快速成型技術(shù)是利用三維CAD數(shù)據(jù)，通過快速成型機(jī)。將材料堆積成實(shí)體原型的技術(shù)，可以自動(dòng)、快速、直接、精確地將設(shè)計(jì)思想物化為具有一定功能的原型或制造零件。根據(jù)成型方法可分為兩類：基于激光及其他光源的成型技術(shù)(Laser Technology)和基于噴射的成型技術(shù)(Jetting Technology)。

　　三維快速成型打印機(jī)(three dimensional printing，3DP)技術(shù)作為目前快速成形行業(yè)中最有生命力之一的技術(shù).主要是將原來只有XY方向上的打印增加了Z方向的縱向移動(dòng)。最后將Z向的各個(gè)截面結(jié)合起來得到立體模型。此技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、材料便宜、材料類型廣泛、工作過程中無污染、成形速度快等優(yōu)點(diǎn)，制作速度比其他技術(shù)快5～10倍，不需要制作支承，成本遠(yuǎn)低于其他快速成型技術(shù)，廣泛應(yīng)用于成型工業(yè)、建筑設(shè)計(jì)、醫(yī)用器械制備、氣象等方面。

　　3DP技術(shù)由麻省理工學(xué)院Emanual Sachs等人開發(fā).近幾年在國(guó)外得到了迅猛發(fā)展。美國(guó)ZCop公司與日本Riken Institute于2000年研制出基于噴墨打印技術(shù)的、能夠做出彩色原型件的三維打印快速成型機(jī)。2000年以色列的Object Geometries公司推出了基于結(jié)合3Dink-Jet與光固化工藝的三維打印快速成型機(jī)Quadra。美國(guó)3D System、荷蘭TNO以及德國(guó)BMT公司等都生產(chǎn)出自己研制的3DP設(shè)備，但是此項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)還處于研發(fā)階段，打印機(jī)和原料均需進(jìn)口，成本非常昂貴，因此。有很大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　1、3D快速成型打印機(jī)原理

　　三維快速打印技術(shù)是使用噴頭噴出粘結(jié)劑，選擇性地將零件的截面“印刷”在材料粉末上面，最后層層將各個(gè)截面粘結(jié)起來�？捎糜谥圃鞆�(fù)雜形狀的模型、中空模型，或者制造復(fù)合材料或非均勻材料的模型等。
 

　　圖1是三維打印成型機(jī)的剖面示意圖。其工藝是先由鋪粉輥從左往右移動(dòng).將供粉缸里的粉末在成型缸上均勻鋪上一層.然后按照計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)好的零件模型，由打印頭在第一層粉末上噴出零件底層截面的形狀。然后成型缸平臺(tái)向下移動(dòng)一定距離，再由鋪粉輥從供粉缸中平鋪一層粉末到剛才打印完的粉末層上，然后再由打印頭按照第二層截面的形狀噴灑粘結(jié)劑，層層遞進(jìn)，最后得到的零件整體是由各個(gè)橫截面層層重疊起來的。這種技術(shù)將原本只能在成型車間才能進(jìn)行的工藝搬到了普通辦公室，增加了應(yīng)用面。

　　2、材料選擇

　　目前此技術(shù)發(fā)展的最大阻礙就在于成型所需的材料，主要包括粉末和粘結(jié)劑兩部分。

　　2.1粉末材料選擇

　　從三維打印技術(shù)的工作原理可以看出，其成型粉末需要具備材料成型性好、成型強(qiáng)度高、粉末粒徑較小、不易團(tuán)聚、滾動(dòng)性好、密度和孔隙率適宜、干燥硬化快等性質(zhì)，可以使用的原型材料有石膏粉末、淀粉、陶瓷粉末、金屬粉末、熱塑材料或者是其他一些有合適粒徑的粉末等。

　　成型粉末部分由填料、粘結(jié)劑、添加劑等組成。相對(duì)其他條件而言，粉末的粒徑非常重要。徑小的顆�？梢蕴峁┫嗷ラg較強(qiáng)的范德瓦爾茲力。但滾動(dòng)性較差，且打印過程中易揚(yáng)塵，導(dǎo)致打印頭堵塞；大的顆粒滾動(dòng)性較好，但是會(huì)影響模具的打印精度。粉末的粒徑根據(jù)所使用打印機(jī)類型及操作條件的不同可從1μm到100μm。其次，需要選擇能快速成型且成型性能較好的材料。可選擇石英砂、陶瓷粉末、石膏粉末、聚合物粉末(如聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚苯乙烯、聚乙烯、石蠟等)，金屬氧化物粉末(如氧化鋁等)和淀粉等作為材料的填料主體.選擇與之配合的粘結(jié)劑可以達(dá)到快速成型的目的。加入部分粉末粘結(jié)劑可起到加強(qiáng)粉末成型強(qiáng)度的作用，其中聚乙烯醇、纖維素(如聚合纖維素、碳化硅纖維素、石墨纖維素、硅酸鋁纖維素等)、麥芽糊精等可以起到加固作用，但是其纖維素鏈長(zhǎng)應(yīng)小于打印時(shí)成型缸每次下降的高度，膠體二氧化硅的加入可以使得液體粘結(jié)劑噴射到粉末上時(shí)迅速凝膠成型。除了簡(jiǎn)單混合，將填料用粘結(jié)劑(聚乙烯吡咯烷酮等)包覆并干燥可更均勻地將粘結(jié)劑分散于粉末中，便于噴出的粘結(jié)劑均勻滲透進(jìn)粉末內(nèi)部�；蛘邔⑻盍戏譃閮刹糠职�覆.其中一部分用酸基粘結(jié)劑包覆。另一部分用堿基粘結(jié)劑包覆，當(dāng)二者通過介質(zhì)相遇時(shí)，便可快速反應(yīng)成型。包覆方法也可有效減小顆粒之間的摩擦，增加其滾動(dòng)性，但要注意包覆厚度要很薄，介于0.1-1.0μm之間。

　　成型材料除了填料和粘結(jié)劑兩個(gè)主體部分，還需要加入一些粉末助劑調(diào)節(jié)其性能，可加入一些固體潤(rùn)滑劑增加粉末滾動(dòng)性，如氧化鋁粉末、可溶性淀粉、滑石粉等.有利于鋪粉層薄均勻；加入二氧化硅等密度大且粒徑小的顆粒增加粉末密度。減小孔隙率，防止打印過程中粘結(jié)劑過分滲透；加入卵磷脂減少打印過程中小顆粒的飛揚(yáng)以及保持打印形狀的穩(wěn)定性等。另外，為防止粉末由于粒徑過小而團(tuán)聚，需采用相應(yīng)方法對(duì)粉末進(jìn)行分散。

　　2.2粘結(jié)劑選擇

　　用于打印頭噴射的粘結(jié)劑要求性能穩(wěn)定，能長(zhǎng)期儲(chǔ)存，對(duì)噴頭無腐蝕作用，粘度低，表面張力適宜，以便按預(yù)期的流量從噴頭中擠出。且不易干涸，能延長(zhǎng)噴頭抗堵塞時(shí)間，低毒環(huán)保等。液體粘結(jié)劑分為幾種類型：本身不起粘結(jié)作用的液體，本身會(huì)與粉末反應(yīng)的液體及本身有部分粘結(jié)作用的液體。本身不起粘結(jié)作用的粘結(jié)劑只起到為粉末相互結(jié)合提供介質(zhì)的作用.其本身在模具制作完畢之后會(huì)揮發(fā)到幾乎不剩下任何物質(zhì).對(duì)于本身就可以通過自反應(yīng)硬化的粉末適用，此液體可以為氯仿、乙醇等。對(duì)于本身會(huì)參與粉末成型的粘結(jié)劑，如粉末與液體粘結(jié)劑的酸堿性的不同，可以通過液體粘結(jié)劑與粉末的反應(yīng)達(dá)到凝固成型的目的。而目前最常用的是以水為主要成分的水基粘結(jié)劑，對(duì)于可以利用水中氫鍵作用相互連接的石膏、水泥等粉末適用，粘結(jié)劑為粉末相互結(jié)合提供介質(zhì)和氫鍵作用力，成型之后揮發(fā)�；蛘呤窍嗷ブ�間能反應(yīng)的，如以氧化鋁為主要成分的粉末.可通過酸性粘結(jié)劑的噴射反應(yīng)固化。對(duì)于金屬粉末，常常是在粘結(jié)劑中加入一些金屬鹽來誘發(fā)其反應(yīng)。對(duì)于本身不與粉末反應(yīng)的粘結(jié)劑，還有一些是通過加入一些起粘結(jié)作用的物質(zhì)實(shí)現(xiàn)，通過液體揮發(fā)，剩下起粘結(jié)作用的關(guān)鍵組分。其中可添加的粘結(jié)組分包括縮丁醛樹脂、聚氯乙烯、聚碳硅烷、聚乙烯吡咯烷酮以及一些其他高分子樹脂等。選擇與這些粘結(jié)劑相溶的溶液作為主體介質(zhì)可應(yīng)用，雖然根據(jù)粉末種類不同可以用水、丙酮、醋酸、乙酰乙酸乙酯等作為粘結(jié)劑溶劑，但目前均以水基粘結(jié)劑報(bào)道較多。

　　如前所述，要達(dá)到液體粘結(jié)劑所需條件，除了主體介質(zhì)和粘結(jié)劑外，還需要加入保濕劑、快干劑、潤(rùn)滑劑、促凝劑、增流劑、pH調(diào)節(jié)劑及其他添加劑(如染料、消泡劑)等，所選液體均不能與打印頭材質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。加入的保濕劑如聚乙二醇、丙三醇等可以起到很好的保持水分的作用，便于粘結(jié)劑長(zhǎng)期穩(wěn)定儲(chǔ)存。可加入一些沸點(diǎn)較低的溶液如乙醇、甲醇等來增加粘結(jié)劑多余部分的揮發(fā)速度，另外，丙三醇的加入還可以起到潤(rùn)滑作用，減少打印頭的堵塞。對(duì)于一些以膠體二氧化硅或類似物質(zhì)為凝膠物質(zhì)的粉末，可加入檸檬酸等促凝劑強(qiáng)化其凝固效果。添加少量其他溶劑(如甲醇等)或者通過加入分子量不同的有機(jī)物可調(diào)節(jié)其表面張力和粘度以滿足打印頭所需條件。表面張力和粘度對(duì)打印時(shí)液滴成型有很大影響，合適的形狀和液滴大小直接影響打印過程成型精度的好壞。為提高液體粘結(jié)劑流動(dòng)性，可加入二乙二醇丁醚、聚乙二醇、硫酸鋁鉀、異丙酮、聚丙烯酸鈉等作為增流劑，加快打印速度。另外，對(duì)于那些對(duì)溶液pH值有特殊要求的粘結(jié)劑部分，可通過加入三乙醇胺、四甲基氫氧化氨、檸檬酸等調(diào)節(jié)pH為最優(yōu)值。加入百里酚藍(lán)指示，以保持粘結(jié)劑條件的最優(yōu)化.對(duì)打印頭液滴的形狀也有影響，揮發(fā)剩下的物質(zhì)還可以起到一定的固化作用。另外，出于打印過程美觀或者產(chǎn)品需求，需要加入能分散均勻的染料等。要注意的是，添加助劑的用量不宜太多，一般小于質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10%，助劑太多會(huì)影響粉末打印后的效果及打印頭的機(jī)械性能。

　　3、后處理過程

　　打印過程完成之后，需要一些后續(xù)處理措施來達(dá)到加強(qiáng)模具成型強(qiáng)度及延長(zhǎng)保存時(shí)間的目的，其中主要包括靜置、強(qiáng)制固化、去粉、包覆等。

　　打印過程結(jié)束之后，需要將打印的模具靜置一段時(shí)間，使得成型的粉末和粘結(jié)劑之間通過交聯(lián)反應(yīng)、分子間作用力等作用固化完全，尤其是對(duì)于以石膏或者水泥為主要成分的粉末。成型的首要條件是粉末與水之間作用硬化，之后才是粘結(jié)劑部分的加強(qiáng)作用，一定時(shí)間的靜置對(duì)最后的成形效果有重要影響洶]。當(dāng)模具具有初步硬度時(shí)，可根據(jù)不同類別用外加措施進(jìn)一步強(qiáng)化作用力，例如通過加熱、真空干燥、紫外光照射等方式。此工序完成之后所制備模具具備較強(qiáng)硬度，需要將表面其他粉末除去，用刷子將周圍大部分粉末掃去，剩余較少粉末可通過機(jī)械振動(dòng)、微波振動(dòng)、不同方向風(fēng)吹等除去。也有報(bào)道將模具浸入特制溶劑中，此溶劑能溶解散落的粉末，但是對(duì)固化成型的模具不能溶解.可達(dá)到除去多余粉末的目的。對(duì)于去粉完畢的模具。特別是石膏基、陶瓷基等易吸水材料制成的模具.還需要考慮其長(zhǎng)久保存問題，常見的方法是在模具外面刷一層防水固化膠，增加其強(qiáng)度，防止因吸水而減弱強(qiáng)度�；蛘邔⒛＞呓�入能起保護(hù)作用的聚合物中，比如環(huán)氧樹脂、氰基丙烯酸酯、熔融石蠟等，最后的模具可兼具防水、堅(jiān)固、美觀、不易變形等特點(diǎn)。

　　4、展望

　　3DP技術(shù)除了在快速設(shè)計(jì)方面有很大好處之外，還可用于工業(yè)生產(chǎn)(如自行車、小型機(jī)械制造等)和醫(yī)學(xué)等方面，結(jié)合生物細(xì)胞學(xué)可應(yīng)用于人工骨頭打印、器官打印等。而在材料的品種方面，可根據(jù)所要制備的模具特點(diǎn)用石膏、陶瓷、淀粉、聚合物等多種打印成型材料，并且可以根據(jù)材料所需特點(diǎn)開發(fā)更多材料，適用性非常強(qiáng)，前景非常廣大。但在國(guó)內(nèi)未受重視，國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格較貴，需進(jìn)一步探索條件降低成型材料所需成本以及三維打印機(jī)的成本，改進(jìn)材料性能，加快模具硬化干燥速度，簡(jiǎn)化后處理過程，進(jìn)一步體現(xiàn)“快”的特點(diǎn)，并且將此技術(shù)向生產(chǎn)更大規(guī)模的產(chǎn)品發(fā)展，充分發(fā)揮其作用。

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