計(jì)算機(jī)技術(shù)在3D打印材料成型過(guò)程中的應(yīng)用

魏嘉良

摘 要 3D打印作為近些年發(fā)展起來(lái)的集計(jì)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(duì)3D打印技術(shù)的理解，針對(duì)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)3D打印材料要求進(jìn)行了調(diào)研分析，并深入研究了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)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(duì)3D打印技術(shù)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)與展望，相信隨著技術(shù)的不斷完善，3D打印一定會(huì)在智能制造領(lǐng)域發(fā)揮極大作用。

關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)技術(shù)；3D打印；材料成型；過(guò)程控制

中圖分類(lèi)號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）219-0159-02

3D打印技術(shù)的思想來(lái)源于美國(guó)有關(guān)地形地貌圖分層構(gòu)造的專(zhuān)利，其技術(shù)的本質(zhì)是先將實(shí)際的三位實(shí)體通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)成三維圖形，并通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助快速成型與過(guò)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(xiàn)、再到面、最后到實(shí)體的一種離散成型過(guò)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(shì)，突破了傳統(tǒng)加工制造的思維模式，能借助計(jì)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(guò)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(jiàn)，3D打印技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)加工制造具有革命性的推動(dòng)作用，其將與實(shí)際生產(chǎn)生活息息相關(guān)，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)社會(huì)化制造、移動(dòng)式制造、智能化制造的有力工具。

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

1 3D打印機(jī)及其材料成型過(guò)程控制

1.1 3D打印機(jī)

3D打印機(jī)又稱(chēng)快速成型機(jī)，采用液體或粉末狀的材料來(lái)加工出預(yù)期產(chǎn)品，是集計(jì)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(guò)近些年的發(fā)展，市場(chǎng)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(guò)程控制

3D打印材料按照不同的角度也有不同的分類(lèi)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(shù)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(guò)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(shù)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(shù)脂，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)三維截面軌跡的實(shí)時(shí)跟蹤，并采用激光照射實(shí)現(xiàn)液體樹(shù)脂固化功能，如此進(jìn)行多層樹(shù)脂的牢固粘合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(duì)應(yīng)的控制過(guò)程可以描述為：首先在成型臺(tái)上鋪上粉末材料，激光束在計(jì)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(jì)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(guò)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(guò)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(guò)程是將絲狀的熱塑性材料通過(guò)噴頭加熱熔化，并在計(jì)算機(jī)控制下，噴頭根據(jù)3D模型的數(shù)據(jù)移動(dòng)到指定位置，將熔融狀態(tài)下的液體材料擠噴出來(lái)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(guò)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(duì)材料的基本要求是要有利于精確、快速地加工成型，能滿(mǎn)足最終產(chǎn)品的性能要求，如要求材料滿(mǎn)足對(duì)剛度、強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性等方面的性能要求，同時(shí)也應(yīng)考慮后續(xù)對(duì)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(duì)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?jiàn)對(duì)材料的物理化學(xué)性質(zhì)要求并不高，但對(duì)材料成型速度要求相對(duì)較高。測(cè)試型產(chǎn)品對(duì)材料的剛度、強(qiáng)度、抗腐蝕性等有具體要求，有的甚至對(duì)精度也有特殊要求。模具型產(chǎn)品則對(duì)材料的剛度、強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕性等特性要求嚴(yán)格。對(duì)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(jiàn)，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(lái)滿(mǎn)足實(shí)際的工藝，才能打印出滿(mǎn)足性能的產(chǎn)品。

2 3D打印的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)過(guò)程

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

2.1 3D打印中的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)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(guò)相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器對(duì)其進(jìn)行掃描進(jìn)而獲取三維模型，得到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)云點(diǎn)。

接著由對(duì)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?？焖俪尚凸に嚢匆粚訉咏孛孑喞獊?lái)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(duì)截面進(jìn)行加工通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)控制固化相應(yīng)的材料得到對(duì)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(duì)其再加工打磨或在高溫爐灼燒來(lái)進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。

2.2 3D打印中的計(jì)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(guò)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)3D打印的全過(guò)程控制，使其滿(mǎn)足打印的精細(xì)化操作要求。3D打印技術(shù)不同，對(duì)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、3D打印熔融沉積型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和3D打印激光聚合計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

無(wú)論哪種3D打印計(jì)算機(jī)控制技術(shù)無(wú)非集中在幾個(gè)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(dòng)控制、成型室溫度控制、產(chǎn)品誤差與精度控制等，各個(gè)子模塊必須具有獨(dú)立的反饋控制功能，最后通過(guò)整體系統(tǒng)的過(guò)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(jì)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(guò)程仿真分析，主要針對(duì)局部功能模擬與整體打印過(guò)程模擬?？紤]到實(shí)際打印過(guò)程中的不確定性，在設(shè)計(jì)及應(yīng)用時(shí)很少直接投入打印過(guò)程，打印之前必須對(duì)溫度、運(yùn)行過(guò)程、成型箱等復(fù)雜特性展開(kāi)一定參數(shù)的模擬仿真，通過(guò)計(jì)算機(jī)的仿真可以模擬真實(shí)情況所遇到的復(fù)雜問(wèn)題，以便提前解決打印實(shí)際問(wèn)題與障礙，模擬仿真是3D打印技術(shù)不可或缺的過(guò)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(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的完善與優(yōu)化，對(duì)3D打印成型技術(shù)將有極大的幫助，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的協(xié)助下，3D打印機(jī)將會(huì)更快速、更精確，打印的成品性能也將會(huì)更好，同時(shí)借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)打印過(guò)程的全面模擬，提高打印成品的精度與質(zhì)量。相信，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的帶動(dòng)下，3D打印在材料成型過(guò)程控制將會(huì)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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