3D打印技術(shù)在高職模具專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

張 婷

(湖北工程職業(yè)學(xué)院，湖北 黃石 435003)

3D打印機(jī)相比于傳統(tǒng)機(jī)床減材加工速度更快，而且成本更低，這更適合于概念設(shè)計(jì)階段的視覺(jué)設(shè)計(jì)，尤其適合產(chǎn)品對(duì)材料強(qiáng)度要求不高的場(chǎng)合。

非金屬零件制備方式有以下5種類型：

工藝名稱原材料打印方式立體印刷(SLA)液體樹(shù)脂光固化疊層實(shí)體制造(LOM)紙/塑料膜粘結(jié)熔融沉積造型(FDM)樹(shù)脂絲粘結(jié)選擇性激光燒結(jié)(SLS)粉末燒結(jié)3D打印(3DP)粉末粘結(jié)

1 代表性工藝(1)：3D打印

現(xiàn)在嚴(yán)格意義上的3D打印機(jī)，是1984年麻省理工學(xué)院提出的技術(shù)，類似現(xiàn)在的噴墨打印機(jī)。噴墨打印機(jī)是INK墨水噴到的地方出現(xiàn)字，沒(méi)有墨水噴到的地方就是白紙。3D打印的噴頭噴出的不再是墨水，而變成了膠水。白紙現(xiàn)在換成了粉末，一層薄金屬粉、陶瓷粉、非金屬粉末、石英砂等。凡是膠水噴到的地方，粉末就膠結(jié)在一起，沒(méi)有噴到的地方還是砂子。工作臺(tái)往下降，再鋪一層粉末然后再打印。最終打印出零件出來(lái)。但這種制備方式的精度比較低，因?yàn)檎辰Y(jié)劑有黏度，太稀會(huì)滲漏，粘結(jié)出來(lái)的零件比較粗糙。如果粘結(jié)劑太稠，噴出來(lái)后會(huì)成團(tuán)，粘結(jié)出來(lái)的精度也不高。粘結(jié)劑少了不易粘接牢固、粘結(jié)劑多會(huì)收縮會(huì)變形。理論上來(lái)說(shuō)精度比較低，該技術(shù)出來(lái)一段時(shí)間后，弊端較大，應(yīng)用不廣泛。

2 代表性工藝(2)：光敏樹(shù)脂固化(光固化SLA)立體印刷

原理是液體是對(duì)紫外光很敏感的樹(shù)脂，這種光敏樹(shù)脂裝在罐中，用一束激光，發(fā)出紫外光，工作臺(tái)提升到水面上很低，用激光照射后液體就變成固體，該層固化完成后，工作臺(tái)降低δ厚度。然后再次照射，工作臺(tái)再次下降。由液體變成固體，經(jīng)過(guò)高溫固化后成型。

3 代表性工藝(3)：選擇性激光燒結(jié)SLS

該技術(shù)類似第一種代表性工藝。第一種噴出的是粘結(jié)劑，該種技術(shù)打印頭是出來(lái)一束激光，光能量較高。它是在高溫下借助紅外激光對(duì)粉末進(jìn)行燒結(jié)，這有助于粉末顆粒被激光束縛之前凝固，如工作臺(tái)上鋪設(shè)一層石蠟粉，激光照射的地方就把石蠟粉燒軟了，粉末融為一體，沒(méi)燒的地方還是粉末，燒完了后，工作臺(tái)下降δ厚度，再鋪設(shè)δ厚度的粉末，一層層燒結(jié)，就可以燒結(jié)出任意復(fù)雜形狀。該過(guò)程之后是后處理部分，需要對(duì)未燒結(jié)的粉末懸浮液中取出模型并進(jìn)行噴砂處理。它相比于FDM技術(shù)不需要任何支持結(jié)構(gòu)的模型，因?yàn)槟Ｐ涂梢詰腋≡诜勰┲?，所以制作出的模型，形狀比較復(fù)雜，可以輕松打印出可以移動(dòng)的對(duì)象。本技術(shù)相比第一種3D打印技術(shù)有較多優(yōu)勢(shì)，如：1.激光波長(zhǎng)短，可以聚光細(xì)，這樣零件的精度就有保障；2.材料可以是金屬或非金屬。金屬材料構(gòu)建的制造方式是：使用高分子材料，密度如果非常低，把高分子材料構(gòu)件埋在砂子里面，然后將金屬澆筑進(jìn)去，高分子材料遇到金屬就會(huì)揮發(fā)為氣體，原來(lái)高分子材料就被金屬材料填充，這樣就可以很快做出金屬材料出來(lái)。

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)SLS常使用的材料有尼龍氯化物、碳酰亞胺、PEBA等材料?？梢源蛴』顒?dòng)材料，設(shè)計(jì)原型、硬件、電子產(chǎn)品外殼、醫(yī)療設(shè)備、雕塑等。它實(shí)際是一種零浪費(fèi)的技術(shù)，未燒結(jié)的粉末可以反復(fù)使用，但是需要一定的中性氣體保護(hù)如氮?dú)獗Ｗo(hù)，以防止粉末在長(zhǎng)期使用中被氧化。

4 代表性工藝(4)：熔融沉積造型FDM，熔絲擠出造型

采用熱塑性高分子材料通常是聚丙交酯或丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物，通過(guò)滾輪往加熱頭送，經(jīng)過(guò)高溫軟化后擠出到工作臺(tái)上，擠出的絲的直徑就是一層的厚度，如擠出頭的直徑是0.5，那每一層的厚度就是0.5。然后一層層擠出，粘出塑料的零件，這種方法類似蛋糕上裱花工藝。這種主要是應(yīng)用于桌面機(jī)，價(jià)格便宜。它首先使用卷盤(pán)式的熱塑性絲，加熱噴頭，等待噴頭達(dá)到合適溫度后熱塑性絲送入擠出頭，融化噴出。在擠出過(guò)程中，擠出頭是安裝在3坐標(biāo)軸系統(tǒng)中，使擠出頭可以在X、Y、Z3個(gè)軸上移動(dòng)，加熱后融化的材料被擠出為細(xì)條，通過(guò)逐層沉積在制定的位置，冷卻后固化，通常在擠出頭上部安裝有風(fēng)扇以加快冷卻速度。

5 代表性工藝(5)：疊層實(shí)體造型(LOM)

在LOM疊層實(shí)體造型技術(shù)中，類似于千層底鞋墊，一層層粘結(jié)起來(lái)。它通過(guò)加壓和加熱將材料層、塑料層、紙層融合或?qū)訅浩饋?lái)。用一卷牛皮紙，牛皮紙背面刷了不干膠，使用激光束來(lái)進(jìn)行裁剪成需要的形狀，不需要的地方可以劃成網(wǎng)格，使用滾輪加熱，背面的不干膠軟了后，就與上一次剪裁的材料粘結(jié)起來(lái)，然后工作臺(tái)下降δ厚度，再進(jìn)行下一層的裁剪，就相當(dāng)于一頁(yè)頁(yè)紙來(lái)粘結(jié)，換成Paper、plastic就可以得到相應(yīng)材料的成型零件，也能承受一定的壓應(yīng)力。通常，材料涂覆有粘結(jié)劑層、在進(jìn)料輥加熱以融化粘結(jié)劑，然后將該層粘結(jié)到上一層。使用刀片或激光來(lái)繪制，以方便最終模型的提取。由于紙層制品具有木樣的性能，可以承受砂型鑄造，紙制品通常會(huì)刷漆密封防潮?，F(xiàn)在衣服的裁剪已經(jīng)絕大多數(shù)都是類似的激光裁剪了。他的精度受制于層的厚度，取決于材料，這種打印方式相比于其他幾種方式來(lái)說(shuō)，它并不十分精確。

3D打印技術(shù)有以下特點(diǎn)：高速制備；節(jié)省時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本；設(shè)計(jì)自由度提高；加強(qiáng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新；小批量生產(chǎn)；精度可控；產(chǎn)品統(tǒng)一。

3D打印更多地服務(wù)于設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品研制周期，使產(chǎn)品研制成本大大降低。但以上這幾種制備方式的零件強(qiáng)度都不太高，需要進(jìn)行再處理。模具專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)時(shí)，要弄清楚幾種增材制造技術(shù)的構(gòu)型原理。待未來(lái)需要效率更高、性能更好的材料出現(xiàn)后，3D打印技術(shù)必將得到飛速發(fā)展。