3D打印機原理技術(shù)

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1、原理技術(shù) 3D打印技術(shù)，是以計算機三維設(shè)計模型為藍本，通過軟件分層離散和數(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、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產(chǎn)成品不同，3D打印將三維實體變?yōu)槿舾蓚€二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進行生產(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、不需要龐大的機床、不需要眾多的人力，直接從計算機圖形數(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可以打印電腦設(shè)計的平面

2、物品，而所謂的3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料，打印機與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。通俗地說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設(shè)備，比如打印一個機器人、打印玩具車，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”是參照了普通打印機的技術(shù)原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。這項打印技術(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） 光硬化樹脂 數(shù)字光處理 (Digital-Light Pr

5、ocessing, DLP) 光硬化樹脂 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，是一種通過醫(yī)學(xué)衛(wèi)生認證的熱塑性材料，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，家電及通信行業(yè)。[6] 光敏樹脂 即是UV樹脂，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)，一般用于制作高強度、耐高溫、防水等的材料。 Somos 19120材料為粉紅色材質(zhì)，鑄造專用材料。成型后直接代替精密鑄造的蠟?zāi)ぴ?，避免開模具的風(fēng)險，大大縮短周期。 擁有低留灰燼和高精度等特點。 Somos 11122材料為半透明材質(zhì)，類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)計等行業(yè)。 Somos Next材料為白色材質(zhì)，類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、橡膠類材料。 優(yōu)點 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；而自行車車架、汽車方向盤甚至飛機零件等大物品，則需要更大的打印機和更大的放置空間。 3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點是無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(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：通過摒棄生產(chǎn)線而降低了成本；大幅減少了材料浪費；而且，它還可以制造

8、出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造出的外形，讓人們可以更有效地設(shè)計出飛機機翼或熱交換器；另外，在具有良好設(shè)計概念和設(shè)計過程的情況下，三維打印技術(shù)還可以簡化生產(chǎn)制造過程，快速有效又廉價地生產(chǎn)出單個物品。 三維打印技術(shù)還有其他重要的優(yōu)點。大多數(shù)金屬和塑料零件為了生產(chǎn)而設(shè)計，這就意味著它們會非常笨重，并且含有與制造有關(guān)但與其功能無關(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)，他的團隊生產(chǎn)出的零件更加精細輕盈。當(dāng)材料沒有了生產(chǎn)限制后，就能以最優(yōu)化的方式來實現(xiàn)其功能，因此，與機器制造出的零件相比，打印出來的產(chǎn)品的重量要輕60%，并且同樣堅固。 限制因素

9、 材料的限制 雖然高端工業(yè)印刷可以實現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但無法實現(xiàn)打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，打印機也還沒有達到成熟的水平，無法支持我們在日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。 3D打印胚胎干細胞 研究者們在多材料打印上已經(jīng)取得了一定的進展，但除非這些進展達到成熟并有效，否則材料依然會是3D打印的一大障礙。 機器的限制 3D打印技術(shù)在重建物體的幾何形狀和機能上已經(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，但是那些運動的物體和它們的清晰度就難 以實現(xiàn)了。這個困難對于制造商來說也許是可以解決的，但是3D打印技術(shù)想要進入普通家庭，每

10、個人都能隨意打印想要的東西，那么機器的限制就必須得到解決才行。 知識產(chǎn)權(quán)的憂慮 在過去的幾十年里，音樂、電影和電視產(chǎn)業(yè)中對知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)注變得越來越多。3D打印技術(shù)也會涉及到這一問題，因為現(xiàn)實中的很多東西都會得到更 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)用來保護知識產(chǎn)權(quán)，也是我們面臨的問題之一，否則就會出現(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，在不久的將來會遇到極大的道德挑戰(zhàn)。 花費的承擔(dān) 3D打印技術(shù)需要承擔(dān)的花費是高昂的。第一臺3D打印機的售價為1萬5。如果想

11、要普及到大眾，降價是必須的，但又會與成本形成沖突。 　　每一種新技術(shù)誕生初期都會面臨著這些類似的障礙，但相信找到合理的解決方案3D打印技術(shù)的發(fā)展將會更加迅速，就如同任何渲染軟件一樣，不斷地更新才能達到最終的完善。 打印過程 三維設(shè)計 三維打印的設(shè)計過程是：先通過計算機建模軟件建模，再將建 英國工程師“打印”出無人飛機 成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機逐層打印。 設(shè)計軟件和打印機之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用三角面來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 打印機通過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，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術(shù)的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。 打印機打出的截面的厚度（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）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機如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相近的分辨率。

13、打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。 用傳統(tǒng)方法制造出一個模型通常需要數(shù)小時到數(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)則可以將時間縮短為數(shù)個小時，當(dāng)然其是由打印機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)量相對較少的產(chǎn)品。一個桌面尺寸的三維打印機就可以滿足設(shè)計者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。 完成打印 3D創(chuàng)平常方法難以達到的結(jié)構(gòu) 三維打印機的分辨率對大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，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如下方法：先用當(dāng)前的三維打印機打出稍大一點的物體，再稍微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。 有些技術(shù)可以同時使用多種材料進行打印。有些技術(shù)在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時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打印機的應(yīng)用對象可以是任何行業(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)認為，3D打印機需求量較大的行業(yè)包括政府、航天和國防、醫(yī)療設(shè)備、高科技、教育業(yè)以及制造業(yè)。 音樂行業(yè) 打印音樂的3D打印機 為了探索3D打印機更多的

15、應(yīng)用，Rickard Dahlstrand使用Lulzbot 3D打印機創(chuàng)造出獨特的藝術(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，而且作為一個表演項目，它還一邊播放古典音樂一邊相應(yīng)地打印出可視化的音樂作品。Lulzbot 3D打印機打印可視化音樂的原理是：該步進電機的運動進行控制可以以不同的速度運行，聲音的音調(diào)決定速度，從而音樂控制了打印過程。三臺電機分別代表一個音軌，它們使用獨特的模式運動。兩個馬達控制Z軸移動。 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“打印”出來的下顎骨，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)國外媒體報道，在不久的將來外科醫(yī)生們或許就將可以在手術(shù)中現(xiàn)場利用打印設(shè)備打印出各種尺寸的骨骼用于臨床使用。這種神奇的3D打印機已經(jīng)被制造出來了，而用于替代真實人體骨骼的打印材料則正在緊鑼密鼓地測試之中。 在實驗室測試中，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胞在其中生長，并且其有效性也已經(jīng)在老鼠和兔子身上得到了驗證。未來數(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)品種類正迅速增加。為了

17、打印骨 3D打印機圖片(20張) 骼材料，博斯和她的同事們使用了一臺商業(yè)銷售的ProMetal 3D打印機進行測試。這種3D打印機最初的設(shè)計目的是為了打印金屬件。它會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其強度。當(dāng)它被植入人體內(nèi)之后可以暫時起到骨骼的支撐作用，并在此過程中幫助正常骨骼細胞生長發(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4年時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、國德雷塞爾大學(xué)的研究人員通過對化石進行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，同時還做了比例縮減，更適合研究。 博物館里常常會用很多復(fù)雜的替代品來保護原始作品不受環(huán)境或意外事件的傷害，同時復(fù)制品也能將藝術(shù)或文物的影響傳遞給更多更遠的人。史密森尼博物館就因為原始的托馬斯杰弗遜要放在弗吉尼亞州展覽，所以博物館用了一個巨大的3D打印替代品放在了原來雕塑的位置。 建筑設(shè)計 在建筑業(yè)里，工程師和設(shè)計師們已經(jīng)接受了用3D打印機打印的建筑模型，這種方法快速、成本低、環(huán)保，同時制作精美。完全合乎設(shè)計者的要求，同時又能節(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，因為3D打印無論是在成本、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)能帶來很多好處，甚至連質(zhì)量控制都不再是個問題。 比如微軟的3D模型打印車間，在產(chǎn)品設(shè)計出來之后，通過3D打印機打印出來模型，能夠讓設(shè)計制造部門更好的改良產(chǎn)品，打造出更出色的產(chǎn)品。不是說你的車是3D打印機打印出來的（當(dāng)然或許有一天這也有可能），而是說汽車行業(yè)在進行安全性測試等工作時，會將一些非關(guān)鍵部件用3D打印的產(chǎn)品替代，在追求效率的同時降低成本。 食品產(chǎn)業(yè) 沒錯，就是“打印”食品。研究人員已經(jīng)開 始嘗試打印巧克力了。或許在不久的將來，很多看起來一模一樣的

20、食品就是用食品3D打印機“打印”出來的。當(dāng)然，到那時可能人工制作的食品會貴很多倍。 3D食物打印機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12.5萬美元，研發(fā)能為宇航員制造“營養(yǎng)可口”食品的3D打印機。 3D食物打印機的概念設(shè)計方案中，打印機的“墨盒”——也就是裝載食物的部分使用壽命長達30年。這款產(chǎn)品的實驗版本已經(jīng)可以成功“打印”巧克力，而比薩餅將是它未來幾周內(nèi)的下一個目標(biāo)。據(jù)透露，食物打印機制造比薩餅的步驟如下：首先，打印一層面餅，并在打印的同時烤好；然后機器會將使用裝載番茄的“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)計了一個3D概念打印機Atomium，它能夠打印分子級的材料，幾乎能夠打印各種形狀。如果這個概念得以實現(xiàn)，它將會改變我們與食物間的關(guān)系。 Atomium的工作原理是這樣的：用戶事先注冊基本信息，比如醫(yī)療數(shù)據(jù)（對什么過敏等）和飲食偏好等。然后，用戶可以簡單勾畫出他們喜歡的形狀類型，Atomium就會分析這些指令并創(chuàng)造出相應(yīng)的食物。 Atomium參加了“伊萊克斯設(shè)計實驗室”（Electrolux Design Lab）的競賽并入圍半決賽。Silva稱，Atomium的目的在于為兒童創(chuàng)造出即好看，又有營養(yǎng)的食物。 （圖冊《3d食物打印機Atomium》圖片來源） 美容行業(yè) 配件、飾品 這是最廣闊的一個市場。在未來不管是你的個性筆筒，還是有你半身浮雕的手機外殼，抑或是你和愛人擁有的世界上獨一無二的戒指，都有可能是通過3D打印機打印出來的。甚至不用等到未來，就可以實現(xiàn)。 美容護膚 3D打印技術(shù)未來也可能會幫助愛美人士進行整容，說不定未來最有效果的青春痘的治療方法就是通過3D打印技術(shù)來實現(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！