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3D打印技术的起源与本质特征

        3D打印技术之所以被认为具有“革命性”,在于它的“技术原理”与传统加工制造原理有着根本的不同。

3D 打印技术的“革命性”与优势
(1)3D 打印技术的起源
        19 世纪末美国有人研究出了地貌成形技术,形成了利用“层叠成形”的方法去制作地形图的构想,这是3D 打印技术设想的来源之一。真正的3D 打印技术,学界一般认为开端于20 世纪80 年代的美国和日本。1977 年,美国的Swainson提出了可以通过激光选择性照射光敏聚合物的方法来直接制造立体模型产品。1979 年,日本的中川威雄利用“层叠成形”的薄膜技术方法加工出实用的工具模具。1981 年,美国的Hideo Kodama首次提出了一套功能感光聚合物快速成形系统的设计方案。1986 年,3D Systems 公司成立,开发出里程碑式的STL 文件,并于1988 年成功研制出世界首台商用3D 打印机SLA-250。Scott Crump 也于1988 年发明了另一种3D 打印技术FDM,并创建了Stratasys 公司,于1992 年研制出第一台FDM 技术的3D 打印机。

(2)与传统加工制造技术相比的“革命性”
        传统加工制造技术工艺主要是利用力学、热学、压强等原理来实行加工制造。一般将产品的技术加工过程分为冷去除加工和热变形加工两大类,通常是利用切割、磨削、腐蚀、熔融等方法,去除多余部分,得到零部件形状,再以拼装、组合、焊接等方法加工制造成最终产品。

        以3D 打印技术、快速成形制造技术(RPM)为代表的“增材制造技术”,是20 世纪80 年代发展起来的“集成型”高技术,依赖于计算机技术、数控技术、激光技术、CAD/CAM 技术、新材料技术等高技术群。3D 打印技术的基本原理与传统的加工制造原理有本质的不同。其革命性显示在基于离散、堆积原理采用不同方法堆积材料,通过计算机控制来实现产品的成形制造。3D 打印技术制造产品采用的是“增材法”,即用材料逐层或逐点堆积出产品的形态,其基本原理却都是“分层制造,逐层叠加”,可以类比于数学上的“积分”过程,也可以说是微积分原理在制造技术上的体现。
 
        3D 打印技术这种“自下而上”的“累加堆积”成形原理,即将一个空间实体分层离散加工,再堆积成形得到所需产品(离散-堆积-成形)。基本方法程序是:首先利用计算机建立实体的三维CAD 模型,再将CAD 模型进行分层离散化,即将实体沿z 方向分层切片,得到各层截面轮廓的几何信息。然后转换为控制成型机工作的NC 代码,将成形材料按截面轮廓进行分层加工再叠加起来,即得到所需产品的实体形态。

(3)3D 打印技术制造产品的优势
        与传统的的去除成形法、受迫成形法加工制造零件相比,3D 打印技术工艺过程不对材料进行切割加工,因而也就不会产生工艺废料。传统制造工艺的加工周期一般都比较长,受限于刀具、模具形状,不能制造出复杂曲面的、异形深孔的特殊零件;而3D 打印技术等“增材制造技术”弥补了上述制造技术的缺点,显示出“绿色技术”的优越特性。


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