3D打印機(jī)論文

1、3D打印機(jī) 閆沖 （鄭州航院 110606141） 【摘 要】3D打印機(jī),即快速成形技術(shù)的一種機(jī)器，它是一種數(shù)字模型文件為 基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體 的技術(shù)。使用3D輔助設(shè)計軟件，可以用各種原料打印三維模型。 【關(guān)鍵詞】 3D 打印技術(shù)；快速成型； 一、初識3D打印機(jī) 3D打印機(jī)英文 “3DPrinters ”，3D打印機(jī)這個名稱是近年該產(chǎn)品來針對民 用市場而出現(xiàn)的一個新詞。其實(shí)在專業(yè)領(lǐng)域 他有另一個名稱快速成形技術(shù)。快 速成形技術(shù)又稱快速原型制造 （Rapid Prototyping Manufacturing ，簡稱 RPM） 技術(shù)，誕生于 20

2、 世紀(jì) 80 年代后期， 是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)， 被 認(rèn)為是近年來制造領(lǐng)域的一個重大成果。它集機(jī)械工程、CAD逆向工程技術(shù)、 分層制造技術(shù)、 數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身， 可以自動、直接、快速、 精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?從而為零件原型 制作、新設(shè)計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段。 即，快速成 形技術(shù)就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機(jī)，將一層層的材料堆積成實(shí)體 原型。 二、3D打印機(jī)技術(shù)原理。 說到它的原理， 其實(shí)也并不不復(fù)雜， 其運(yùn)作原理和傳統(tǒng)打印機(jī)工作原理基本 相同。傳統(tǒng)打印機(jī)是只要輕點(diǎn)電腦屏幕上的“打印”按鈕，一

3、份數(shù)字文件便被傳 送到一臺噴墨打印機(jī)上， 它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像， 而打 印機(jī) 首先將物品轉(zhuǎn)化為一組3D數(shù)據(jù)，然后打印機(jī)開始逐層分切，針對分切的每 一層構(gòu)建，按層次打印。 例如我們制作一個塑料材質(zhì)的蘋果，首先我們需要在電腦上使用3D軟件制 作出一個蘋果的3D模型文件，然后把它轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)支持的文件格式。接下 來需要給3D打印機(jī)放入塑料耗材，現(xiàn)在3D打印機(jī)就可以制作了。這個過程是不 是像我們的平面打印機(jī)的操作呀！ 好下面說重點(diǎn)。 打印系統(tǒng)在制作的時候會從這 個蘋果3D模型底部開始切成很多片（多少片呢？這個要根據(jù)打印機(jī)的技術(shù)指標(biāo) 它所支持的“層厚”來決定。 ）也就是我們上面

4、說的截面圖。最先開始制作的是 蘋果模。 三、幾種主要的 3D 打印機(jī)技術(shù) （一）SLA技術(shù)3D打印機(jī) SLA是最早實(shí)用化的快速成形技術(shù)。SLA是“ Stereo lithogra phy Appearance”的縮寫，即立體光固化成型法。用特定波長與強(qiáng)度的激光聚焦到光 固化材料表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面順序凝固，完成一個層面的繪圖作業(yè)， 然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度， 再固化另一個層面。 這樣層層疊加 構(gòu)成一個三維實(shí)體。 SLA技術(shù)主要用于制造多種模具、模型等；還可以在原料中通過加入其它成 分，用SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)?。SLA技術(shù)成形速度較快，精度較 高，但由于樹脂固

5、化過程中產(chǎn)生收縮， 不可避免地會產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。 因此 開發(fā)收縮小、固化快、強(qiáng)度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢。 （二）SLS技術(shù)3D打印機(jī) SLS（Selective Laser Sintering） 選擇性激光燒結(jié)（以下簡稱SLS）技術(shù)。 最初是由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的 Carlckard 于 1989 年在其碩士論文中 提出的。后美國DTM公司1992年推出了該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備 Sinter Sation。 選擇性激光燒結(jié)是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末， 并使燒結(jié)成型的固化層 層層疊加生成所需形狀的零件。其整個工藝過程包括CAD莫型的建立及數(shù)據(jù)處理、 鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。

6、 與其它3D打印機(jī)技術(shù)相比，SLS最突出的優(yōu)點(diǎn)在于它所使用的成型材料十分 廣泛。從理論上說，任何加熱后能夠形成原子間粘結(jié)的粉末材料都可以作為 SLS 的成型材料。目前，可成功進(jìn)行 SLS成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶 瓷粉末和它們的復(fù)合粉末材料。由于SLS成型材料品種多、用料節(jié)省、成型件性 能分布廣泛、適合多種用途以及SLS無需設(shè)計和制造復(fù)雜的支撐系統(tǒng)，所以SLS 的應(yīng)用越來越廣泛。 （三）LOM技術(shù)3D打印機(jī) 分層實(shí)體制造法（LOMLaminated Object Manufacturing ），LOM又稱 層疊法成形，它以片材（如紙片、塑料、薄膜或復(fù)合材料）為原材料。激光切割 系統(tǒng)

7、按照計算機(jī)提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)， 將背面涂有熱熔膠的紙用激光切割出 工件的內(nèi)外輪廓。 切割完一層后， 送料機(jī)構(gòu)將新的一層紙疊加上去， 利用熱粘壓 裝置將已切割層粘合在一起，然后再進(jìn)行切割，這樣一層層地切割、粘合，最終 成為三維工件。 該技術(shù)的特點(diǎn)是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高，缺點(diǎn)是前、后處 理費(fèi)時費(fèi)力，且不能制造中空結(jié)構(gòu)件。 （四）FDM技術(shù)3D打印機(jī) 熔積成型（FDM-Fused Deposition Modeling ）法,該方法使用絲狀材料（石 蠟、金屬、塑料、低熔點(diǎn)合金絲）為原料 , 利用電加熱方式將絲材加熱至略高于 熔化溫度（約比熔點(diǎn)高C）,在計算機(jī)的控制下，噴頭作x-

8、y平面運(yùn)動，將熔融 的材料涂覆在工作臺上， 冷卻后形成工件的一層截面， 一層成形后， 噴頭上移一 層高度，進(jìn)行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。該技術(shù)污染小。 四、3D打印機(jī)技術(shù)優(yōu)點(diǎn) （一）制造快速 3D打印機(jī)技術(shù)是并行工程中進(jìn)行復(fù)雜原型或者零件制造的有效手段，能使 產(chǎn)品設(shè)計和模具生產(chǎn)同步進(jìn)行 , 從而提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，極 0 大的降低了新品開發(fā)的成本及風(fēng)險， 對于外形尺寸較小 , 異形的產(chǎn)品尤其適用 。 （二）CAD/CAM技術(shù)的集成 設(shè)計制造一體化一直來說是現(xiàn)在的一個難點(diǎn)，計算機(jī)輔助工藝（CAPP在現(xiàn)階 段由于還無法與CAD CAM完全的無縫對接，這也是制約制造業(yè)信息

9、化一直以來 的難點(diǎn)之一,而快速成型技術(shù)集成CAD CAM激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、化工、材料 工程等多項技術(shù) , 使得設(shè)計制造一體化的概念完美實(shí)現(xiàn)。 （三）完全再現(xiàn)三維效果 經(jīng)過快速成型制造完成的零部件，完全真實(shí)的再現(xiàn)三維造型，無論外表面的 異形曲面還是內(nèi)腔的異形孔， 都可以真實(shí)準(zhǔn)確的完成造型， 基本上不再需要再借 助外部設(shè)備進(jìn)行修復(fù) 。 （四）材料種類繁多 到目前為止，各類 3D 打印機(jī)設(shè)備上所使用的材料種類有很多，樹脂、尼龍、 塑料、石蠟、 紙以及金屬或陶瓷的粉末， 基本上滿足了絕大多數(shù)產(chǎn)品對材料的機(jī) 械性能需求 。 （五）創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益 與傳統(tǒng)機(jī)械加工方式比較 ，開發(fā)成本上節(jié)約 10倍以上

10、， 同樣，快速成型技 術(shù)縮短了企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)周期 ，使的在新品開 發(fā)過程中出現(xiàn)反復(fù)修改設(shè)計方案 的問題大大減少， 也基本上消除了修改模具的問題， 創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見 的。 五、3D打印機(jī)發(fā)展 （一）價格因素 大多數(shù)桌面級3D打印機(jī)的售價在2萬元人民幣左右、一些國內(nèi)的仿制品價格 可以低到6000元。但是據(jù)3D打印機(jī)代理商透露，國產(chǎn)的3D打印機(jī)雖然價格低， 但質(zhì)量很難保障。對于桌面級 3D打印機(jī)來說，由于僅能打印塑料產(chǎn)品，因此使 用范圍非常有限，而且對于家庭用戶來說，3D打印機(jī)的使用成本仍然很高。因 為在打印一個物品之前，人們必須會懂得3D建模，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī) 能夠讀取的格式，最

11、后再進(jìn)行打印 。 （二）原材料 3D打印不是一項高深艱難的技術(shù)。它與普通打印的區(qū)別就在于打印材料。 以色列的 Object 是掌握最多打印材料的公司。它已經(jīng)可以使用 14 種基本材 料并在此基礎(chǔ)上混搭出 107 種材料，兩種材料的混搭使用、上色也已經(jīng)是現(xiàn)實(shí)。 但是，這些材料種類與人們生活的大千世界里的材料相比， 還相差甚遠(yuǎn)。 不僅如 此，這些材料的價格便宜的幾百元一公斤，最貴的要四萬元左右。 (三) 社會風(fēng)險成本 如同核反應(yīng)既能發(fā)電，又能破壞一樣。3D打印技術(shù)在初期就讓人們看到了一 系列隱憂， 而未來的發(fā)展也會令不少人擔(dān)心。 如果什么都能徹底復(fù)制， 想到什么 就能制造出什么，聽上去很美的同時，也著實(shí)讓人恐懼 結(jié)語 3D打印機(jī)省時省力，完美復(fù)制立體化功能的優(yōu)點(diǎn)使得這項新的技術(shù)可以解決 電工教學(xué)中出現(xiàn)的教與學(xué)分離， 理論與實(shí)踐結(jié)合不緊密的問題。 其材料選擇的多 樣化使其適應(yīng)性擴(kuò)大，可以相信，隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟和完善，其成本的 不斷降低將會使它在實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) 】： 1 王燦才.3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀分析J.絲網(wǎng)印刷。2012 (09). 劉海濤光固化三維打印成形材料的研究與應(yīng)用D.華中科技大學(xué)博士論文