3D打印機(jī)原理技術(shù)

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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)通過模具、車銑等機(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)的平面物品，而

2、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，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。通俗地說，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，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^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材料的方式，

3、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)鈦合金，鈷鉻合金，不銹鋼，鋁選擇性熱燒結(jié)（Selective heat s

4、intering，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）光硬化樹脂數(shù)字光處理 (Digital-Light Processing, 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(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化

5、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）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(qiáng)度、耐高溫、防水等的材料。Somos 19120

6、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(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(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、

7、商店甚至房子里；而自行車車架、汽車方向盤甚至飛機(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(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(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

8、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)材料沒有了生產(chǎn)限制后，就能以最優(yōu)化的方式來實(shí)現(xiàn)其功能，因此，與機(jī)器制造出的零件相比，打印出來的產(chǎn)品的重量要輕60%，并且同樣堅(jiān)固。限制因素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)也還沒有達(dá)到成熟的水平，無法支持我們?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

9、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，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)于制造商來說也許是可以解決的，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)的憂慮在過去的幾十年里，音樂、電影和電視產(chǎn)業(yè)中對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)注變得越來越多。3D打印技術(shù)也會(huì)涉及到這一問題，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

10、保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，也是我們面臨的問題之一，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1萬5。如果想要普及到大眾，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。打印過程三維設(shè)計(jì)三維打印的設(shè)計(jì)過程是：先通過計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建 英國工程師“打印”出無人飛機(jī)成的三維模型“分

11、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(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）或者微米來計(jì)算的。一般的厚度

12、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。打印出來的“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

13、機(jī)就可以滿足設(shè)計(jì)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(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)用來說已經(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(jī)打出稍大一點(diǎn)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(shí)使用多種材料進(jìn)行打印。有些技術(shù)在打印的過程中還會(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

14、，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(jī)為了探索3D打印機(jī)更多的應(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一邊相應(yīng)地打印出可視化的音樂作品。Lulzbot 3D打印機(jī)打印可視化音樂的原理是：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，從而音樂控制了打印過程。三臺(tái)電機(jī)分別代表一個(gè)音軌，

15、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”出來的下顎骨，這是世界上首位使用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(bào)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(jī)已經(jīng)被制造出來了，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，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)

16、，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，并在此過程中幫助正常骨骼細(xì)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。

17、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)美國德雷塞爾大學(xué)的研究人員通過對(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、

18、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3D打印產(chǎn)品，因?yàn)?D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(gè)問題。比如微軟的3D模型打印車間，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)出來之后，通過3D打印機(jī)打印出來模型，能夠讓設(shè)計(jì)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(jī)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(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)沒錯(cuò)，就是“打印”食品。

19、研究人員已經(jīng)開 始嘗試打印巧克力了?；蛟S在不久的將來，很多看起來一模一樣的食品就是用食品3D打印機(jī)“打印”出來的。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12.5萬美元，研發(fā)能為宇航員制造“營養(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)

20、器會(huì)將使用裝載番茄的“墨盒”和水、油混合，打印出番茄醬。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(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(cè)3d食物打印機(jī)Atomium圖片來源）美容行業(yè)配件、飾品這是最廣闊的一個(gè)市場。在未來不管是你的個(gè)性筆筒，還是有你半身浮雕的手機(jī)外殼，抑或是你和愛人擁有的世界上獨(dú)一無二的戒指，都有可能是通過3D打印機(jī)打印出來的。甚至不用等到未來，就可以實(shí)現(xiàn)。美容護(hù)膚3D打印技術(shù)未來也可能會(huì)幫助愛美人士進(jìn)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(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！