當前,關于3D打印的報道遍布報紙、網絡、電視等媒體,那么,何為3D打印呢?要了解這些,我們先得從快速原型講起。
快速原型(rapid prototyping,RP)也稱為快速成型,其概念早在1892年就提出了,當時Blanther主張用分層方法制作三維地圖模型。1979年東京大學的中川威雄教授,利用分層技術制造了金屬沖裁模,成型模和注塑模。20世紀70年代末到80年代初,美國3M公司的Alan J.Heber(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美國UVP公司的Charles W. Hull(1952年)和日本的丸谷洋二(1983年),各自獨立地首次提出了rapid prototyping的概念,即利用連續層的選區固化制作三維實體的新思想。Charles W. Hull在UVP的資助下,完成了個RP系統——Stereo Lithography Apparatus(SLA)。1986年該系統獲得專利,這是RP發展的一個里程碑。隨后許多與快速原型相關的概念、技術及設備也相繼出現。
盡管快速原型工藝很多,但都采用了離散——堆積成型原理,即先在計算機里設計好實體的三維CAD模型,并且通過專用軟件將模型Z向離散分層,然后計算機按切片層面信息控制成型機動作,逐層加工層面并將層面與上一層(或基礎)粘接,如此層層堆積成與CAD模型外形一致的實體。如圖1所示。
早期的快速原型技術由于受材料、工藝以及設備性能等限制,所擅長處理的材料只限于樹脂、蠟、某些工程塑料和紙等幾類,所成型的實體強度和精度都與實際應用要求有較大的差距(包括非金屬件以及金屬件),因此一般只應用于在產品開發過程,即用于制造物理原型件,因此RP初是作為復雜形狀構件原型的成形方法出現的,這也是“快速原型”概念的來由。盡管如此,由于該技術能在無需任何模具、刀具和工裝卡具的情況下,直接根據產品CAD數據,快速制造出新產品的樣件、模具或模型是,能大大縮短零件的加工周期并降低產品的研制成本,對促進企業產品創新、提高產品競爭力有積極的推動作用。因此,快速原型亦被稱為快速成型。
但是,近十年來,隨著快速原型設備技術的逐步升級,已能處理越來越多的材料,并且成型件的力學性能越來越好,精度也越來越高,快速原型技術逐漸具備了直接制造功能性零件的能力。于是,采用快速原型這一術語已不足以表達這種制造方法的新應用了。2009年,在美國ASTM(American Society for Testing Materials)框架內成立的一個技術委員會F42,決定采用一個新術語來取代快速原型,這一術語就是增材制造(addictive manufacturing,AM)其定義為:一種與傳統的材料卻除加工方法截然相反的,通過增加材料、基于三維CAD模型塑據,通常采用逐層制造方式,直接制造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法,目前該術語已被國際學者普遍接受。
然而,增材制造這一術語目前更多地應用在學術領域,在更廣泛的社會領域以及公眾場合,一個更為通俗形象的術語——3D打印(3D Printing,3DP)則被更廣泛地采用。3D打印的概念早由麻省理工學院于1995年提出,當時僅指在原有噴墨打印技術基礎上開發的,使用打印噴頭將黏結劑噴涂于粉末上,將粉末層層粘接成型的快速原型技術,但1996年,Stratasys公司的Genisys型、3D Systems公司的Actua 2100型以及Z Cororation公司的Z402型快速原型設備相繼推出,與此同時,3D打印機這一術語次用于指代快速原型設備。此后,3D打印的概念漸漸為公眾所接受,2012年4月出版的英國《經濟學人》雜志推出了“第三次工業革命”的專輯,撰稿人Paul Markillie指出,3D打印所導致的社會化制造將會成為顛覆現在工業的新模式,推動第三次工業革命的到來,這里所指的3D打印已泛指所有的增材制造設備;而在2012年10月成立中國3D打印技術產業聯盟的會議上,眾多專家都已將3D打印與增材制造概念等同起來。
實際上,3D打印所涵蓋的眾多工藝中,如激光選區燒結、激光選區熔化、熔融沉積成型、疊層實體制造等,人們更關心的是那些能直接制造終端產品的工藝,為區別于某些僅能制作原型件的工藝,3D打印直接制造的概念,用于專門指代那些能直接制造終端產品或近終端產品的3D打印工藝,如圖2所示。
傳統上,零件成型的方法主要可歸納為兩大類:一類是其成型過程中以減少特征,通過各種方法將零件毛坯上多余的材料卻除,從而得到所需零件;另一類是材料的質量在成型過程中基本保持不變,如通過各種壓力成型方法以及各種鑄造方法得到的零件。但隨著人類生活水平不斷提高和科學技術日新月異的發展,產品更新換代的速度不斷加快,傳統零件成型方法已無法滿足需快速響應多品種單件小批量生產的市場需求;此外,傳統零件制造方法存在大量的材料和能源浪費,不利于國民經濟的可持續發展,迫切需要發展節能、節材的綠色制造技術。3D打印直接制造為零件成型開拓了一條全新的路徑,并能完全克服傳統制造工藝的缺陷,在國民經濟中的地位已變得越來越重要,正如《第三次工業革命》一文所言,3D打印直接制造已引發并正在第三次工業革命。
3D打印直接制造的目標是直接制造終端產品,即直接制造出滿足使用要求的功能性零件。但是鑒于目前完全采用3D打印技術而不需要任何后處理即可制造出可滿足使用要求的3D打印工藝幾乎沒有,那些接近實現3D打印直接制造功能性零件目標的3D工藝也列入其研究范圍。因此,在這里定義3D打印直接制造技術的特征如下:①以采用離散——堆積為主要原理,零件的制造以逐層增材為主要特征。②成型件是直接面向應用的,其主體材料成分在成型后不發生改變。③成型件的機械不經后處理或僅需簡單輔助性后處理即能滿足直接使用要求。④成型件的精度不經后處理或僅經簡單輔助性后處理即可滿足直接使用要求。
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