3D打印(3DP)即[快速成型]技术的一种,它是一种以[数字模型]文件为基础,运用[粉末]状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层[打印]的方式来构造物体的技术。

3D打印通常是采用数字技术材料[打印机]来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零[部件]。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、[地理信息系统]、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

常见3D打印技术

SLA(Stereo lithography Appearance,立体光固化成型技术)

用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由点到线,由线到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。

SLA是最早实用化的快速成形技术,原材料是液态光敏树脂。其工作原理是:将液态光敏树脂放入加工槽中,开始时工作台的高度与液面相差一个截面层的厚度,经过聚焦的激光按横截面的轮廓对光敏树脂表面进行扫描,被扫描到的光敏树脂会逐渐固化,这样就可以产生了与横截面轮廓相同的固态的树脂工件。此时,工作台会下降一个截面层的高度,固化了的树脂工件就会被在加工槽中周围没有被激光照射过的还处于液态的光敏树脂所淹没,激光再开始按照下一层横截面的轮廓来进行扫描,新固化的树脂会粘在下面一层上,经过如此循环往复,整个工件加工过程就完成了。然后将完成的工件再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。

工作原理图如下

优势:

1.光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺,成熟度高;

2.由CAD数字模型直接制成原型,加工速度快,产品生产周期短,无需切削工具与模具;

3.可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具;

4.使CAD数字模型直观化,降低错误修复的成本;

5.为实验提供试样,可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核;

6.可联机操作,可远程控制,利于生产的自动化;

劣势:

1.SLA系统造价高昂,使用和维护成本过高。

2.SLA系统是要对液体进行操作的精密设备,对工作环境要求苛刻;

3.成型件多为树脂类,强度,刚度,耐热性有限,不利于长时间保存;

4.软件系统操作复杂,入门困难;使用的文件格式不为广大设计人员熟悉;

5.由于树脂固化过程中产生收缩,不可避免地会产生应力或引起形变;

前景:

立体光固化成型法的的发展趋势是高速化,节能环保与微型化。

不断提高的加工精度使之有最先可能在生物,医药,微电子等领域大有作为。

SLS(Selective Laser Sintering,选择性激光烧结)

选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。

工作原理:

整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成,工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层,计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复,层层叠加,直到三维零件成型。最后,将未烧结的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件。对于金属粉末激光烧结,在烧结之前,整个工作台被加热至一定温度,可减少成型中的热变形,并利于层与层之间的结合。

工艺原理图:

img

该技术的特点:

1、SLS所使用的成型材料十分的广泛。目前可以进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和他们的复合粉末材料。成型件性能分布广泛适合于多种用途。

2、SLS无需设计和制造复杂的支撑系统。

缺点:

SLS工艺加工成型后的工件表面会比较粗糙,增强机械性能的后期处理工艺本身也比较复杂。(粗糙度取决于粉末的直径)

LOM(Laminated Object Manufacturing,分层实体制造法,又称层叠成型法)

它以片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料,激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据,将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后,送料机构将新的一层纸叠加上去,利用热粘压装置将已切割层粘合在一起,然后再进行切割,这样一层层地切割、粘合,最终成为三维工件。LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等,此方法除了可以制造模具、模型外,还可以直接制造结构件或功能件。

技术的特点

1、工作可靠,模型支撑性好,成本低,效率高。缺点是前、后处理费时费力,且不能制造中空结构件。

2、成形材料:涂敷有热敏胶的纤维纸;

3、制件性能:相当于高级木材;

4、主要用途:快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。

FDM(Fused Deposition Modeling,熔积成型法)

该方法使用丝状材料(石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝)为原料,利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度(约比熔点高1℃),在计算机的控制下,喷头作x-y平面运动,将熔融的材料涂覆在工作台上,冷却后形成工件的一层截面,一层成形后,喷头上移一层高度,进行下一层涂覆(也有文献中写的是工作台下降一个截面层的高度,然后喷头进行下一个横截面的打印),如此循环往复,热塑性丝状材料就会一层一层地在工作台上完成所需要横截面轮廓的喷涂打印,直至最后完成。

FDM工艺可选择多种材料进行加工,包括聚碳酸酯、工程塑料以及二者的混合材料等。

该技术的特点:

1、该技术污染小,材料可以回收,用于中、小型工件的成形。

2、成形材料:固体丝状工程塑料;

3、可以通过使用溶于水的支撑材料,以便与工件的分离,从而实现瓶状或其它中空型工件的加工;

4、制件性能:相当于工程塑料或蜡模;

5、主要用途:塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

缺点:

1、比SLA工艺加工精度低;

2、工件表面比较粗糙;

3、加工过程的时间较长。

LSF(激光立体成型技术)

首先在计算机中生成零件的三维CAD模型,然后将该模型按一定的厚度分层切片,即将零件的三维数据信息转换成一系列的二维轮廓信息,在采用激光熔覆的方法按照轮廓轨迹逐层堆积材料,最终形成三维实体零件货需进行少量加工的毛坯。

3D打印材料

3D 打印按照打印技术的不同,可分为3DP、DLP、LOM、SLS、SLA和FDM等多种技术,每种打印技术的打印材料又是不一样的,比如SLS常用的打印材料是金属粉末,而SLA通常用光敏树脂,FDM采用的材料比较广泛如ABS塑料、PLA塑料等等。据不完全统计,目前3D打印材料的种类已超过了200种,但是在实际应用中,200多种打印材料仍然非常有限,因为现实中产品非常多,生产材料及组合也极其复杂。不过,我们可以将它们分成生物类产品、石化产品类、金属类、石灰混凝等几个大类进行分类介绍。

金属材料(不锈钢、金、银、钛金属等)  

1.不锈钢:不锈钢坚硬,而且有很强的牢固度。不锈钢粉末采用SLS技术进行3D烧结,可以选用银色、古铜色以及白色的颜色。不锈钢可以制作模型、现代艺术品以及很多功能性和装饰性的用品。  

2.金、银及钛金属:金、银及钛金属等这些金属材料都是采用SLS的粉末烧结,金银可以打印饰品,而钛金属是高端3D打印机经常用的材料,用来打印航空飞行器上的构件。

ABS塑料类  

ABS是FDM打印技术最为常见的打印材料,颜色可选性多,可以打印制作各类极具创意的家居饰品,亦或是诸如乐高等趣味玩具,是消费级3D打印机用户最中意的打印耗材之一。通常情况下,ABS材料呈细丝盘装,3D打印机喷嘴将其加热熔解,加热温度一般高于ABS材料熔点1℃至2℃,经喷嘴喷出后迅速凝固。但碍于ABS材料的熔点不同,且打印机喷嘴无法调节温度,所以最好在原厂购买打印材料,以免打印时出现各种问题。  

PLA塑料熔丝  

PLA塑料熔丝是非常常用的打印材料,尤其是对于消费级3D打印机来说。PLA可以降解,是一种环保的材料。PLA一般情况下不需要加热床,这一点不像ABS,所以PLA容易使用,而且更加适合低端的3D打印机。PLA有多重颜色可以选择而且还有半透明的红、兰、绿以及全透明的材料。和ABS同样的原因,PLA的通用性也有待提高。  

陶瓷粉末  

陶瓷粉末材料采用SLS技术进行烧结完成,上釉陶瓷产品可以用来盛食物,很多人用陶瓷来打印个性化的杯子,当然3D打印并不能完成陶瓷的高温烧制,需在打印完成之后进行高温烧制。  

树脂材料

以光聚合树脂为原料3D打印的透明肝脏模型  树脂是SLA光固化成型技术的重要原料,树脂变化种类繁多,透明的、半固体状的,可用来制作中间设计过程模型,且成型精度要高于FDM技术,可用来制作生物模型或医用模型。

石墨烯材料  

石墨烯是材料界的新宠,它是目前世间最轻薄、最坚硬的新型纳米材料。科学家将其与3D打印技术结合,为3D打印材料再填新丁,科学们家认为,3D打印石墨烯材料是一种神奇的材料,并将永远改变世界。 

当然,3D打印材料的种类远不止这些。其他的打印材料还包括了水泥、岩石、纸张、甚至是盐等,目前都已经有少量的研究应用了。比如:用混凝土来打印房子、用木板或者纸张来打印家具等。随着3D打印材料的不断发展,3D打印技术的不断提高,未来将会为我们的生活创造更多的可能性。

3D打印软件

3D打印 / 增材制造仿真是一个广泛的概念,从打印材料熔化,到刀具路径,再到打印后处理工艺,整套3D打印制造流程几乎都可以通过仿真软件进行模拟。借助仿真的力量,3D打印零件的设计能够得到优化,打印失败的情况也将减少。但是由于仿真技术能够涵盖到整个3D打印过程,市场上各种3D打印仿真软件的应用侧重点也是不同的。本期,3D科学谷整理了几款3D打印仿真软件,从中我们可以看到这些软件所实现的不同仿真功能。

ANSYS

ANSYS (视频)增材制造仿真技术的聚焦点是金属增材制造工艺,包括粉末床熔融和定向能量沉积两种。

ANSYS
ANSYS AM 工作流程

ANSYS 面向增材工艺设计的仿真解决方案包括:面向产品设计人员的工艺仿真软件ANSYS Workbench Additive; 面向工艺工程师的ANSYS Additive Print; 面向金属增材制造专家、工程分析师、材料科学家、设备、粉末制造商的ANSYS Additive Science。

ANSYS 打印仿真

ANSYS增材制造仿真的应用价值体现在改善、减少和开发几个方面。改善,包括改善金属增材制造设计流程、对工艺过程的了解、机器生产效率、材料利用率、可重复性和质量;减少,包括减少打印失败,打印时间,不合格零件,后处理,试错,设备维护和对环境的影响;开发,包括开发新材料,新机器,新参数,个性化微观结构和期望的材料属性。

Amphyon

Amphyon (视频)的仿真技术也是专注于金属增材制造,特别是激光熔融增材制造技术

Amphyon

Amphyon 仿真模拟的领域是打印预处理和生产自动化,软件能够帮助金属增材制造用户预测和避免零件在3D打印过程中发生变形,减少许多与金属3D打印相关的常见问题,包括裂纹、表面质量差、密度不足等问题。开发Amphyon 仿真软件的Additive Works公司与Altair建立了合作关系,Altair HyperWorks软件用户可以使用Amphyon 。

Simufact Additive

Simufact Additive的仿真模拟涵盖构建过程模拟以及后续一系列增材制造步骤的模拟。

Simufact Additive
Simufact Additive 位移分析

构建过程的模拟包括:帮助用户识别最佳构建方向,自动补偿最终零件变形,自动优化支撑结构并识别制造问题,如裂缝。Simufact Additive 还能够对金属3D打印零件如何经历热变形进行模拟,从而在设计时热变形做出补偿。Simufact 表示,这一功能使失真的位移减少50%,金属增材制造商无需通过3D打印件进行测试。

对后续一系列增材制造步骤的模拟包括:热处理,打印底板切割分离,去除支撑和热等静压。Simufact Additive 能够和Materialise Magics以及3D打印设备厂商的构建准备软件(例如雷尼绍的QuantAM)衔接。

Netfabb

Autodesk的Netfabb系列产品可用于模拟粉末床熔融金属增材制造。Netfabb以其创成式设计功能著称,但该软件还包含与增材制造相关的一系列功能:

Netfabb
Netfabb 位移分析
  • 将CAD文件快速转换成可编辑的STL文件
  • 编辑和优化3D打印模型的工具
  • 预测金属零件的结构应力和变形的仿真能力
  • 可增加支撑结构,并能将零件添加到打印件上的构建支持模块
  • 增强零件和实现轻量化的创成式设计工具
  • 一种先进的刀具路径引擎,可通过诸如打印速度、聚焦和激光或者电子束功率等参数优化零件和打印效率

Netfabb产品系列包括三种软件:Netfabb Premium,Netfabb Ultimate和Netfabb Local Simulation。其中,Netfabb Premium 为用户提供基于云的仿真模拟功能,Netfabb Ultimate提供所有云功能,并引入了使用本地计算资源执行模拟的能力,具体取决于模拟部件的复杂性和大小。

GENOA 3DP

与多数只专注于金属增材制造仿真的软件不同,GENOA 3DP支持聚合物,金属和陶瓷的虚拟仿真和分析。该软件模拟与增材制造零件构建相关的材料和工艺参数,为用户提供了导入STL文件/ G代码的能力,生成结构网格的能力,以及运行分析并优化构建,以减轻重量,降低废品率。

GENOA3DP
GENOA 3DP的失败分析

GENOA 3DP的特征包括预测残余应力,变形和分层;并预测断裂,失败类型,以及每种失败因素所占比例。

GENOA 3DP公司表示,结合了非均匀化热结构材料模型和多尺度渐进式失效分析,软件可以准确预测在增材制造构建过程中可能出现的空洞、分层、偏转、残余应力,损伤和裂纹扩展。

FLOW-3D

FLOW-3D 仿真软件除了能够模拟金属直接3D打印工艺,如粉末床熔融和直接能量沉积,还能够模拟粘结剂喷射3D打印工艺。

Flow 3D
FLOW-3D 粉末扩散模拟

在粉末床熔融工艺的仿真模拟中,FLOW-3D软件考虑了粉末填料,功率扩散,激光熔化粉末,熔池形成和凝固,并依次重复这些步骤进行多层粉末床熔合工艺仿真模拟。多层模拟可以保存先前固化层的热历史,然后对扩散到先前固化床上的一组新粉末颗粒进行模拟。FLOW-3D可以评估固化床中的热变形和残余应力,也可以将压力和温度数据输出到其他FEA软件中。

Flow 3D 1
FLOW-3D 模拟熔池生成

FLOW-3D可以模拟粉末扩散和填充,激光/颗粒相互作用,熔池动力学,表面形态和随后的微观结构演变。这些详细分析有助于用户了解工艺参数(如扫描速度,激光功率和分布以及粉末填充密度)在影响3D打印部件的构建质量方面的作用。在粘结剂喷射3D打印仿真模拟中,FLOW-3D软件能够模拟树脂渗透情况以及在粉末床中的横向扩散。

Materialise

Materialise 在其Magics 软件中集成了Simufact的仿真功能,金属3D打印操作人员无需在数据准备软件和仿真软件之间来回切换,即可利用仿真结果来修改部件的摆放角度和支撑。这个仿真模块易于使用,它不是一个研究工具,而是一个可以在日常运用的生产工具。

通过使用Magics中的仿真功能,用户可以快速发现并解决加工中的问题,降低加工失败的风险。这有助于提高金属增材制造的效率,从而改善运营利润。

Materialise simulation
Magics 软件中的仿真模块

Magics Simulation模块作为现有软件中的完全嵌入式集成仿真模块,用户无需在不同软件包之间进行更换就可以使用仿真。

Magics 仿真模块专注于金属增材制造仿真,采用基于Simufact仿真技术的机械固有应变方法,包括应变校准[和]模拟作业管理系统。它还具有无缝集成的可视化工具,如(反)变形,收缩线和重涂冲突和根据模拟结果调整支撑的能力。

Materialise 计划进一步通过仿真来自动推动金属增材制造工作流程,例如优化支撑结构,零件摆放方向,切片等,帮助3D打印用户将打印设备的容量使用最大化。3D科学谷了解到,未来,Magics软件集成的仿真模块将具有局部热的捕获功能,发布与热相关的构建扭曲。

西门子

开发一个新的金属3D打印零件往往需要进行多次尝试,但金属打印机和打印材料非常昂贵,从经济角度来看,用户没有太大的错误或返工空间。当金属3D打印作为一种工业生产技术时,保证初次打印时就获得成功则非常重要。

通过仿真技术对整个零件的构建过程进行模拟是实现这个目标的重要手段。对于整个构建过程的模拟包括模拟零件之间的热交互,支撑结构和残留粉末。此外,通过仿真模拟考虑对设计的几何调整以及抵消在构建过程中产生的热变形所必需的支持也很重要。

SIEMENS Simulation

左图为仿真预测的打印失真情况,右图为原始CAD模型与实际3D打印叶片的3D扫描结果之间的偏差比较分析结果。

西门子仿真软件的特点在于,采用务实的方法,模拟基于混合微观结构数据集,该数据集结合了计算和经验信息。这种方法能够校准过程,以持续改进模拟结果。西门子还看到了设计、仿真与增材制造之间自动化相互作用的价值,他们认为这将最大限度的减少首次打印零件的工作量。

增材制造仿真是西门子软件中一个比较新的模块,因此西门子仍持续研究增材制造仿真技术。例如,研究仿真精度和方差,与用户合作测试过程模拟的准确性,如何通过识别局部过热区域和调整这些区域的打印过程来抵消打印失真。

此外除了粉末床金属增材制造仿真,西门子还在开发塑料3D打印工艺、金属DED工艺,以及喷射工艺的增材制造仿真技术。

e-Xstream

e-Xstream 在2013年被仿真软件公司MSC Software Corporation收购。e-Xstream仿真技术的强项在于复合材料和结构多尺度建模,该公司专注于开发聚合物和复合材料3D打印仿真技术。

根据3D科学的市场研究,e-Xstream 本身是材料建模公司,其 Digimat 材料建模技术是e-Xstream 多尺度建模和非线性微观力学方面与大学、研究中心、企业进行了15年的协作研发的成果,3D打印复合材料仿真技术也是在这个基础之上推出的。

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Digimat-AM中的翘曲分析

基于其Digimat材料建模技术和MSC有限元技术,e-Xstream 开发了一种综合增材制造解决方案,结合材料工程,工艺模拟和结构工程,以解决增材制造行业面临的主要挑战。

e-Xstream 拥有270多个等级和14,500个Digimat材料模型,并拥有复合材料模型数据库Digimat-MX。3D科学谷了解到,e-Xstream 正在为该数据库不断补充3D打印现成材料和打印机型号,如Solvay KetaSpire PEEK(用于熔融沉积成形工艺),Stratasys ULTEM9085和1010(用于熔融沉积成形工艺)或Solvay Sinterline 粉末(用于选区激光烧结工艺)。

在材料方面,e-Xstream正在扩展其材料工程工具(Digimat-MF和Digimat-FE),以便对3D打印材料进行虚拟复合,并模拟打印材料的行为。将过程各向异性考虑在内的先进材料模型,将通过Digimat-MX材料交换数据库进行构建、存储和提升。通过以上功能,3D打印用户能够减少对打印件物理测试的需求,了解推动材料行为的关键参数,并轻松创建新材料系统,例如轻量化的点阵结构。

在工艺方面,Digimat-AM 是一个针对FDM、SLS 增强复合材料3D打印的过程仿真软件解决方案,其作用是预测翘曲和补偿失真等打印问题。工程师能够通过工艺仿真技术评估参数设置对零件翘曲的影响,从而来更好地理解和优化打印工艺。

在性能方面,e-Xstream正在优化其Digimat-RP结构分析仿真技术。Digimat-RP 仿真技术的作用是,通过预测3D打印零件的性能(刚度、弹性等)来验证3D打印设计,例如刀具路径或构建方向。

DassaultSystèmes(达索)

达索在3DEXPERIENCE平台中集成了3D打印仿真功能,包括:创成式设计、增材制造程序员、增材制造研究员和逆向形状优化器。用户可以在平台中无缝的使用设计、制造和仿真功能。

Dassault AM workflow
3D EXPERIENCE平台中的一种增材制造工作流程

其中,创成式设计为用户提供定制的拓扑优化设计,以解决特定的增材制造约束,“一键”实现从拓扑优化结果到几何的平滑过渡。增材制造程序员则允许用户在虚拟机上进行打印准备,打印零件摆放,优化支撑,生成刀具路径。增材制造研究员为失真,残余应力和微观结构预测提供热机械和本征应变模拟。逆向形状优化器可根据预测的失真进行形状补偿。

在达索的软件环境中,完整的数字线程可以连接设计优化,几何重建,构建规划,过程仿真和后处理以及在线仿真。基于Abaqus求解器,达索提供可定制的仿真技术,包括多种3D打印工艺的仿真,如:粉末床熔融、直接能量沉积、材料沉积、材料喷射。

COMSOL

COMSOL 拥有多物理场仿真技术,COMSOL Multiphysics 结合了最常见的附加产品,包括结构力学模块,非线性结构材料模块和传热模块。COMSOL的部分用户还选择使用电磁学和化学分析模块。

结构力学模块可以通过一种称为材料活化的技术处理无应变状态的材料沉积,该模块通常与传热模块一起使用,以便在材料沉积的同时进行更高级的热分析。该模块主要用于金属3D打印,但偶尔也用于塑料3D打印。该模块拥有通用工具,可用于增材制造过程所需的刀具路径模拟。

叶轮在底板上的位移图

COMSOL 有部分客户是增材制造设备厂商,他们使用COMSOL Multiphysics 仿真技术进一步了解专有增材制造工艺背后的物理现象,进一步开发其3D打印工艺,以及研究如何改变物理过程,以提高打印零件性能。

COMSOL Multiphysics 还为用户提供了便利的仿真模型分享功能。由于许多公司将建模团队划分成设计和仿真两个业务组,各组内的人员可以发挥其自身技术优势。然而这种做法会让部件的设计和分析之间缺乏有效沟通。

COMSOL Multiphysics 的用户英国考文垂制造技术中心的仿真工程师就将仿真模型封装成简明易用的仿真 App,以此来消除两个团队之间的交流障碍。设计工程师无需接触复杂的底层仿真模型,也能在操作界面中运行测试。这大幅简化了对新零件性能的评估过程,设计工程师现在无需求助仿真专业人员,也能方便地对参数进行调整。该仿真 App是利用 COMSOL Multiphysics 中的“App 开发器”创建的,可以针对指定零件显示其最终形状、变形和应力水平的仿真结果。

参考文献

[1] http://www.51shape.com/?p=12942

[2] http://www.51shape.com/?p=13298

[3] http://www.3dhoo.com/news/guowai/29954.html