计算机技术在3D打印材料成型过程中的应用

魏嘉良

摘 要 3D打印作为近些年发展起来的集计算机技术、机械制造、材料成型等相关技术于一体的交叉领域。文章结合对3D打印技术的理解，针对3D打印机结构，对3D打印材料要求进行了调研分析，并深入研究了计算机辅助设计与计算机控制技术在3D打印快速成型的应用技术，最后对3D打印技术的未来发展进行预测与展望，相信随着技术的不断完善，3D打印一定会在智能制造领域发揮极大作用。

关键词 计算机技术；3D打印；材料成型；过程控制

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）219-0159-02

3D打印技术的思想来源于美国有关地形地貌图分层构造的专利，其技术的本质是先将实际的三位实体通过计算机软件设计成三维图形，并通过计算机技术辅助快速成型与过程控制实现实体加工，加工技术的核心是由点到线、再到面、最后到实体的一种离散成型过程。与传统的制造方式相比，3D打印技术具有一系列的优势，突破了传统加工制造的思维模式，能借助计算机实现复杂形状的快速制造，这不仅缩短了加工制造过程，还降低了制造成本，在一定程度上还提高了加工精度。可见，3D打印技术对传统加工制造具有革命性的推动作用，其将与实际生产生活息息相关，是未来实现社会化制造、移动式制造、智能化制造的有力工具。

文章主要结合计算机技术在3D打印材料成型过程的潜在要求，进行了深入的分析总结，并对3D打印计算机辅助设计与快速成型控制过程进行了研究分析，以此拓展对计算机技术在3D打印领域的应用认识与理解。

1 3D打印机及其材料成型过程控制

1.1 3D打印机

3D打印机又称快速成型机，采用液体或粉末状的材料来加工出预期产品，是集计算机、制造加工、数控、激光与材料成型等技术于一体的机电一体化设备。经过近些年的发展，市场上3D打印机产品十分丰富，其中一款3D打印机如图1所示。

1.2 3D打印材料及其过程控制

3D打印材料按照不同的角度也有不同的分类方法，如从物理状态角度可以分为：液体、粉末、薄片和丝状等，图1所示的就是典型的丝状材料。从化学性质角度可以分为：金属、树脂、陶瓷、石蜡以及有机高分子材料。考虑到本文所要阐述的快速成型过程，从材料成型角度，3D打印材料可以分为：SLA、SLS、LOM、FDM等。

SL系列成型材料主要是以光敏树脂复合材料为主，主要分为SLA与SLS。

SLA（Stereo lithography Apparatus）是基于液态光敏树脂，通过计算机控制技术实现对三维截面轨迹的实时跟踪，并采用激光照射实现液体树脂固化功能，如此进行多层树脂的牢固粘合，实现整个三维实体成品的打印成型。

SLS（Selective Laser Sintering）是以采用金属、塑料等粉末状材料为主，对应的控制过程可以描述为：首先在成型台上铺上粉末材料，激光束在计算机控制的作用下，进行选择性地烧结，烧结部分则固化构成三维成品的核心部分。如此逐层烧结固化，这样前后两层就被烧结在一起，待全部完成后，去除多余的粉末，便可得到最终的三维成品。

LOM（ Laminated Object Manufacturing，）分层实体制造，是3D打印快速成型领域的典型技术之一。其成型原理是按照设计成型的CAD三维分层模型数据，并采用激光束切割单面涂有热熔胶的薄膜材料，形成原型件某截面的内外轮廓，再通过激光器加热，使刚切好的一层与下面切好的层面粘接在一起，通过逐层切割、粘合，最后将不需要的材料剥离，得到目标原型。

FDM（Fused Deposition Modelling，）熔融沉积成型技术，其控制过程是将丝状的热塑性材料通过喷头加热熔化，并在计算机控制下，喷头根据3D模型的数据移动到指定位置，将熔融状态下的液体材料挤喷出来并最终凝固。材料被喷出后沉积在前一层已固化的材料上，通过材料逐层堆积形成最终的成品。

1.3 3D打印材料性能指标要求

3D打印对材料的基本要求是要有利于精确、快速地加工成型，能满足最终产品的性能要求，如要求材料满足对刚度、强度、热稳定性等方面的性能要求，同时也应考虑后续对原产品的工艺处理要求。根据实际的打印需要，不同产品对打印材料又有不同的要求。

其中，概念性产品因为精度要求并不高，可见对材料的物理化学性质要求并不高，但对材料成型速度要求相对较高。测试型产品对材料的刚度、强度、抗腐蚀性等有具体要求，有的甚至对精度也有特殊要求。模具型产品则对材料的刚度、强度、耐高温、耐腐蚀性等特性要求严格。对于其他一些产品则要求材料具有良好的物理化学性能。

可见，3D打印是需要根据产品要求不同选择不同性能的材料来满足实际的工艺，才能打印出满足性能的产品。

2 3D打印的计算机实现过程

计算机技术在3D打印机中的应用主要体现三个领域，分别是3D打印模型设计及其格式转换，3D打印机的全过程控制和3D打印的计算机仿真应用。

2.1 3D打印中的计算机辅助设计

计算机辅助设计在3D打印中的作用主要是模型的建立与转化。首先在PC端用CAD或 3Dmax等计算机辅助软件根据需求建立出相应的三维模型，即将其已有的二维图形转化为三维图形，或是在逆向工程中，通过相应的测量仪器对其进行扫描进而获取三维模型，得到对应的数据云点。

接着由对应的数据云点建立三维坐标，为解决三维模型中经常出现的不规则自由曲面，需用将其进行相似处理进而转化为STL（Standard Template Library）格式文件。快速成型工艺按一层层截面轮廓来进行加工，因此3D打印在加工前须将三维模型上沿成形高度方向离散成一系列有序的二维层片，层片与层片之前有一定的间隔。三维模型建立完成后便需要对截面进行加工通过数控系统控制固化相应的材料得到对应的截面，每层截面成型后将其层层叠加，得到初步的三维产品，产品成型后，对其再加工打磨或在高温炉灼烧来进一步提高其强度。

2.2 3D打印中的计算机控制技术

3D打印机是典型的机电一体化设备，必须通过计算机控制技术实现3D打印的全过程控制，使其满足打印的精细化操作要求。3D打印技術不同，对应的控制方法是不一样的，目前发展比较成熟的有3D打印粉末成型计算机控制系统、3D打印熔融沉积型计算机控制系统和3D打印激光聚合计算机控制系统。

无论哪种3D打印计算机控制技术无非集中在几个典型的关键部件控制，如材料出口温度控制、喷头工作路径控制、设备运动控制、成型室温度控制、产品误差与精度控制等，各个子模块必须具有独立的反馈控制功能，最后通过整体系统的过程控制实现3D打印机的完整功能。

2.3 3D打印中的计算机仿真技术

3D打印机在打印控制方面，往往需要严密的过程仿真分析，主要针对局部功能模拟与整体打印过程模拟。考虑到实际打印过程中的不确定性，在设计及应用时很少直接投入打印过程，打印之前必须对温度、运行过程、成型箱等复杂特性展开一定参数的模拟仿真，通过计算机的仿真可以模拟真实情况所遇到的复杂问题，以便提前解决打印实际问题与障碍，模拟仿真是3D打印技术不可或缺的过程。

3 结论

作为高效快速机电一体化的新兴快速成型技术，3D打印将在智能制造领域上发挥巨大作用。通过计算机辅助设计软件的完善与优化，对3D打印成型技术将有极大的帮助，在计算机控制系统的协助下，3D打印机将会更快速、更精确，打印的成品性能也将会更好，同时借助计算机仿真技术可以实现对打印过程的全面模拟，提高打印成品的精度与质量。相信，在计算机技术的带动下，3D打印在材料成型过程控制将会得到快速提高，为打印成品提供有力的技术支持。

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