3D打印技术也叫增材制造技术,美国材料与试验协会国际委员会对其作了明确的定义。该技术不再依靠复杂的成套装备,只使用一台3D打印机便能实现从材料到零件的一体化成型。3D打印技术的过程是使用三维软件建模,再将建成的三维模型切片成各层截面的路径数据,进而使用路径数据指令打印机运动,并将塑料、金属、陶瓷等材料粘附在平台上,最终累积出三维实物模型。3D打印技术结合了机械、材料等多学科的先进技术,可进一步结合生物、医学等领域实现多领域的交叉创新,其制造周期短、形成零件结构复杂,实现个性化制造,现已广泛应用于牙科诊疗、组织工程、汽车制造、航空航天及家庭应用等领域。
3D打印技术中的光固化立体造型术(SLA)最早出现的,该技术概念最早出现在1987年。现在广泛使用的培融沉积成型(fused deposition modeling,FDM)技术最早是在1988年出现的。增材制造技术还包括选择性激光烧结(selected laser sintering, SLS)、三维立体打印(Three Dimensional Printing,3DP)等技术,但是不管是哪一种增材制造技术,都克服了传统加工中工序繁多、工艺复杂、设计加工周期长等缺点,只需要计算机和成型设备二者就可以低成本地完成相对复杂结构零件的快速成型,从而实现短周期,少工序的自由制造。
3D打印技术正受到世界各国的密切关注,并投入政策、资金等方面的支持,同时各国也在抓紧制订相关标准。美国2009年率先组办3D打印标准制定组织,两年后国际标准化组织(ISO)与其合作建立了 3D打印制造委员会。“中国制造2025”强调了创新的重要性,对3D打印技术做出了发展规划,中国成立了相关3D打印标准组织,近期欧盟也颁布了有关3D打印的规定和规范,这说明该领域的各项技术正日渐成熟,竞争也将更为激烈。
为了增加可用于打印的原料种类、进一步提高成型制品的性能,开发聚合物基的复合材料成为了一种重要的途径。自诞生之日起,复合材料就一直在推动各工程项目中材料的高性能化、轻量化进程;热塑性复合材料,具有可持续性、环保性及可再生性的轻质结构,广泛适用于航空航天、汽车、交通运输等领域;复合材料形成的过程的本质就是将两种或多种材料形成新材料,而由于3D打印技术是增材制造的过程,契合了形成复合材料的要求,而且提供了形成结构复杂的复合材料的可能性,同时又减少了劳动密集型的手动操作,可被开发为一个灵活的自动化复合工艺,用来自动化生产多样化的复杂结构复合材料,其应用范围大,发展前景广阔,正在吸引多学科交叉领域的专家对3D打印和热塑性材料两个领域展开多角度、多维度、多方面的深入研宄,以期其研宄成果应用于工业化,满足更加广泛的工业化使用要求。
3D打印制备纤维增强高分子复合材料是3D打印和复合材料两个领域的结合,但近年来对3D打印制备纤维增强高分子复合材料相关研究较少。以玻璃纤维和聚乳酸为实验原料,在系统设计和理论分析的指导下,开展了3D打印喷嘴设计与模拟、玻璃纤维增强聚乳酸3D打印耗材制备及3D打印玻璃纤维增强聚乳酸复合材料过程研究。分析了挤出喷嘴模型机理,设计了适于玻璃纤维增强聚乳酸复合材料的发散型3D打印流道喷嘴,对其进行了数值分析和模拟;利用该喷嘴,成功制备了3D打印玻璃纤维增强聚乳酸复合材料,并进行了实验验证。
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