1、Nantong Institute of Technology3D打印成型工艺及材料3D打印技术研究所第第6章章 三维印刷成型工艺及材料三维印刷成型工艺及材料Nantong Institute of Technology2 成型原理及工艺成型原理及工艺 成型系统成型系统3 概述概述14 成型材料成型材料6 典型应用典型应用 成型影响因素成型影响因素5第6章 三维印刷成型工艺及材料Nantong Institute of Technologyp1989年，麻省理工学院（MIT）的Emanual Sachs申请了3DP专利。p1992年，Emanual Sachs等人利用平面打印机喷墨的原理成功喷
2、射出具有粘性的溶液，再根据三维打印的思想以粉末为打印材料，最终获得三维实体模型。p1993年，Emanual Sachs的团队开发出基于喷墨技术与3D打印成型工艺的3D打印机。p美国Z Corporation公司于1995年获得MIT的许可，自1997年以来陆续推出了一系列3DP打印机，后来该公司被3D Systems收购。6.1 概述Nantong Institute of Technology国内外广泛关注：p三维印刷成型零件的性能p三维印刷成型打印材料p三维印刷成型粘结剂p三维印刷成型设备6.1 概述Nantong Institute of Technology工艺原理：喷头在计算机控制
3、下，按照截面轮廓的信息，在铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射粘结剂，使部分粉末粘结，形成截面层。一层完成后，工作台再下降一个层厚，铺粉，喷射粘结剂，进行下一层的粘结，如此循环形成产品原型。用粘结剂粘结的原型件强度较低，要置于加热炉中，作进一步的固化或烧结。6.2 成型原理及工艺6.2.1 成型原理图6-2 3DP成型工艺原理Nantong Institute of Technology3DP成型工艺过程包括模型设计、分层切片、数据准备、打印模型及后处理等步骤。6.2 成型原理及工艺6.2.2 成型工艺采集粉末原料。01将粉末铺平到打印区域。02打印机喷头在模型横截面定位，喷粘结剂。03送粉活
4、塞上升一层，实体模型下降一层以继续打印。04重复上述过程直至模型打印完毕。05去除多余粉末，固化模型，进行后处理操作。06Nantong Institute of Technology优点：6.2 成型原理及工艺6.2.3 工艺特点（1）成本低，体积小 （2）材料广泛 （3）成型速度快 （4）高度柔性 （5）成型过程无污染（6）可实现彩色打印 工业级覆膜砂3DP打印机快速成型产品Nantong Institute of Technology缺点：6.2 成型原理及工艺6.2.3 工艺特点（1）精度和表面质量较差（2）原型件强度低 （3）原材料成本高近100万元Nantong Institute
5、 of Technology6.3 成型系统3DP成型系统主要由喷墨系统、XYZ运动系统、成型工作缸、供料工作缸、铺粉装置和余料回收系统等结构组成。图6-4 3DP成型系统结构示意图Nantong Institute of Technology6.3 成型系统3DP工艺喷墨系统采用与喷墨打印机类似的技术，但喷头喷射出的不是普通墨水，而是一种粘结剂。3DP工艺的喷墨技术可分为连续式（Continuous Ink Jet，CIJ）和按需滴落式（Drop-on-demandink Jet，DOD）两大类。6.3.1 喷墨系统图6-5 液滴喷射分类Nantong Institute of Techno
6、logy6.3 成型系统 在连续微滴喷射模式中，液滴发生器中振荡器发出振动信号，产生的扰动使射流断裂并生成均匀的液滴；液滴在极化电场获得定量的电荷，当通过外加偏转电场时，液滴落下的轨迹被精确控制，液滴沉积在预定位置。而不带电的墨滴将积于集液槽内回收。图6-6 连续式喷射原理图6.3.1 喷墨系统1.连续式喷墨技术Nantong Institute of Technology6.3 成型系统 根据需要有选择地喷射微滴，即根据系统控制信号，在需要产生喷射液滴时，系统给驱动装置一个激励信号，喷射装置产生相应的压力或位移变化，从而产生所需要的微滴。图6-7按需式喷射原理图6.3.1 喷墨系统2.按需滴
7、落式喷墨技术Nantong Institute of Technology6.3 成型系统 常用的按需滴落式喷墨技术主要有热发泡式和压电式两种。热发泡式喷射技术：将喷头内的加热元件瞬时加热，喷头内液体迅速汽化并形成气泡，气泡膨胀同时将液体从喷嘴中挤出形成液柱，加热元件冷却后热气泡缩小又将液柱拉回喷嘴，液柱前端由于惯性继续下落，从而造成液柱前端与液柱分离而形成微滴。图6-8a 热发泡式原理图6.3.1 喷墨系统2.按需滴落式喷墨技术Nantong Institute of Technology6.3 成型系统 常用的按需滴落式喷墨技术主要有热发泡式和压电式两种。压电式喷射技术：利用压电陶瓷的压电
8、效应，当压电陶瓷的两个电极加上电压后，振子发生弯曲变形，对腔体内的液体产生一个压力，这个压力以声波的形式在液体中传播。在喷嘴处，如果这个压力可以克服液体的表面张力，其能量足以形成液滴的表面能，则在喷嘴处的液体就可以脱离喷嘴而形成液滴。图6-8b 压电式原理图6.3.1 喷墨系统2.按需滴落式喷墨技术Nantong Institute of Technology6.3 成型系统 根据压电元件和液体腔的形状结构不同，压电式按需滴落喷头有四种结构形式，即挤压式、弯曲式、剪力式和推式。其中，弯曲式压电喷头较为常用。图6-9 压电式喷射的四种结构形式6.3.1 喷墨系统2.按需滴落式喷墨技术Nanton
9、g Institute of Technology6.3 成型系统6.3.1 喷墨系统表6-1 常用喷射技术性能比较Nantong Institute of Technology6.3 成型系统6.3.2 XYZ运动系统图6-10 3DP系统机构示意图3DP系统结构示意图中，X、Y轴组成平面扫描运动框架，由伺服电机驱动控制喷头的扫描运动；伺服电机驱动控制工作台做垂直于XY平面的运动。扫描机构几乎不受载荷，但运动速度较快，具有运动的惯性，因此应具有良好的随动性。Z轴应具备一定的承载能力和运动平稳性。Nantong Institute of Technology6.3 成型系统6.3.3 其他部件
10、图6-10 3DP系统机构示意图p成型工作缸p供料工作缸p余料回收袋p铺粉辊装置Nantong Institute of Technology6.4 成型材料6.4.1 粉末材料3DP成型工艺对于粉末材料的要求：（1）打印材料粉末的颗粒形貌尽量接近圆球形或圆柱形，且粒径大小需适中。一般3DP成型工艺所用粉末的粉末粒度在50125m之间。 粉体等级粒度范围粒体大于10mm粉粒10mm100m粉末100m1m细粉末或微粉末1m10nm超微粉末（纳米粉末）小于1nm 表6-2 工程上粉体的等级及相应的粒度范围Nantong Institute of Technology6.4 成型材料6.4.1 粉
11、末材料3DP成型工艺对于粉末材料的要求：（2）粘结剂必须和打印材料粉末具有很好的界面相容性和渗透性。 3DP中大多使用聚合物树脂作为粘结剂，其与强极性的金属、陶瓷及无机材料等粉末的极性差别较大，因此两者界面相容性较差，粘结效果差。因此这些材料粉末在使用前常常会以偶联剂或表面活性剂对其进行表面处理，以降低表面极性，同时也会尽量选择环氧等极性较强、与金属、陶瓷及无机等材料界面相容性和渗透性较好的树脂作为粘结剂。此外，为了实现粘结剂的快速渗透和润湿，粘结剂的流动性能也非常重要，可以选择一些可以通过光照、加热或溶剂挥发实现固化反应的预聚体或分子量较小的树脂作为粘结剂，以减小粘结剂的粘度，提高其流动性能
12、。然后通过光、热或溶剂挥发的方式，实现树脂的交联，提高粘结剂的粘连效果。 Nantong Institute of Technology6.4 成型材料6.4.1 粉末材料1.石膏粉末材料石膏的粒径在100m左右，具有六方晶系，相比于立方晶系的材料，接近圆柱体的石膏更易于粘结剂的快速渗透。优点：表6-3 石膏的主要性质石膏的性能参数莫氏1.52相对密度2.3g/cm3单斜晶体莫氏硬度2斜方晶体莫氏硬度33.5硬化后膨胀率1%（1）精细的颗粒粉末，颗粒直径易于调整。（2）价格相对低，性价比高。（3）安全环保，无毒无害。（4）模型表面：一定的颗粒感和视觉效果，满足艺术创作需要。（5）颜色：材料本身
13、为白色，打印模型可实现彩色。（6）典型应用：唯一支持全彩色打印的材料，可用于建筑模型展示。Nantong Institute of Technology6.4 成型材料6.4.1 粉末材料2.陶瓷粉末材料普通陶瓷材料采用天然原料，如长石、粘土和石英等烧结而成，是典型的硅酸盐材料，主要组成元素是硅、铝、氧元素。3D打印制品属于特种陶瓷的范畴。氧化铝粉末碳化硅粉末氮化硅粉末光固化陶瓷杯Nantong Institute of Technology6.4 成型材料6.4.1 粉末材料2.陶瓷粉末材料优点：（1）陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上。（2）陶瓷的抗
14、压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。（3）陶瓷材料一般具有很高的熔点（大多是在2000以上），并且能够在高温下呈现出极好的化学稳定性。（4）陶瓷是良好的隔热材料，导热性低于金属材料，同时陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。（5）陶瓷材料在高温下不容易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。（6）陶瓷材料还有其独特的光学性能，可用作光导纤维材料、固体激光器材料、光储存器等。透明陶瓷可用于高压钠灯管等。（7）磁性陶瓷（铁氧体如：MgFe2O4、CuFe2O4、Fe3O4）在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面有着广泛的应用。Nantong
15、Institute of Technology6.4 成型材料6.4.1 粉末材料3.金属粉末材料金属材料的3DP成型工艺近年来逐渐成为整个3D打印行业内的研究重点，尤其在航空航天、国防等一些重大领域。表6-4 3DP成型工艺常用的金属材料及其应用领域类型牌号举例应用领域铁基合金316L、GP1（17-4PH）、PH1（15-5PH）、18Ni300（MS1）模具、刀具、管件、航空结构件钛合金CPTi、Ti6Al4V、Ti6242、TA15、TC11航空航天镍基合金IN625、IN718、IN738LC密封件、炉辊铝合金AlSi10Mg、AlSi12、6061、7050、7075飞机零部件、卫
16、星Nantong Institute of Technology6.4 成型材料6.4.1 粉末材料4.彩色砂岩粉末材料砂岩是一种沉积岩，主要由砂粒胶结而成，其中砂粒含量大于50%。绝大部分砂岩是由石英或长石组成的，石英和长石是组成地壳最常见的成分。砂岩的颜色和成分有关，可以是任何颜色，最常见的是棕色、黄色、红色、灰色和白色。Nantong Institute of Technology6.4 成型材料6.4.2 粘结剂3DP成型工艺所使用的粘结剂总体上大致分为液体和固体两类。粘结剂添加剂应用粉末类型液体粘结剂不具备粘结作用：如去离子水甲醇、乙醇、聚乙二醇、丙三醇、柠檬酸、硫酸铝钾、异丙醇等淀
17、粉、石膏粉末具有粘结作用：如UV胶陶瓷粉末、金属粉末、砂粉、复合材料粉末与粉末反应：如酸性硫酸钙陶瓷粉末、复合材料粉末固体粉末粘结剂聚乙烯醇（PVA）粉、糊精粉末、速溶泡花碱等柠檬酸、聚丙烯酸钠、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）陶瓷粉末、金属粉末、复合材料粉末表6-5 3DP成型工艺常用粘结剂Nantong Institute of Technology6.5 成型影响因素工艺参数包括：喷头到粉层的距离、粉末层厚、喷射和扫描速度、辊子运动参数、每层成型时间等。1.喷头到粉层的距离的确定此数值直接决定打印的成败，若距离过大则胶水液滴易飞散，无法准确到达分层相应位置，降低打印精度；若距离过小则冲击分层力度
18、过大，使粉末飞溅，容易堵塞喷头，直接导致打印失败，而且影响喷头使用寿命。一般情况下，该距离在12mm之间效果较好。Nantong Institute of Technology6.5 成型影响因素工艺参数包括：喷头到粉层的距离、粉末层厚、喷射和扫描速度、辊子运动参数、每层成型时间等。2.粉末层厚的确定所谓层厚即工作平面下降一层的高度，在工作台上铺粉的厚度应等于层厚。当表面精度或产品强度要求较高时，层厚应取较小值。在三维印刷成型中，粘结剂与粉末空隙体积之比，即饱和度，对打印产品的力学性能影响很大。根据粉末材料特点，层厚在0.080.2mm之间效果较好，一般小型模型层厚取0.1mm，大型取0.16
19、mm。Nantong Institute of Technology6.5 成型影响因素工艺参数包括：喷头到粉层的距离、粉末层厚、喷射和扫描速度、辊子运动参数、每层成型时间等。3.喷射和扫描速度的确定喷头的喷射模式和扫描速度直接影响到制件成型的精度和强度，低的喷射速度和扫描速度可提高成型的精度，但是会增加成型时间。喷射和扫描速度应根据制件精度、制件表面质量、成型时间和层厚等因素综合考虑。Nantong Institute of Technology6.5 成型影响因素工艺参数包括：喷头到粉层的距离、粉末层厚、喷射和扫描速度、辊子运动参数、每层成型时间等。4.辊子运动参数粉末层的密度和平整效果除
20、了与粉末本身的性能有关，还与辊子表面质量、辊子转动方向，以及辊子半径R、转动角速度、平动速度v有关。Nantong Institute of Technology6.5 成型影响因素工艺参数包括：喷头到粉层的距离、粉末层厚、喷射和扫描速度、辊子运动参数、每层成型时间等。5.每层成型时间系统打印一层至下一层打印开始前各步骤所需时间之和就是每层成型时间。每层成型速度的提高需要加大辊子的运动速度，并有效提高粉末铺撒的均匀性和系统回零等辅助运动速度。其他：环境温度对液滴喷射和粉末的粘结固化都会产生影响。温度降低会延长固化时间，导致变形增加，一般环境温度控制在1040之间是较为适宜的。清洁喷头间隔时间根
21、据粉末性能有所区别，一般喷射20层后需要清洁一次，以减少喷头堵塞的可能性。Nantong Institute of Technology6.6 典型应用1.原型制造原型制造是目前三维印刷成型工艺最主要的应用领域，利用该技术可以快速地制造出产品的概念模型，直观地展现产品的雏形，方便设计者直接体验产品的外形、大小、装配、功能以及人机工程学设计，发现并改正存在的错误，改善产品设计。（a）机械产品模型 （b）医学模型 （c）建筑模型图6-11 日常用品3DP成型模型Nantong Institute of Technology6.6 典型应用2.模具制造三维印刷成型工艺可以用来制造模具，包括直接制造砂
22、模、熔模，以及模具母模。采用传统方式制造模具，需要事先人工制模，而这个过程耗时占到整个模具制作周期的70%。采用三维印刷成型工艺，可避免此复杂程序，可以制造出形状复杂、高精度的模具。图6-12 采用3DP工艺制作的模具及金属零件Nantong Institute of Technology6.6 典型应用3.功能部件制造直接制造功能部件是三维印刷成型工艺发展的一个重要方向。通过3DP制造出来的功能部件，可以尽早地对产品设计进行测验、检查和评估，缩短产品设计反馈的周期，提高产品开发的成功率，大大降低产品的开发时间和开发成本。图6-13 采用3DP工艺制作的金属功能部件Nantong Instit
23、ute of Technology6.6 典型应用4.生物医学工程生命体中的细胞载体框架是一种特殊的结构，从制造的角度来讲，它是由纳米级材料构成的极其复杂非均质多孔结构。这种结构用传统制造技术是无法实现的，但是利用3DP成型工艺，在计算机的管理与控制下，运用离散/堆积成型原理，却能较容易地制造出这种复杂精细的非均质多孔结构。图6-14 生物医学工程与3DP成型工艺结合制造支架示意图Nantong Institute of Technology6.6 典型应用5.制药工程制造可控释放药物，通过适当方法，控制药物释放的时间、位置和速度，改善药物在体内的释放、吸收、代谢和排泄的过程，以达到维持药物在
24、体内所希望的治疗浓度和减少药物不良反应的目的。三维印刷成型工艺可以根据需要，在不同的位置成型不同的材料，即可以用于制作功能梯度材料（Functionally Graded Material，FGM）。a-阻释层 b-载药区 c-药物梯度分布图6-16 梯度控释给药系统建模图图6-15 3DP成型药物缓释过程示意图Nantong Institute of Technology6.6 典型应用6.微型机电制造微型机电是指集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，甚至外围接口通讯电路和电源于一体的微型器件或系统。其主要特征是体积小、重量轻、能耗低、性能稳定和技术含量高。将需要成型的材料制成可喷射的悬浮液，利用3DP成型工艺就能较容易地成型出复杂三维结构的微器件。另外，3DP成型工艺的多喷头结构可以实现同时打印多种成型材料。图6-17 管道接头零件图Nantong Institute of Technology思考题1、简述三维印刷成型工艺的原理。2、简述三维印刷成型工艺过程及其特点。3、通过查阅网络、文献、报刊等信息，了解三维印刷成型工艺所涉及材料的特点及应用。第6章 三维印刷成型工艺及材料
