3D打印機(jī)原理技術(shù)

《3D打印機(jī)原理技術(shù)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《3D打印機(jī)原理技術(shù)（10頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、原理技術(shù) 3D打印技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)制造業(yè)通過(guò)模具、車(chē)銑等機(jī)械加工方式對(duì)原材料進(jìn)行定型、切削以最終生產(chǎn)成品不同，3D打印將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)二維平面，通過(guò)對(duì)材料處理并逐層疊加進(jìn)行生產(chǎn)，大大降低了制造的復(fù)雜度。這種數(shù)字化制造模式不需要復(fù)雜的工藝、不需要龐大的機(jī)床、不需要眾多的人力，直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中便可生成任何形狀的零件，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延伸。 我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫钠胀ù蛴C(jī)可以打印電腦設(shè)計(jì)的平面

2、物品，而所謂的3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料，打印機(jī)與電腦連接后，通過(guò)電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。通俗地說(shuō)，3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備，比如打印一個(gè)機(jī)器人、打印玩具車(chē)，打印各種模型，甚至是食物等等。之所以通俗地稱其為“打印機(jī)”是參照了普通打印機(jī)的技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^(guò)程與噴墨打印十分相似。這項(xiàng)打印技術(shù)稱為3D立體打印技術(shù)。 3D打印存在著許多不同的技術(shù)。它們的不同之處在于以可用的

3、材料的方式，并以不同層構(gòu)建創(chuàng)建部件。 類(lèi)型 累積技術(shù) 基本材料 擠壓 熔融沉積式 (Fused deposition modeling，F(xiàn)DM） 熱塑性塑料，共晶系統(tǒng)金屬、可食用材料 線 電子束自由成形制造(Electron-Beam Freeform Fabrication, EBF) 幾乎任何合金 粒狀 直接金屬激光燒結(jié)（Direct metal laser sintering，DMLS） 幾乎任何合金 電子束熔化成型（Electron beam melting，EBM） 鈦合金 選擇性激光熔化成型(Selective laser melting, SLM)

4、 鈦合金，鈷鉻合金，不銹鋼，鋁 選擇性熱燒結(jié)（Selective heat sintering，SHS） 熱塑性粉末 選擇性激光燒結(jié)（Selective laser sintering，SLS） 熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末 粉末層噴頭3D打印 石膏3D打印 (Plaster-based 3D printing, PP) 石膏 層壓 分層實(shí)體制造（laminated object manufacturing，LOM） 紙、金屬膜、塑料薄膜 光聚合 立體平板印刷（Stereolithography，SLA） 光硬化樹(shù)脂 數(shù)字光處理 (Digital-Light Pr

5、ocessing, DLP) 光硬化樹(shù)脂 需要材料 工程塑料 指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。 PC材料，是真正的熱塑性材料，具備工程塑料的所有特性。高強(qiáng)度，耐高溫，抗沖擊，抗彎曲，可以作為最終零部件使用，應(yīng)用于交通工具及家電行業(yè)。 PC-ISO材料，是一種通過(guò)醫(yī)學(xué)衛(wèi)生認(rèn)證的熱塑性材料，廣泛應(yīng)用于藥品及醫(yī)療器械行業(yè)，可以用于手術(shù)模擬，顱骨修復(fù)，牙科等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。 PC-ABS材料，是一種應(yīng)用最廣泛的熱塑性工程塑料，應(yīng)用于汽車(chē)，家電及通信行業(yè)。[6] 光敏樹(shù)脂 即是UV樹(shù)脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光（紫外光）

6、引發(fā)劑（或稱為光敏劑）。在一定波長(zhǎng)的紫外光（250-300納米）照射下立刻引起聚合反應(yīng)完成固化。一般為液態(tài)，一般用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水等的材料。 Somos 19120材料為粉紅色材質(zhì)，鑄造專(zhuān)用材料。成型后直接代替精密鑄造的蠟?zāi)ぴ?，避免開(kāi)模具的風(fēng)險(xiǎn)，大大縮短周期。 擁有低留灰燼和高精度等特點(diǎn)。 Somos 11122材料為半透明材質(zhì)，類(lèi)ABS材料。拋光后能做到近似透明的藝術(shù)效果。此種材料廣泛用于醫(yī)學(xué)研究、工藝品制作和工業(yè)設(shè)計(jì)等行業(yè)。 Somos Next材料為白色材質(zhì)，類(lèi)PC新材料，材料韌性較好，精度和表面質(zhì)量更佳，制作的部件擁有最先進(jìn)的剛性和韌性結(jié)合。 3D打印常用材料有尼龍

7、玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類(lèi)材料。 優(yōu)點(diǎn) 三維打印技術(shù)的魅力在于它不需要在工廠操作，桌面打印機(jī)可以打印出小物品，而且，人們可以將其放在辦公室一角、商店甚至房子里；而自行車(chē)車(chē)架、汽車(chē)方向盤(pán)甚至飛機(jī)零件等大物品，則需要更大的打印機(jī)和更大的放置空間。 3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 與傳統(tǒng)技術(shù)相比，三維打印技術(shù)還擁有如下優(yōu)勢(shì)：通過(guò)摒棄生產(chǎn)線而降低了成本；大幅減少了材料浪費(fèi)；而且，它還可以制造

8、出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無(wú)法制造出的外形，讓人們可以更有效地設(shè)計(jì)出飛機(jī)機(jī)翼或熱交換器；另外，在具有良好設(shè)計(jì)概念和設(shè)計(jì)過(guò)程的情況下，三維打印技術(shù)還可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)制造過(guò)程，快速有效又廉價(jià)地生產(chǎn)出單個(gè)物品。 三維打印技術(shù)還有其他重要的優(yōu)點(diǎn)。大多數(shù)金屬和塑料零件為了生產(chǎn)而設(shè)計(jì)，這就意味著它們會(huì)非常笨重，并且含有與制造有關(guān)但與其功能無(wú)關(guān)的剩余物。三維打印技術(shù)不是這樣的。在三維打印技術(shù)中，原材料只為生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品”，借用三維打印技術(shù)，他的團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)出的零件更加精細(xì)輕盈。當(dāng)材料沒(méi)有了生產(chǎn)限制后，就能以最優(yōu)化的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，因此，與機(jī)器制造出的零件相比，打印出來(lái)的產(chǎn)品的重量要輕60%，并且同樣堅(jiān)固。 限制因素

9、 材料的限制 雖然高端工業(yè)印刷可以實(shí)現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，打印機(jī)也還沒(méi)有達(dá)到成熟的水平，無(wú)法支持我們?cè)谌粘Ｉ钪兴佑|到的各種各樣的材料。 3D打印胚胎干細(xì)胞 研究者們?cè)诙嗖牧洗蛴∩弦呀?jīng)取得了一定的進(jìn)展，但除非這些進(jìn)展達(dá)到成熟并有效，否則材料依然會(huì)是3D打印的一大障礙。 機(jī)器的限制 3D打印技術(shù)在重建物體的幾何形狀和機(jī)能上已經(jīng)獲得了一定的水平，幾乎任何靜態(tài)的形狀都可以被打印出來(lái)，但是那些運(yùn)動(dòng)的物體和它們的清晰度就難 以實(shí)現(xiàn)了。這個(gè)困難對(duì)于制造商來(lái)說(shuō)也許是可以解決的，但是3D打印技術(shù)想要進(jìn)入普通家庭，每

10、個(gè)人都能隨意打印想要的東西，那么機(jī)器的限制就必須得到解決才行。 知識(shí)產(chǎn)權(quán)的憂慮 在過(guò)去的幾十年里，音樂(lè)、電影和電視產(chǎn)業(yè)中對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)注變得越來(lái)越多。3D打印技術(shù)也會(huì)涉及到這一問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中的很多東西都會(huì)得到更 加廣泛的傳播。人們可以隨意復(fù)制任何東西，并且數(shù)量不限。如何制定3D打印的法律法規(guī)用來(lái)保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，也是我們面臨的問(wèn)題之一，否則就會(huì)出現(xiàn)泛濫的現(xiàn)象。 道德的挑戰(zhàn) 道德是底線。什么樣的東西會(huì)違反道德規(guī)律是很難界定的，如果有人打印出生物器官和活體組織，在不久的將來(lái)會(huì)遇到極大的道德挑戰(zhàn)。 花費(fèi)的承擔(dān) 3D打印技術(shù)需要承擔(dān)的花費(fèi)是高昂的。第一臺(tái)3D打印機(jī)的售價(jià)為1萬(wàn)5。如果想

11、要普及到大眾，降價(jià)是必須的，但又會(huì)與成本形成沖突。 　　每一種新技術(shù)誕生初期都會(huì)面臨著這些類(lèi)似的障礙，但相信找到合理的解決方案3D打印技術(shù)的發(fā)展將會(huì)更加迅速，就如同任何渲染軟件一樣，不斷地更新才能達(dá)到最終的完善。 打印過(guò)程 三維設(shè)計(jì) 三維打印的設(shè)計(jì)過(guò)程是：先通過(guò)計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建 英國(guó)工程師“打印”出無(wú)人飛機(jī) 成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。 設(shè)計(jì)軟件和打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL文件格式。一個(gè)STL文件使用三角面來(lái)近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一種通過(guò)掃描產(chǎn)生的三維文件的掃描器，其生成的

12、VRML或者WRL文件經(jīng)常被用作全彩打印的輸入文件。 切片處理 打印機(jī)通過(guò)讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來(lái)，再將各層截面以各種方式粘合起來(lái)從而制造出一個(gè)實(shí)體。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。 打印機(jī)打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來(lái)計(jì)算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機(jī)如Objet 3D打印房屋構(gòu)想 Connex 系列還有三維 Systems ProJet 系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機(jī)相近的分辨率。

13、打印出來(lái)的“墨水滴”的直徑通常為50到100個(gè)微米。 用傳統(tǒng)方法制造出一個(gè)模型通常需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天，根據(jù)模型的尺寸以及復(fù)雜程度而定。而用三維打印的技術(shù)則可以將時(shí)間縮短為數(shù)個(gè)小時(shí)，當(dāng)然其是由打印機(jī)的性能以及模型的尺寸和復(fù)雜程度而定的。 傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術(shù)則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對(duì)較少的產(chǎn)品。一個(gè)桌面尺寸的三維打印機(jī)就可以滿足設(shè)計(jì)者或概念開(kāi)發(fā)小組制造模型的需要。 完成打印 3D創(chuàng)平常方法難以達(dá)到的結(jié)構(gòu) 三維打印機(jī)的分辨率對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會(huì)比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更

14、高分辨率的物品可以通過(guò)如下方法：先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再稍微經(jīng)過(guò)表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。 有些技術(shù)可以同時(shí)使用多種材料進(jìn)行打印。有些技術(shù)在打印的過(guò)程中還會(huì)用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時(shí)就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。 應(yīng)用領(lǐng)域 3D打印機(jī)的應(yīng)用對(duì)象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。以色列的Objet公司（已更名為Stratasys，2012年)認(rèn)為，3D打印機(jī)需求量較大的行業(yè)包括政府、航天和國(guó)防、醫(yī)療設(shè)備、高科技、教育業(yè)以及制造業(yè)。 音樂(lè)行業(yè) 打印音樂(lè)的3D打印機(jī) 為了探索3D打印機(jī)更多的

15、應(yīng)用，Rickard Dahlstrand使用Lulzbot 3D打印機(jī)創(chuàng)造出獨(dú)特的藝術(shù)。在2013斯德哥爾摩藝術(shù)黑客節(jié)上，Lulzbot 3D打印機(jī)不僅為參加的藝術(shù)家和黑客們打印出藝術(shù)節(jié)的LOGO，而且作為一個(gè)表演項(xiàng)目，它還一邊播放古典音樂(lè)一邊相應(yīng)地打印出可視化的音樂(lè)作品。Lulzbot 3D打印機(jī)打印可視化音樂(lè)的原理是：該步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制可以以不同的速度運(yùn)行，聲音的音調(diào)決定速度，從而音樂(lè)控制了打印過(guò)程。三臺(tái)電機(jī)分別代表一個(gè)音軌，它們使用獨(dú)特的模式運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)馬達(dá)控制Z軸移動(dòng)。 醫(yī)療行業(yè) 一位83歲的老人由于患有慢性的骨頭感染，因此換上了由3D打印機(jī)“打印”出來(lái)的下顎骨，這是世界上首

16、位使用3D打印產(chǎn)品做人體骨骼的案例。 骨骼打印 據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，在不久的將來(lái)外科醫(yī)生們或許就將可以在手術(shù)中現(xiàn)場(chǎng)利用打印設(shè)備打印出各種尺寸的骨骼用于臨床使用。這種神奇的3D打印機(jī)已經(jīng)被制造出來(lái)了，而用于替代真實(shí)人體骨骼的打印材料則正在緊鑼密鼓地測(cè)試之中。 在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，這種骨骼替代打印材料已經(jīng)被證明可以支持人體骨骼細(xì)胞在其中生長(zhǎng)，并且其有效性也已經(jīng)在老鼠和兔子身上得到了驗(yàn)證。未來(lái)數(shù)年內(nèi)，打印出的質(zhì)量更好的骨骼替代品或?qū)椭饪剖中g(shù)醫(yī)師進(jìn)行骨骼損傷的修復(fù)，用于牙醫(yī)診所，甚至幫助骨質(zhì)疏松癥患者恢復(fù)健康。 3D打印技術(shù)迅速興起，成為炙手可熱的新型產(chǎn)業(yè)，它可以打印的立體產(chǎn)品種類(lèi)正迅速增加。為了

17、打印骨 3D打印機(jī)圖片(20張) 骼材料，博斯和她的同事們使用了一臺(tái)商業(yè)銷(xiāo)售的ProMetal 3D打印機(jī)進(jìn)行測(cè)試。這種3D打印機(jī)最初的設(shè)計(jì)目的是為了打印金屬件。它會(huì)逐層噴灑塑料膠粒在一層粉末基底之上并逐層成型。每一層的厚度僅相當(dāng)于人的頭發(fā)絲寬度的一半。 這種骨骼支架的主要材料成分是磷酸鈣，其中還額外添加了硅和鋅以便增強(qiáng)其強(qiáng)度。當(dāng)它被植入人體內(nèi)之后可以暫時(shí)起到骨骼的支撐作用，并在此過(guò)程中幫助正常骨骼細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育并由此修復(fù)之前的損傷，隨后這種材料可以在人體內(nèi)自然溶解。 科學(xué)家們花費(fèi)4年時(shí)間才找出這種材料的合適配方，其中涉及化學(xué)，材料學(xué)，生物學(xué)和工藝科學(xué)的諸多學(xué)科。 文物行業(yè) 美

18、國(guó)德雷塞爾大學(xué)的研究人員通過(guò)對(duì)化石進(jìn)行3D掃描，利用3D打印技術(shù)做出了適合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同時(shí)還做了比例縮減，更適合研究。 博物館里常常會(huì)用很多復(fù)雜的替代品來(lái)保護(hù)原始作品不受環(huán)境或意外事件的傷害，同時(shí)復(fù)制品也能將藝術(shù)或文物的影響傳遞給更多更遠(yuǎn)的人。史密森尼博物館就因?yàn)樵嫉耐旭R斯杰弗遜要放在弗吉尼亞州展覽，所以博物館用了一個(gè)巨大的3D打印替代品放在了原來(lái)雕塑的位置。 建筑設(shè)計(jì) 在建筑業(yè)里，工程師和設(shè)計(jì)師們已經(jīng)接受了用3D打印機(jī)打印的建筑模型，這種方法快速、成本低、環(huán)保，同時(shí)制作精美。完全合乎設(shè)計(jì)者的要求，同時(shí)又能節(jié)省大量材料。 制造業(yè) 制造業(yè)也需要很多

19、3D打印產(chǎn)品，因?yàn)?D打印無(wú)論是在成本、速度和精確度上都要比傳統(tǒng)制造好很多。而3D打印技術(shù)本身非常適合大規(guī)模生產(chǎn)，所以制造業(yè)利用3D技術(shù)能帶來(lái)很多好處，甚至連質(zhì)量控制都不再是個(gè)問(wèn)題。 比如微軟的3D模型打印車(chē)間，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)出來(lái)之后，通過(guò)3D打印機(jī)打印出來(lái)模型，能夠讓設(shè)計(jì)制造部門(mén)更好的改良產(chǎn)品，打造出更出色的產(chǎn)品。不是說(shuō)你的車(chē)是3D打印機(jī)打印出來(lái)的（當(dāng)然或許有一天這也有可能），而是說(shuō)汽車(chē)行業(yè)在進(jìn)行安全性測(cè)試等工作時(shí)，會(huì)將一些非關(guān)鍵部件用3D打印的產(chǎn)品替代，在追求效率的同時(shí)降低成本。 食品產(chǎn)業(yè) 沒(méi)錯(cuò)，就是“打印”食品。研究人員已經(jīng)開(kāi) 始嘗試打印巧克力了?；蛟S在不久的將來(lái)，很多看起來(lái)一模一樣的

20、食品就是用食品3D打印機(jī)“打印”出來(lái)的。當(dāng)然，到那時(shí)可能人工制作的食品會(huì)貴很多倍。 3D食物打印機(jī)Atomium(16張) 2013年5月22日，NASA已選中總部位于得克薩斯州的系統(tǒng)和材料研究公司，向其投資12.5萬(wàn)美元，研發(fā)能為宇航員制造“營(yíng)養(yǎng)可口”食品的3D打印機(jī)。 3D食物打印機(jī)的概念設(shè)計(jì)方案中，打印機(jī)的“墨盒”——也就是裝載食物的部分使用壽命長(zhǎng)達(dá)30年。這款產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)版本已經(jīng)可以成功“打印”巧克力，而比薩餅將是它未來(lái)幾周內(nèi)的下一個(gè)目標(biāo)。據(jù)透露，食物打印機(jī)制造比薩餅的步驟如下：首先，打印一層面餅，并在打印的同時(shí)烤好；然后機(jī)器會(huì)將使用裝載番茄的“墨盒”和水、油混合，打印出番茄醬

21、。最后將醬料和奶油打印在比薩餅的表面。 一位名叫Luiza Silva的學(xué)生就設(shè)計(jì)了一個(gè)3D概念打印機(jī)Atomium，它能夠打印分子級(jí)的材料，幾乎能夠打印各種形狀。如果這個(gè)概念得以實(shí)現(xiàn)，它將會(huì)改變我們與食物間的關(guān)系。 Atomium的工作原理是這樣的：用戶事先注冊(cè)基本信息，比如醫(yī)療數(shù)據(jù)（對(duì)什么過(guò)敏等）和飲食偏好等。然后，用戶可以簡(jiǎn)單勾畫(huà)出他們喜歡的形狀類(lèi)型，Atomium就會(huì)分析這些指令并創(chuàng)造出相應(yīng)的食物。 Atomium參加了“伊萊克斯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室”（Electrolux Design Lab）的競(jìng)賽并入圍半決賽。Silva稱，Atomium的目的在于為兒童創(chuàng)造出即好看，又有營(yíng)養(yǎng)的食物。 （圖冊(cè)《3d食物打印機(jī)Atomium》圖片來(lái)源） 美容行業(yè) 配件、飾品 這是最廣闊的一個(gè)市場(chǎng)。在未來(lái)不管是你的個(gè)性筆筒，還是有你半身浮雕的手機(jī)外殼，抑或是你和愛(ài)人擁有的世界上獨(dú)一無(wú)二的戒指，都有可能是通過(guò)3D打印機(jī)打印出來(lái)的。甚至不用等到未來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)。 美容護(hù)膚 3D打印技術(shù)未來(lái)也可能會(huì)幫助愛(ài)美人士進(jìn)行整容，說(shuō)不定未來(lái)最有效果的青春痘的治療方法就是通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)呢！不僅青春痘,包括祛斑、美白等領(lǐng)域都有希望使用到3D打印技術(shù)的！