1目的及意义

1.1 研究背景

快速成型技术 (Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)，俗称3D打印，是上世纪90年代左右发展起来的一项先进制造技术，自问世以来，受到了广泛的关注，并且经过几十年的发展后，越来越趋于成熟。快速成型技术区别于传统加工方式，采用的是堆积法成型。传统加工方式加工零件是依靠切削毛坯，将多余物料依次去除的方法；而快速成型技术是通过将成型材料分层加工，再一层一层通过堆积的方式成型。由于该技术不像传统的零件制造方法需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，可以把零件原型的制造时间减少为几天、几小时。大大缩短了产品开发周期，减少了开发成本^[1][2]。快速成型技术现在已经广泛应用于社会的各行各业，尤其在航天、医疗、机械^[3]等行业有着突出贡献，例如，在医疗领域，应用快速成型技术可以打印出患者坏死的牙齿，由于打印出的牙齿与原来的形状非常接近，所以可以很好地植入患者的牙床^[4][5]；此外应用快速成型技术，还可以为手术提供术前模拟，从而制定更完美的手术方案，例如脊柱外科手术中，运用SLA技术，提前打印出手术部位，这样可以在术前让医生了解术中可能出现的困难和问题^[6];同时，快速成型技术在微创机器人领域也有一定的相关应用^[7]。在航天领域中，有采用FDM快速成型技术对叶片型芯进行制造，从而制造出航空发动机的叶片^[8]。在机械领域，有利用准分子激光微加工快速成型技术来加工三维凸轮系统^[9]，同时，快速成型技术也促进了快速模具制造技术的相关发展^[10][11]，例如蜡模制造等新型加工方法。快速成型的在应用上的特点主要有以下几点：

1.1.1快速成型技术适合用于小批量产品加工

在工业生产中，对于大批量的成型件有许多都是依靠模具成型，例如汽车行业中的汽车车身，大都是采用模具成型的方法，显然，成型这些零部件，用模具冲压的方式，折合到每件零件上，成本比用快速成型技术成型要低很多。但是，如果只是成型小批量的零部件，再采用模具就不再合适。因为模具本身成本很高，只是因为数量的增加，折合到每个零部件上的成本才会变低。但如果数量较少，折合到每个零部件上成本就会很高，所以这时候应用快速成型技术，就会是一个更优化的选择。

1.1.2快速成型技术适用于复杂零件的成型

因为快速成型成型方法本身的特点，即采用堆积法成型，所以相对于传统加工中的一些问题，对于快速成型技术来说将不复存在。例如零件具有复杂的内腔结构，非回转体零件，异形孔等问题，快速成型技术可以很好的解决，虽然传统加工方式也可以通过一些特殊方法加工出来，但相对于快速成型，其成本一般也较高。

1.1.3快速成型技术可以提前验证零件的装配情况

每个零件在加工完后，往往都需要经过装配的过程，才能组成我们所需要的东西。而对于一些既设计复杂，成型材料又很昂贵的零件的装配，因为设计复杂，所以怕装配会发生干涉等设计问题，但又不能在加工出来后再看是否有干涉等问题，因为材料昂贵，若出了问题再从新加工，承受不了昂贵的成本。而快速成型技术很好的解决了这个问题，我们可以用一些便宜的材料先打印出我们所设计的零件，然后装配，看是否有设计问题，这样我们可以及时改进设计，再加工这种昂贵材料。

1.1.4成型材料种类繁多

各类的快速成型设备上所使用的材料种类有很多，树脂、尼龙、塑料、石蜡、金属以及陶瓷的粉末，这些材料基本上满足了绝大多数产品对材料的各种性能的要求^[12]。

麻省理工学院于1993年发明了基于喷墨打印原理的粘结剂喷射式3D打印机，其中，BinderJetting（黏结剂喷射技术）顾名思义是一种通过喷射粘合剂使粉末成型的增材制造技术。和许多激光烧结技术类似，BinderJetting也使用粉床作为基础；但不同的是，该技术使用喷墨打印头将粘合剂喷到粉末里，从而将一层粉末在选择的区域内粘合，每一层粉末又会同之前的粉层通过粘合剂的渗透而结合为一体，如此层层叠加制造出三维结构的物体。BinderJetting可以用于高分子材料、金属、陶瓷材料的制造，当用于金属和陶瓷材料时，通过喷墨打印成型的原型件需要通过高温烧结将粘合剂去除并实现粉末颗粒之间的融合与连接，从而得到有一定密度与强度的成品。粘结剂喷射技术因为可以成型金属，所以在汽车、航空航天、军工、机械装备等领域有着广泛的应用前景^[13]。

1.2 国内外现状

1.2.1 国内研究现状

国内对于3d打印的相关研究虽然很多，但粘结剂喷射技术作为一种新兴技术，研究基于粘结剂喷射技术的3D打印的人并不是很多，市面上更是没有公司能做出一个成型的设备，当今基于粘结剂喷射技术的3D打印研究更多的还是处于实验室阶段。

1.2.2 国外研究现状

瑞典粘结剂喷射3D打印设备制造商DigitalMetal 将粘结剂喷射技术定位于复杂小型零件的批量生产，至今已通过其粘结剂喷射技术为汽车制造商生产了部分复杂小型零件。DigitalMetal推出了粘结剂喷射技术的金属增材制造设备：DMP2500。DM P2500，使用粘结剂喷射工艺制造零件，粘结剂为环氧树脂，由喷嘴根据部件的几何形状精确地喷射粘合剂，层层粘结材料，该过程一直持续到零件完成。整个打印过程以
受控的方式进行。最后，在烧结炉中将粘结剂烧掉以获得纯粹的金属零件。