計算機(jī)技術(shù)在3D打印材料成型過程中的應(yīng)用

魏嘉良

摘 要 3D打印作為近些年發(fā)展起來的集計算機(jī)技術(shù)、機(jī)械制造、材料成型等相關(guān)技術(shù)于一體的交叉領(lǐng)域。文章結(jié)合對3D打印技術(shù)的理解，針對3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)，對3D打印材料要求進(jìn)行了調(diào)研分析，并深入研究了計算機(jī)輔助設(shè)計與計算機(jī)控制技術(shù)在3D打印快速成型的應(yīng)用技術(shù)，最后對3D打印技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行預(yù)測與展望，相信隨著技術(shù)的不斷完善，3D打印一定會在智能制造領(lǐng)域發(fā)揮極大作用。

關(guān)鍵詞 計算機(jī)技術(shù)；3D打印；材料成型；過程控制

中圖分類號 G2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）219-0159-02

3D打印技術(shù)的思想來源于美國有關(guān)地形地貌圖分層構(gòu)造的專利，其技術(shù)的本質(zhì)是先將實(shí)際的三位實(shí)體通過計算機(jī)軟件設(shè)計成三維圖形，并通過計算機(jī)技術(shù)輔助快速成型與過程控制實(shí)現(xiàn)實(shí)體加工，加工技術(shù)的核心是由點(diǎn)到線、再到面、最后到實(shí)體的一種離散成型過程。與傳統(tǒng)的制造方式相比，3D打印技術(shù)具有一系列的優(yōu)勢，突破了傳統(tǒng)加工制造的思維模式，能借助計算機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的快速制造，這不僅縮短了加工制造過程，還降低了制造成本，在一定程度上還提高了加工精度。可見，3D打印技術(shù)對傳統(tǒng)加工制造具有革命性的推動作用，其將與實(shí)際生產(chǎn)生活息息相關(guān)，是未來實(shí)現(xiàn)社會化制造、移動式制造、智能化制造的有力工具。

文章主要結(jié)合計算機(jī)技術(shù)在3D打印材料成型過程的潛在要求，進(jìn)行了深入的分析總結(jié)，并對3D打印計算機(jī)輔助設(shè)計與快速成型控制過程進(jìn)行了研究分析，以此拓展對計算機(jī)技術(shù)在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用認(rèn)識與理解。

1 3D打印機(jī)及其材料成型過程控制

1.1 3D打印機(jī)

3D打印機(jī)又稱快速成型機(jī)，采用液體或粉末狀的材料來加工出預(yù)期產(chǎn)品，是集計算機(jī)、制造加工、數(shù)控、激光與材料成型等技術(shù)于一體的機(jī)電一體化設(shè)備。經(jīng)過近些年的發(fā)展，市場上3D打印機(jī)產(chǎn)品十分豐富，其中一款3D打印機(jī)如圖1所示。

1.2 3D打印材料及其過程控制

3D打印材料按照不同的角度也有不同的分類方法，如從物理狀態(tài)角度可以分為：液體、粉末、薄片和絲狀等，圖1所示的就是典型的絲狀材料。從化學(xué)性質(zhì)角度可以分為：金屬、樹脂、陶瓷、石蠟以及有機(jī)高分子材料。考慮到本文所要闡述的快速成型過程，從材料成型角度，3D打印材料可以分為：SLA、SLS、LOM、FDM等。

SL系列成型材料主要是以光敏樹脂復(fù)合材料為主，主要分為SLA與SLS。

SLA（Stereo lithography Apparatus）是基于液態(tài)光敏樹脂，通過計算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對三維截面軌跡的實(shí)時跟蹤，并采用激光照射實(shí)現(xiàn)液體樹脂固化功能，如此進(jìn)行多層樹脂的牢固粘合，實(shí)現(xiàn)整個三維實(shí)體成品的打印成型。

SLS（Selective Laser Sintering）是以采用金屬、塑料等粉末狀材料為主，對應(yīng)的控制過程可以描述為：首先在成型臺上鋪上粉末材料，激光束在計算機(jī)控制的作用下，進(jìn)行選擇性地?zé)Y(jié)，燒結(jié)部分則固化構(gòu)成三維成品的核心部分。如此逐層燒結(jié)固化，這樣前后兩層就被燒結(jié)在一起，待全部完成后，去除多余的粉末，便可得到最終的三維成品。

LOM（ Laminated Object Manufacturing，）分層實(shí)體制造，是3D打印快速成型領(lǐng)域的典型技術(shù)之一。其成型原理是按照設(shè)計成型的CAD三維分層模型數(shù)據(jù)，并采用激光束切割單面涂有熱熔膠的薄膜材料，形成原型件某截面的內(nèi)外輪廓，再通過激光器加熱，使剛切好的一層與下面切好的層面粘接在一起，通過逐層切割、粘合，最后將不需要的材料剝離，得到目標(biāo)原型。

FDM（Fused Deposition Modelling，）熔融沉積成型技術(shù)，其控制過程是將絲狀的熱塑性材料通過噴頭加熱熔化，并在計算機(jī)控制下，噴頭根據(jù)3D模型的數(shù)據(jù)移動到指定位置，將熔融狀態(tài)下的液體材料擠噴出來并最終凝固。材料被噴出后沉積在前一層已固化的材料上，通過材料逐層堆積形成最終的成品。

1.3 3D打印材料性能指標(biāo)要求

3D打印對材料的基本要求是要有利于精確、快速地加工成型，能滿足最終產(chǎn)品的性能要求，如要求材料滿足對剛度、強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性等方面的性能要求，同時也應(yīng)考慮后續(xù)對原產(chǎn)品的工藝處理要求。根據(jù)實(shí)際的打印需要，不同產(chǎn)品對打印材料又有不同的要求。

其中，概念性產(chǎn)品因?yàn)榫纫蟛⒉桓撸梢妼Σ牧系奈锢砘瘜W(xué)性質(zhì)要求并不高，但對材料成型速度要求相對較高。測試型產(chǎn)品對材料的剛度、強(qiáng)度、抗腐蝕性等有具體要求，有的甚至對精度也有特殊要求。模具型產(chǎn)品則對材料的剛度、強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕性等特性要求嚴(yán)格。對于其他一些產(chǎn)品則要求材料具有良好的物理化學(xué)性能。

可見，3D打印是需要根據(jù)產(chǎn)品要求不同選擇不同性能的材料來滿足實(shí)際的工藝，才能打印出滿足性能的產(chǎn)品。

2 3D打印的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)過程

計算機(jī)技術(shù)在3D打印機(jī)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)三個領(lǐng)域，分別是3D打印模型設(shè)計及其格式轉(zhuǎn)換，3D打印機(jī)的全過程控制和3D打印的計算機(jī)仿真應(yīng)用。

2.1 3D打印中的計算機(jī)輔助設(shè)計

計算機(jī)輔助設(shè)計在3D打印中的作用主要是模型的建立與轉(zhuǎn)化。首先在PC端用CAD或 3Dmax等計算機(jī)輔助軟件根據(jù)需求建立出相應(yīng)的三維模型，即將其已有的二維圖形轉(zhuǎn)化為三維圖形，或是在逆向工程中，通過相應(yīng)的測量儀器對其進(jìn)行掃描進(jìn)而獲取三維模型，得到對應(yīng)的數(shù)據(jù)云點(diǎn)。

接著由對應(yīng)的數(shù)據(jù)云點(diǎn)建立三維坐標(biāo)，為解決三維模型中經(jīng)常出現(xiàn)的不規(guī)則自由曲面，需用將其進(jìn)行相似處理進(jìn)而轉(zhuǎn)化為STL（Standard Template Library）格式文件。快速成型工藝按一層層截面輪廓來進(jìn)行加工，因此3D打印在加工前須將三維模型上沿成形高度方向離散成一系列有序的二維層片，層片與層片之前有一定的間隔。三維模型建立完成后便需要對截面進(jìn)行加工通過數(shù)控系統(tǒng)控制固化相應(yīng)的材料得到對應(yīng)的截面，每層截面成型后將其層層疊加，得到初步的三維產(chǎn)品，產(chǎn)品成型后，對其再加工打磨或在高溫爐灼燒來進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。

2.2 3D打印中的計算機(jī)控制技術(shù)

3D打印機(jī)是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，必須通過計算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)3D打印的全過程控制，使其滿足打印的精細(xì)化操作要求。3D打印技術(shù)不同，對應(yīng)的控制方法是不一樣的，目前發(fā)展比較成熟的有3D打印粉末成型計算機(jī)控制系統(tǒng)、3D打印熔融沉積型計算機(jī)控制系統(tǒng)和3D打印激光聚合計算機(jī)控制系統(tǒng)。

無論哪種3D打印計算機(jī)控制技術(shù)無非集中在幾個典型的關(guān)鍵部件控制，如材料出口溫度控制、噴頭工作路徑控制、設(shè)備運(yùn)動控制、成型室溫度控制、產(chǎn)品誤差與精度控制等，各個子模塊必須具有獨(dú)立的反饋控制功能，最后通過整體系統(tǒng)的過程控制實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的完整功能。

2.3 3D打印中的計算機(jī)仿真技術(shù)

3D打印機(jī)在打印控制方面，往往需要嚴(yán)密的過程仿真分析，主要針對局部功能模擬與整體打印過程模擬。考慮到實(shí)際打印過程中的不確定性，在設(shè)計及應(yīng)用時很少直接投入打印過程，打印之前必須對溫度、運(yùn)行過程、成型箱等復(fù)雜特性展開一定參數(shù)的模擬仿真，通過計算機(jī)的仿真可以模擬真實(shí)情況所遇到的復(fù)雜問題，以便提前解決打印實(shí)際問題與障礙，模擬仿真是3D打印技術(shù)不可或缺的過程。

3 結(jié)論

作為高效快速機(jī)電一體化的新興快速成型技術(shù)，3D打印將在智能制造領(lǐng)域上發(fā)揮巨大作用。通過計算機(jī)輔助設(shè)計軟件的完善與優(yōu)化，對3D打印成型技術(shù)將有極大的幫助，在計算機(jī)控制系統(tǒng)的協(xié)助下，3D打印機(jī)將會更快速、更精確，打印的成品性能也將會更好，同時借助計算機(jī)仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對打印過程的全面模擬，提高打印成品的精度與質(zhì)量。相信，在計算機(jī)技術(shù)的帶動下，3D打印在材料成型過程控制將會得到快速提高，為打印成品提供有力的技術(shù)支持。

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