華夏革命黨: 3D打印 (简介、原理及技术)

2014年1月13日星期一

3D打印 (简介、原理及技术)

简介

3D打印（英语：3D printing），属于快速成形技术(rapid prototyping)的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术（即“積層造形法”）。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件，意味着“3D打印”这项技术的普及。

该技术在珠宝，鞋类，工業設計，建築，工程和施工（AEC），汽車，航空航天，牙科和医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程，槍枝以及其他领域都有所应用。

3D创平常方法难以达到的结构

3D打印枪械

3D打印汽车模型

原理

1. 三维设计

3D打印的设计过程是：先通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分割”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来大致模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描来产生三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

2. 打印过程

打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度（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）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如Objet Connex系列还有3D Systems' ProJet系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用3D打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而3D打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的3D打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

3. 完成

目前3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的3D打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。

技术

現在存在著許多不同的技術。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，並以不同层构建创建部件。

类型	累积技术	基本材料
挤压	熔融沉积式 (Fused deposition modeling，FDM）	热塑性塑料，共晶系統金属、可食用材料
线	电子束自由成形制造(Electron-Beam Freeform Fabrication, EBF)	几乎任何合金
粒状	直接金属激光烧结（Direct metal laser sintering，DMLS）	几乎任何合金
	电子束熔化成型（Electron beam melting，EBM）	钛合金
	选择性激光熔化成型(Selective laser melting, SLM)	钛合金，钴铬合金，不锈钢，铝
	选择性热烧结（Selective heat sintering，SHS）	热塑性粉末
	选择性激光烧结（Selective laser sintering，SLS）	热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末
粉末层喷头3D打印	石膏3D打印 (Plaster-based 3D printing, PP)	石膏
层压	分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）	纸、金属膜、塑料薄膜
光聚合	立体平板印刷（Stereolithography，SLA）	光硬化树脂
光聚合	数字光处理 (Digital-Light Processing, DLP)	光硬化树脂

下面简单介绍三种主流技术：

1、熔融沉积成型技术(Fused deposition modeling，FDM）: 有些3D打印机使用“喷墨”的方式，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。

优点: 成型精度更高、成型实物强度更高、可以彩色成型，但是成型后表面粗糙。

2、立体平板印刷（Stereolithography，SLA）：网友们可以想象一下把一根黄瓜切成很薄的薄片再拼成一整根。先由软件把3D的数字模型，“切”成若干个平面，这就形成了很多个剖面，在工作的时候，有一个可以举升的平台，这个平台周围有一个液体槽，槽里面充满了可以紫外线照射固化的液体，紫外线激光会从底层做起，固化最底层的，然后平台下移，固化下一层，如此往复，直到最终成型。

优点: 精度高，可以表现准确的表面和平滑的效果，精度可以达到每层厚度0.05毫米到0.15毫米。缺点则为可以使用的材料有限，并且不能多色成型。

3、选择性激光烧结（Selective laser sintering，SLS）: 利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。

优点：比SLA要结实的多，通常可以用来制作结构功能件；激光束选择性地熔合粉末材料：尼龙、弹性体、未来还有金属；优于SLA的地方：材料多样且性能接近普通工程塑料材料；无碾压步骤因此Z向的精度不容易保证好；工艺简单，不需要碾压和掩模步骤；使用热塑性塑料材料可以制作活动铰链之类的零件；成型件表面多粉多孔，使用密封剂可以改善并强化零件；使用刷或吹的方法可以轻易地除去原型件上未烧结的粉末材料。