐冲击等优点，正常变形温度超过90℃，可进行机械加工(钻孔、攻螺纹)、喷漆及电镀。3D打印的ABS行星齿轮和车链模型（图片来源：Stratasys）PC材料它是真正的热塑性材料，具备工程塑料的所有特性：高强度、耐高温、抗冲击、抗弯曲，可以作为最终零部件使用。使用PC材料制作的样件，可以直接 装配使用，应用于交通工具及家电行业。PC材料的颜色比较单一，只有白色，但其强度比ABS材料高出60%左右，具备超强的工程材料属性，广泛应用于电子消费品、家电、汽车制造、航空航天、医疗器械等领域。3D打印吹塑成型模具（图片来源：Stratasys）尼龙材料它是一种白色的粉末，SLS尼龙粉末材料具有质量轻，耐热，磨擦系数低，耐磨损等特点。粉末粒径小，制作模型精度高。烧结制件不需要特殊的后处理，即可以具有较高的抗拉伸强度。在颜色方面的选择没有像PLA和ABS这么广，但可以通过喷漆、浸染等方式进行色彩的选择和上色。材料热变形温度为110℃，主要应用于汽车、家电、电子消费品、艺术设计及工业产品等领域都有着广泛应用。特点：烧结温度—粉末熔融温度180℃；烧结制件不需要特殊的后处理，即可以具有较高抗拉伸强度。并且尼龙粉末烧结快速成型过程中，需要较高的预热温度，需要保护气氛，设备性能要求高。PC-ABS材料它是一种应用最广泛的热塑性工程塑料。PC-ABS具备了ABS的韧性和PC材料的高强度及耐热性，大多应用于汽车、家电及通信行业。 使用该材料配合FORTUS设备制作的样件强度比传统的FDM系统制作的部件强度高出60%左右，所以使用PC-ABS能打印出包括概念模型、功能原型、 制造工具及最终零部件等热塑性部件。PC-ISO材料它是一种通过医学卫生认证的白色热塑性材料，具有很高的强度，广泛应用于药品及医疗器械行业，用于手术模拟、颅骨修复、牙科等专业领域。同时，因为具备PC的所有性能，也可以用于食品及药品包装行业，做出的样件可以作为概念模型、功能原型、制造工具及最终零部件使用。PSU类材料它是一种琥珀色的材料，热变形温度为189℃，是所有热塑性材料里面强度最高，耐热性最好，抗腐蚀性最优的材 料，通常作为最终零部件使用，广泛用于航空航天、交通工具及医疗行业。PSU类材料能带来直接数字化制造体验，性能非常稳定，通过与RORTUS设备的配合使用，可以达到令人惊叹的效果。热固性塑料热固性树脂如环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、芳杂环树脂等具有强度高、耐火性特点，非常适合利用3D打印的粉末激光烧结成型工艺。哈佛大学工程与应用科学院的材料科学家与Wyss生物工程研究所联手开发出了一种可3D打印的环氧基热固性树脂材料，这种环氧树脂可3D打印成建筑结构件用在轻质建筑中。瑞典将尝试用这种技术打印房屋④光敏树脂光敏树脂是由聚合物单体与预聚体组成，由于具有良好的液体流动性和瞬间光固化特性，使得液态光敏树脂成为3D打印耗材用于高精度制品打印的首选材料。光敏树脂因具有较快的固化速度，表干性能优异，成型后产品外观平滑，可呈现透明至半透明磨砂状。尤其是光敏树脂具有低气味、低刺激性成分，非常适合个人桌面3D打印系统。常见的光敏树脂有somos NEXT材料、树脂somos11122材料、somos19120材料和环氧树脂。&somos NEXT材料白色材质，类PC新材料，韧性非常好，基本可达到selective laser sintering(SLS，选择性激光烧结)制作的尼龙材料性能，而精度和表面质量更佳。somos NEXT材料制作的部件拥有迄今最优的刚性和韧性，同时保持了光固化立体造型材料做工精致、尺寸精确和外观漂亮的优点，主要应用于汽车、家电、电子消费品等领域。3D打印散热器风扇和耳塞套（图片来源：Stratasys）somos11122材料看上去更像是真实透明的塑料，具有优秀的防水和尺寸稳定性，能提供包括ABS和PBT在内的多种类似工程塑料的特性，这些特性使它很适合用在汽车、医疗以及电子类产品领域。somos19120材料为粉红色材质，是一种铸造专用材料。成型后可直接代替精密铸造的蜡膜原型，避免开发模具的风险，大大缩短周期，拥有低留灰烬和高精度等特点。环氧树脂是一种便于铸造的激光快速成型树脂，它含灰量极低(800℃时的残留含灰量&0.01%)，可用于熔融石英和氧化铝高温型壳体系，而且不含重金属锑，可用于制造极其精密的快速铸造型模。&⑤橡胶类材料橡胶类材料具备多种级别弹性材料的特征，这些材料所具备的硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度，使其非常适合于要求防滑或柔软表面的应用领域。3D打印的橡胶类产品主要有消费类电子产品、医疗设备以及汽车内饰、轮胎、垫片等。&（橡胶与木材混合打印的眼镜）⑥金属材料3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前，应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。转子和叶片组合的一次性制造，资料来源：RSC Engineering GmbH金属3D打印材料的应用领域相当广泛，例如，石化工程应用、航空航天、汽车制造、注塑模具、轻金属合金铸造、食品加工、医疗、造纸、电力工业、珠宝、时装等。采用金属粉末进行快速成型是激光快速成型由原型制造到快速直接制造的趋势，它可以大大加快新产品的开发速度，具有广阔的应用前景。金属粉末的选区烧结方法中，常用的金属粉末有3种：（1）金属粉末和有机粘结剂的混合体，按一定比例将2种粉末混合均匀后进行激光烧结。（2）两种金属粉末的混合体，其中一种熔点较低，在激光烧结过程中起粘结剂的作用。（3）单一的金属粉末，对单元系烧结，特别是高熔点的金属，在较短的时间内需要达到熔融温度，需要很大功率的激光器，直接金属烧结成形存在的最大问题是因组织结构多孔导致制件密度低、力学性能差。工具钢金属材料工具钢的适用性来源于其优异的硬度、耐磨性和抗形变能力，以及在高温下保持切削刃的能力。模具H13热作工具钢就是其中一种，能够承受不确定时间的工艺条件。不锈钢金属材料不锈钢与碳钢不同，目前的铬含量不同，10.5%铬含量最低的钢合金，不锈钢不容易生锈腐蚀。奥氏体不锈钢316L，具有高强度和耐腐蚀性，可在很宽的温度范围下降到低温，可应用于航空航天、石化等多种工程应用，也可以用于食品加工和医疗等领域。马氏体不锈钢15-5PH，又称马氏体时效（沉淀硬化）不锈钢，具有很高的强度、良好的韧性、耐腐蚀性，而且可以进一步的硬化，是无铁素体。目前，广泛应用于航空航天、石化、化工、食品加工、造纸和金属加工业。马氏体不锈钢17-4PH，在高达315℃下仍具有高强度高韧性，而且耐腐蚀性超强，随着激光加工状态可以带俩极佳的延展性。合金金属材料金属3D打印材料应用最为广泛的金属粉末合金主要有纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、钴铬合金、铜基合金等。钛合金目前应用于市场的纯钛，又称商业纯钛，分为1级和2级粉体，2级强于1级，对于大多数的应用同样具有耐腐蚀性。因为纯钛2级具有良好的生物相容性，因此在医疗行业具有广泛的应用前景。钛是钛合金产业的关键。目前，应用于金属3D打印的钛合金主要是钛合金5级和钛合金23级，因为其优异的强度和韧性，结合耐腐蚀、低比重和生物相容性，所以在航空航天和汽车制造中具有非常理想的应用，而且，因为强度高、模量低、耐疲劳性强，应用于生产生物医学植入物。钛合金23级，纯度更高，是神级一样的牙科和医疗钛品级。铝合金目前，应用于金属3D打印的铝合金主要有铝硅AlSi12和AlSi10Mg两种。铝硅12，是具有良好的热性能的轻质增材制造金属粉末，可应用于薄壁零件如换热器或其他汽车零部件，还可应用于航空航天及航空工业级的原型及生产零部件；硅/镁组合使铝合金更具强度和硬度，使其适用于薄壁以及复杂的几何形状的零件，尤其是在具有良好的热性能和低重量场合中。铜基合金-青铜粉应用于市场的铜基合金，俗称青铜，具有良好的导热性和导电性，可以结合设计自由度，产生复杂的内部结构和冷却通道，适合冷却更有效的工具插入模具，如半导体器件，也可用于微型换热器，具有壁薄、形状复杂的特征。贵金属材料3D打印的产品在时尚界的影响力越来越大。世界各地的珠宝设计师受益最大的似乎就是将3D打印快速原型技术作为一种强大，且可方便替代其他制造方式的创意产业。在饰品3D打印材料领域，常用的有金、纯银、黄铜等。⑦陶瓷材料陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。3D打印的陶瓷制品不透水、耐热(可达600°C)、可回收、无毒，但其强度不高，可作为理想的炊具、餐具(杯、碗、盘子、蛋杯和杯垫)和烛台、瓷砖、花瓶、艺术品等家居装饰材料。但由于陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成形尤其困难，特别是复杂陶瓷件需通过模具来成形。模具加工成本高、开发周期长，难以满足产品不断更新的需求。（3D打印陶瓷威士忌酒杯）选择性激光烧结陶瓷粉末是在陶瓷粉末中加入粘结剂，其覆膜粉末制备工艺与覆膜金属粉末类似，被包覆的陶瓷可以是Al2O3，ZrO2和SiC等，粘结剂的种类很多，有金属粘结剂和塑料粘结剂(包括树脂、聚乙烯蜡、有机玻璃等)，也可以使用无机粘结剂。用途：（1）将陶瓷粉末及粘合剂按一定的比例混合均匀烧结，经二次烧结处理工艺后获得铸造用陶瓷型壳，用该陶瓷型壳进行浇注即获得制作的金属零件。（2）也可以直接制造工程陶瓷制件，烧结后再经热等静压处理，零件最后相对密度高达99.9%，在工业方面可用于含油轴承等耐磨、耐热陶瓷零件。⑧复合型石膏粉末（全彩砂岩）3D打印领域里使用较为广泛的材料之一。由全彩砂岩制作的对象色彩感较强，3D打印出来的产品表面具有颗粒感，打印的纹路比较明显使物品具有特殊的视觉效果。它的质地较脆容易损坏，并且不适用于打印一些经常置于室外或极度潮湿环境中的对象。但当一个设计师希望使用多种颜色打印他们的设计时，他们往往选择的是彩色砂岩。因为它可以打印多种颜色，颜色层次和分辨率都很好。砂岩打印出的的模型较为完美并且栩栩如生。因此全彩砂岩被普遍应用于制作模型、人像、建筑模型等室内展示物。⑨蓝蜡和红蜡采用多喷嘴立体打印(MJM)技术，表面光滑；蜡模，用于精密铸造，超越以前纯模型制作与展示功能 。&可用于标准熔模材料和铸造工艺的熔模铸造应用，是制作珠宝、服饰、医疗器械、机械部件、雕塑、复制品、收藏品进行石蜡模型失蜡铸造工艺。如何选择3D打印材料？怎么选择适合自己的模型，通常会有下面几个方面的考虑：成本，材料性能（力学性能，机械性能，化学稳固性），后置处理后的成品细节，以及特殊应用环境等因素。①成本从最受关注的成本（不包含后置处理和人工费用）上讲。通过对同一结构体积的材质球打印，根据意造网提供的各类耗材价格，我们发现在同等10000mm3体积大小产品的生产造价上：PLA塑料&塑料&树脂&全彩砂岩&尼龙&蓝蜡&金属。因此，从产品的造价成本上讲，PLA塑料和ABS塑料是最低的，是最能符合低成本的耗材使用需求的。这里需要注意的是，PLA塑料和ABS塑料材料的产品在设计时悬空结构或者斜向上的角度最好大于45度，小于45度就会需要额外的支撑，也就是说，小于45度时会变相的增加造价成本。②材料性能下图是意造网提供的部分3D打印耗材的材料性能，图中硬度、透明度、尺寸和精度的等级从1到5级，是从最低级到最高级的划分。在最小细节上，0.5mm的PLA塑料和ABS塑料，低于蓝蜡的0.1mm，高于银质材料的1.0mm，处在一个中间水平，尚无特别之处。在最小壁厚上，在普通产品来讲，1.0mm的PLA塑料和ABS塑料最小壁厚，于最低的0.6mm壁厚水平相差无几，属于正常水平范围内，绝对能够满足绝大部分普通产品的塑造需求。同样，虽然最小壁厚能满足大部门普通产品，但仍须注意不能小于1.0mm时，否则会在打印过程中发生变形，造成打印失败。在最高精度上，受材料自身因素的影响，0.3mm的PLA塑料在最高精度略低于平均水平，而0.1mm的ABS塑料则相对更为高精一些。不过这样的最高精度，已经完全和某些工业级最高精度相媲美，绝对满足创客对创意产品的制作要求。同时，PLA塑料和ABS塑料对应的FDM工艺相对简单，利用桌面机就可以进行打印制作。而桌面机的使用相对于工业机来讲，或许在精度和批量化生产上稍有差距，但绝对也可以满足正常的产品需求，且造价更低，生产更方便。③后置处理对于产品的后置处理，在色彩上，有喷漆（上色）、浸染，以及电镀等多种方式。由于国内浸染技术不成熟且造价成本较高，电镀操作复杂且成本也相对较高，所以为方便起见喷漆（上色）是目前来讲最便捷的。当然，对于PLA塑料和ABS塑料来讲，颜色选项很多，几乎所有的颜色都可以选择，且较为简单易行。至于外表纹理和支撑处理，对于PLA塑料来讲，PLA材料的3D模型较硬、不耐热，如果打磨会愈磨愈粗糙，目前没有较好的外表纹理和支撑处理办法。而对于ABS塑料讲，虽可以进行打磨，但是使用一定比列的碱溶液，即可使其表面光洁明亮，这种表面处理效果会更好。④应用方向除了以上3种因素外，基于制作打印模型的目的，应用方向大致可分为两类：外观验证和结构验证。外观验证模型：由工程师设计制作用于验证产品外观的手板模型或直接使用且对外观要求高的模型。外观验证模型是可视的、可触摸的，它可以很直观的以实物的形式把设计师的创意反映出来，避免了“画出来好看而做出来不好看” 的弊端。外观验证模型制作在新品开发，产品外形推敲的过程中是必不可少的。基于外观验证模型的需求，优先建议选用光敏树脂类3D打印（包括类ABS树脂和透明PC材料）；结构验证模型：在产品设计过程中从设计方案到量产，一般需要制作模具。模具制造的费用很高，比较大的模具价值数十万乃至几百万，如果在开模的过程中发现结构不合理或其他问题，其损失可想而知。因此，制作结构验证模型能避免这种损失，降低开模风险。基于结构验证模型的需求，对精度和表面质量要求不高的，优先建议选择机械性能较好、价格低廉的材料，比方说PLA、ABS等材料。此外，还有部分特殊要求，例如对导电性有要求，则需要金属材料，或者要逆向制作一个精美的首饰，则建议使用蓝蜡。最受欢迎的材料主要应用方向当然，在对材料有了清晰合理的划分，和明确的性能认知之后，作为一个3D打印行业的从业者来讲，我们还需要对材料的应用方向，做出一个大概性的了解。据小编了解，当下市场上使用频率最高的3D打印材料主要包括： 塑料（ABS、PLA、尼龙、光聚合物等），金属（钢、银、金、钛、铝等）两大类。而这两大类别中，又可以根据市场应用和市场需求两个方向进行再次划分。（1）市场应用最广的就目前的市场形态来看，塑料类材料在消费级产品制造中是主流。简单点说就是，在我们日常生活中看到的3D打印产品，其生产材料不外乎是ABS、PLA、尼龙和光聚合物这四种。（2）市场需求最广的如果从市场最需求和未来发展最长久的角度来看，市场对金属类材料制作的产品的渴求是十分迫切的。尤其是在在航空航天与国防、汽车、医疗等行业的运用上，具备极大的发展空间。与传统制造技术相比，3D打印不必事先制造模具，不必在制造过程中去除大量的材料，也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品，因此，在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源。3D打印技术适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等，也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。因此，3D打印产业受到了国内外越来越广泛的关注，将成为下一个具有广阔发展前景的朝阳产业。作为国内最大的3D打印云工厂和3D打印云平台，意造网可以提供50多种材料，能够满足各行各业的需求。
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