3d打印技術(shù)介紹

3D打印技術(shù)

一、概述3D打印技術(shù)，是一種以數(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)造物體的新型成型技術(shù)。3D打印是利用設(shè)計(jì)產(chǎn)品的3D數(shù)據(jù)，采用分層、疊加成形的原理進(jìn)行打印，其工藝流程一般可分為三維建模、數(shù)據(jù)分割、打印、后處理四步。三維建模分割三維數(shù)據(jù)成二維打印后處理1、三維建模原理：二、原理及特點(diǎn)2、分割三維數(shù)據(jù)成二維數(shù)據(jù)在三維建模完成后，打印機(jī)將三維數(shù)據(jù)分割為二維數(shù)據(jù)，即把整個(gè)三維模型沿水平面“切割”成一定數(shù)量的二維薄片。3、打印

4、后處理

打印好的三維產(chǎn)品要經(jīng)過后處理才能出廠或使用，后處理工藝一般包括剝離、固化、修整、上色等。此類設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會先在產(chǎn)品底部噴出一定高度的底座來，然后在此基礎(chǔ)上打印正式產(chǎn)品，這樣做的好處是可避免因產(chǎn)品底部與工作臺直接接觸在剝離時(shí)而成的損壞，因此當(dāng)打印好后只需將此底座整個(gè)拿下并仔細(xì)與產(chǎn)品剝離即可。對于使用樹脂等材料加工的產(chǎn)品還需進(jìn)行光固化，固化后在經(jīng)一定的細(xì)節(jié)修整和上色等工藝就可完成整個(gè)打印過程。三、3D打印較傳統(tǒng)制造工藝優(yōu)劣勢優(yōu)勢：●設(shè)計(jì)空間無限，可加工結(jié)合復(fù)雜物品；●零技能制造，使用簡單方便；●材料無限組合，多噴頭的3D打印機(jī)能夠?qū)Χ喾N材料進(jìn)行組合打??；劣勢：1.存在成本高、工時(shí)長的軟肋2.在規(guī)?；a(chǎn)方面尚不具備優(yōu)勢3.使用材料比較單一4.精度相對不高3D打印機(jī)四、3D打印工藝類型3D打印按材料可分為塊體材料、液態(tài)材料和粉末材料等。按照美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(ASTM)、3D打印技術(shù)委員會(F42委員會)的標(biāo)準(zhǔn)，目前七類3D打印工藝與所用材料如下表；光固化成形光固化打印(SLA)

是采用紫外光在液態(tài)光敏樹脂表面進(jìn)行掃描，每次生成一定厚度的薄層，從底部逐層生成物體。

其優(yōu)點(diǎn)是原材料的利用率將近100%，尺寸精度高(±0.1mm)，表面質(zhì)量優(yōu)良，可以制作結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的模型;缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，可用材料種類有限，制成品在光照下會逐漸解體熔融沉積制造熔融沉積打印(FDM)是采用熱融噴頭，使塑性纖維材料經(jīng)熔化后從噴頭內(nèi)擠壓而出，并沉積在指定位置后固化成型。這種工藝類似于擠牙膏的方式。

其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、體積小、生成操作難度相對較小;缺點(diǎn)是成型件的表面有較明顯的條紋，產(chǎn)品層間的結(jié)合強(qiáng)度低、打印速度慢。選擇性激光燒結(jié)選擇性激光燒結(jié)打印(SLS)是采用高功率的激光，把粉末加熱燒結(jié)在一起形成零件。其工藝的優(yōu)點(diǎn)是可打印金屬材料和多種熱塑性塑料，如尼龍、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等，打印時(shí)無需支撐，打印的零件機(jī)械性能好、強(qiáng)度高;缺點(diǎn)是材料粉末比較松散，燒結(jié)后成型精度不高，且高功率的激光器價(jià)格昂貴。材料噴射聚合物噴射技術(shù)（PolyJet）是當(dāng)前最為先進(jìn)的3D打印技術(shù)之一，圖示為聚合物噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu):完成一層的噴射打印和固化后，設(shè)備內(nèi)置的工作臺會極其精準(zhǔn)地下降一個(gè)成型層厚，噴頭繼續(xù)噴射光敏聚合材料進(jìn)行下一層的打印和固化。就這樣一層接一層，直到整個(gè)工件打印制作完成。噴射打印頭沿X軸方向來回運(yùn)動，工作原理與噴墨打印機(jī)十分類似，不同的是噴頭噴射的不是墨水而是光敏聚合物。當(dāng)光敏聚合材料被噴射到工作臺上后，UV紫外光燈將沿著噴頭工作的方向發(fā)射出UV紫外光對光敏聚合材料進(jìn)行固化。打印金屬粉末的3D打印技術(shù)

金屬零件3D打印技術(shù)作為整個(gè)3D打印體系中最前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。按照金屬粉末的添置方式將金屬3D打印技術(shù)分為三類:激光工程化凈成形技術(shù)(LENS)

LENS是一種新的快速成形技術(shù)，它由美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室首先提出。其特點(diǎn)是:直接制造形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬功能零件或模具;可加工的金屬或合金材料范圍廣泛并能實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料零件的制造;可方便加工熔點(diǎn)高、難加工的材料。LENS系統(tǒng)同軸送粉器結(jié)構(gòu)示意圖激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)SLM是金屬3D打印領(lǐng)域的重要部分，其發(fā)展歷程經(jīng)歷低熔點(diǎn)非金屬粉末燒結(jié)、低熔點(diǎn)包覆高熔點(diǎn)粉末燒結(jié)、高熔點(diǎn)粉末直接熔化成形等階段。由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校在1986年最早申請專利。

SLM技術(shù)的基本原理是:先在計(jì)算機(jī)上利用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的三維

實(shí)體模型，然后通過切片軟件對該三維模型進(jìn)行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，設(shè)備將按照這些填充掃描線，控制激光束選區(qū)熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。電子束選區(qū)熔化技術(shù)(EBSM)EBSM是采用高能電子束作為加工熱源，掃描成形可以通過操縱磁偏轉(zhuǎn)線圈進(jìn)行，且電子束具有的真空環(huán)境，還可以避免金屬粉末在液相燒結(jié)或熔化過程中被氧化。

其利用金屬粉末在電子束轟擊下熔化的原理，先在鋪粉平面上鋪展一層粉末并壓實(shí);然后，電子束在計(jì)算機(jī)的控制下照截面輪廓的信息進(jìn)行有選擇的熔化、燒結(jié)層層堆積，直至整個(gè)零件全部熔化、燒結(jié)完成。EBM系統(tǒng)示意圖主要打印材料的性能與特點(diǎn)ABS系列材料：ABS穩(wěn)定的材料特性，有助進(jìn)行準(zhǔn)確的功能性測試；優(yōu)越的機(jī)械性能及熱性能材料，能夠制作貼近真實(shí)產(chǎn)品的3D原型；不同型號材料有不同性能指標(biāo)。光敏樹脂材料：性能和特點(diǎn)接近ABS材料的光敏樹脂，表面細(xì)節(jié)光滑細(xì)膩;世界上唯一能夠在一個(gè)單一的三維打印模型結(jié)合不同的成型材料添加劑層制造（軟硬膠結(jié)合、透明與不透明材料結(jié)合）。蠟質(zhì)材料：噴蠟立體打印，表面光滑；蠟?zāi)Ｉa(chǎn)系統(tǒng)，用于精密鑄造，超越以前純模型制作與展示功能?？捎糜跇?biāo)準(zhǔn)熔模材料和鑄造工藝的熔模鑄造應(yīng)用，是制作珠寶、服飾、醫(yī)療器械、機(jī)械部件、雕塑、復(fù)制品、收藏品進(jìn)行石蠟?zāi)Ｐ褪炶T造工藝。尼龍系列材料：以固體粉末材料直接成型三維實(shí)體零件，不受零件形狀復(fù)雜程度的限制，不需要任何的工裝模具，直接將CAD三維模型轉(zhuǎn)換為實(shí)體零件。具有杰出的機(jī)械性能和耐溫性能，常用于功能原型的制作。表面相對來講比較粗糙，但都能充分滿足設(shè)計(jì)師所要表達(dá)樣件功能驗(yàn)證效果。高性能復(fù)合石膏材料：提供豐富顏色選項(xiàng)目，從64種基本色到無限延伸的顏色組合，滿足不同需求；表面相對來講比較粗糙，但都能滿足設(shè)計(jì)所要表達(dá)效果。非常適合制鞋、服裝、手袋、建筑模型、玩具設(shè)計(jì)外觀表現(xiàn)效果表達(dá)和3D照相館人像和個(gè)性化定制。材料-taulman645Taulman3D日前宣布推出一款采用1.75mm尼龍聚合物的名為taulman645打印材料。taulman645具有非常高的強(qiáng)度，耐久性和優(yōu)異的粘連性。Taulman3D官方稱目前該款3D打印材料的成型效果甚至與金屬材料相媲美。高強(qiáng)度超耐用的注塑材料3DSystems發(fā)布了最新的注塑材料VisiJetM3Black,這種新材料主要提供給ProJet3500/3510professional工業(yè)級3D打印機(jī)使用。VisiJetM3Black是目前3DSystems推出的最結(jié)實(shí)和最耐用的材料，它有點(diǎn)類似注塑的材料，能夠經(jīng)受嚴(yán)格的測試與使用。VisiJetM3Black非常適用于各種卡扣結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求非常高的應(yīng)用場合。具有韌性可彎曲的新材料Orbi-Tech是德國著名的3D打印絲材制造商，其發(fā)布了最新研發(fā)的打印絲材-BendLay。是由著名的德國設(shè)計(jì)師KaiParthy主持研發(fā)的。Bendlay是一種具有彈性的材料，該材料的特性就在于可彎曲并且有彈性?！爱?dāng)ABS太硬、PLA又不夠緊密的時(shí)候，Bendlay就有用武之地了。”Bendlay材料特征：1、顏色清澈像聚碳酸酯。2、打印溫度介于215°C到240°C之間。3、最好的粘附性在溫度達(dá)到240°C的時(shí)候4、熱穩(wěn)定性與PLA材料接近5、Bendlay是由ABS改進(jìn)而來，打印的成品適用于食物包裝和醫(yī)療器械。6、吸水率僅為ABS材料的30%。7、應(yīng)力彎曲后不會出現(xiàn)白點(diǎn)。8、可溶于丙酮，可使用丙酮對Bendlay材料表面進(jìn)行拋光處理。新型尼龍絲材意大利3NTR公司推出了一種專門為3D打印機(jī)配備的新型尼龍絲材。這種直徑為3mm的聚酰胺-6絲材由99.9％PA6聚合物、無玻璃纖維和0.1％的肥皂緩和處理而成，且不含塑化劑。這種材料在靈活性上比不上Taulman的尼龍材料，但是在打印支撐結(jié)構(gòu)時(shí)其抗腐蝕和動態(tài)負(fù)載的特性就是明顯的優(yōu)勢。這種聚酰胺-6材料有點(diǎn)類似ABS，打印的溫度在240~280攝氏度之間，層厚設(shè)置小于0.25mm時(shí)其能發(fā)揮最佳的打印效果。支持的最高打印速度為70m/s，當(dāng)打印速度為40m/s時(shí)能獲得最大的粘附力。新型彈性材料知名3D打印服務(wù)商Shapeways近日發(fā)明一種名為ElastoPlastic的新型彈性3D打印材料。其最大的特點(diǎn)是即使成型之后，仍然具有一定的柔韌性，支持外界用力擠壓、扭曲甚至是拉扯等，并且彈性十足，回彈效果十分出色。有趣的是，它還能夠防水，可以作為容納液體的容器使用。據(jù)悉這里材料支持3D激光打印機(jī)層層燒結(jié)成型。不過它并不耐火、高溫和不太適合制作細(xì)小的物件。目前它還處理測試階段。新型生物降解材料目前，3D打印技術(shù)打印材料多是環(huán)氧乙稀塑料（環(huán)氧乙稀樹脂），這是一種耐久物質(zhì)，但是打印出的物體光滑度不行。幾家公司正在研究其他一些可兼容材料，這些材料也可以被熔融沉積型打印機(jī)兼容。美國波特蘭市的“潮流設(shè)計(jì)”建筑設(shè)計(jì)工作室里，已研究出一些持久并可生物降解的打印材料，這些材料使打印物獨(dú)特紋理和光滑表面。鹽，水泥，尼龍或者木漿和紙漿都是可能的材料。物體表面被涂了一層清漆或是使用了加固配件以保持物體的耐久性。材料-Laywood-D3德國Laywood-D3絲材是非常常用的打印材料，主要是由PLA和木粉混合制成的。打印出來的物件材質(zhì)手感很不錯(cuò)，還帶有特殊的木質(zhì)香氣。材料硬度不高，容易變形，不適合需要承載高強(qiáng)度應(yīng)力的應(yīng)用。彩色618尼龍材料Taulman的“618”高強(qiáng)度尼龍聚合材料是專門為3D打印設(shè)計(jì)的材料。618材料雖然非常輕巧，但具有高的強(qiáng)度和耐久性。高強(qiáng)度的“618”尼龍材料另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它很容易通過使用標(biāo)準(zhǔn)的織物染料（紡織品和紙張類染料）易進(jìn)行染色。你可以非常簡單地把材料染成任何你喜歡的顏色。染色后的材料可以正常地進(jìn)行打印，唯一不同的是打印溫度上升至235℃。超韌性材料巴黎時(shí)裝周上模特在T臺展示3D打印時(shí)裝，是由Materialise公司發(fā)明的一種新材料：TPU92A-1構(gòu)成，這種材料超強(qiáng)的物理性能。這種材料擁有非常好的彈性和韌性，能夠在受到高強(qiáng)外力的情況下快速恢復(fù)原來形狀。可溶解支撐材料HIPS意思是高抗沖聚苯乙烯，是全世界用于生產(chǎn)使用最多的高分子材料。因?yàn)樗膹?qiáng)度、衛(wèi)生、蓄熱等特性，也被廣泛的應(yīng)用在食品包裝上。它外表白色且光亮并且被認(rèn)為對人類和動物沒有毒性。HIPS在檸檬烯中是可溶的，檸檬烯是一種無色伴有橘子的味道的液烴。五、3D打印應(yīng)用

理論上來講，3D打印技術(shù)可用于各個(gè)領(lǐng)域，以下列舉的是目前3D打印涉足較多且取得較好效果的行業(yè)，相信隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，3D打印終將出現(xiàn)在各行各業(yè)的日常生產(chǎn)及應(yīng)用中。醫(yī)療美國一家兒科醫(yī)學(xué)中心利用3D打印技術(shù)成功制造出全球第一顆人類心臟，這顆用塑料打印出的心臟可以像正常人類心臟一樣正常跳動。外科醫(yī)生能夠利用3D打印心臟來練習(xí)復(fù)雜的手術(shù)。3D打印血管德國Fraunhoferinstitutes的跨學(xué)科研究小組宣布，解開了3D打印血管的奧秘。3D打印骨頭Open3DP創(chuàng)新小組向世界宣布3D打印在骨頭上的應(yīng)用。醫(yī)療-維克森林大學(xué)維克森林大學(xué)的安東尼·阿塔拉博士展示一個(gè)3D打印腎臟原型。阿塔拉博士使用的3D打印機(jī)使用一種類似凝膠的生物可降解材料，逐層打印腎臟。維克森林大學(xué)，阿塔拉的研究小組利用3D打印技術(shù)打印的耳朵支架，隨后在上面“播撒”皮膚細(xì)胞，培育出仿真度極高的人造耳。當(dāng)前的人造耳采用聚苯乙烯泡沫塑料等材料，看起來十分僵硬，很不自然。維克森林大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家利用3D打印機(jī)打印的鼻子支架，隨后可借助支架利用患者自身細(xì)胞培育人造鼻。由于利用患者自身細(xì)胞，患者的身體不會對這個(gè)新鼻子產(chǎn)生排斥。鞋子耐克推全球第一款3D打印足球鞋這項(xiàng)新技能的運(yùn)用意味著耐克能夠在更短的時(shí)刻內(nèi)依據(jù)靴子的原型作出一些改動。并且這款靴子比曾經(jīng)的鞋子愈加輕盈且能減縮短跑時(shí)刻。3d打印鞋美國設(shè)計(jì)工作室ContinuumFashion發(fā)布了他們的第一個(gè)可穿3d打印鞋履系列——“strvct”。紐拜倫利用3D打印技術(shù)制造的跑鞋服飾3D打印的服裝白色尼龍制作出來的胸衣配飾、羽毛狀衣服手鐲面飾類似橡膠的新型材料模型微縮工廠模型Materialise3D打印了一個(gè)非常精細(xì)的微縮工廠模型：一個(gè)植物燃?xì)夤綥indeAG的微縮工廠縮小模型。兩個(gè)月胎兒模型日本公司利用3D打印技術(shù)制作胎兒臉部模型父母們不僅可以看到腹中孩子的照片，通過3D打印技術(shù)，還可以拿到和孩子等大的寶寶的模型。古羅馬城市12名耶魯學(xué)生和他們的教授一起，通過3D打印，重建古羅馬城市景觀。模型奧迪A4和寶馬3系列的插值模型DrivAer是奧迪A4和寶馬3系列的插值模型，是一款長120厘米，寬45厘米，高40厘米的真實(shí)模型。這款模型在慕尼黑工業(yè)大學(xué)的電腦完成設(shè)計(jì)，然后由3D打印機(jī)使用環(huán)氧樹脂和石膏打印。無人駕駛的激光燒結(jié)飛機(jī)南安普敦大學(xué)研制出的這種飛機(jī)(SULSAUAV)，所有的部件，包括機(jī)翼、整體操縱面、出入艙口，均由尼龍激光燒結(jié)打印機(jī)EOSEOSINTP730打印而成。工業(yè)、建筑3D打印混凝土成品OpenReflex單反相機(jī)LéoMarius用ABS樹脂材料打印出來的。除了反光板和一些螺絲外，整部相機(jī)分為三大部分：膠片艙、快門、取景器。打印立體的建筑印刷機(jī)從噴嘴處噴出以鎂為主要原料的粘合膠，這些粘合膠跟沙子結(jié)合并在印刷機(jī)對其施壓后變成巖石。車輛、航空世界上第一輛“打印汽車”

Urbee2是一款三輪的混合動力汽車，它的所有零部件都是3D打印出來的。打印材料大部分是塑料，它的底盤和引擎還是鋼鐵?；鸺l(fā)動機(jī)的核心部件NASA購Makerbot的一臺大型3D打印機(jī)，采用選擇性激光熔煉，用激光將金屬粉末加熱從而讓模具成型。NASA將用這項(xiàng)技術(shù)“打印”L-2X火箭發(fā)動機(jī)的核心部件。3D打印機(jī)將在2014年登上空間站MadeinSpace公司在NASA的實(shí)驗(yàn)室中完成了太空3D打印測試。珠寶首飾黃金掛件Shapeways上就有大量的設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的

TimeKeeperPendant仿俄羅斯大皇冠斯摩棱斯克鉆石珠寶集團(tuán)引入3D打印技術(shù)，掃描原始皇冠和EnvisionTec

3D打印機(jī)精確復(fù)制原版的俄羅斯大皇冠，復(fù)刻品采用WIC-100樹脂以及14k白金打造。皇冠余下部分采用傳統(tǒng)手工技藝完成。3D打印的鈦金屬腕表設(shè)計(jì)師ZachRave制造過程是激光使鈦粉按設(shè)計(jì)融合成粉層，一層層疊加直到最后形成產(chǎn)品。每一件產(chǎn)品都是獨(dú)一無二的。600美元/只食物3D打印出可食用的熱狗肌肉片現(xiàn)代草甸(ModernMeadow)打印出了一塊約2cm長，1cm寬，1mm厚的肌肉片，這塊灰白的肌肉混合有血液和人造脂肪。這種生物原料是一種稱之為“bioink”的由數(shù)以十萬記得活細(xì)胞所構(gòu)成的物質(zhì)，想要在超市里見到3D打印的人造肉至少還要等上15-20年。打印食物的3D打印機(jī)砂糖“砂糖實(shí)驗(yàn)室”用砂糖混合水與酒精，選擇合適濕度和硬度的砂糖材料，提高打印分辨率和砂糖的強(qiáng)度。家具、裝飾設(shè)計(jì)師Bitonti用3D打印出的桌子花朵臺燈這款花朵臺燈的“花瓣”可以慢慢展開，燈光也會隨著“花瓣”的展開而變強(qiáng)。這款臺燈采用了3D打印技術(shù)制得，即整個(gè)燈罩是一次成型、連為一體的，包括花瓣之間的連接部分。iMaterialise公司3D打印的燈飾。水晶吊燈PAPERO波蘭ToDo設(shè)計(jì)工作室設(shè)計(jì)PAPERO看上去像是一塊懸掛的水晶，由兩部分組成：上面不透明部分為ABS塑料，采用3D打印技術(shù)打印而成，下面半透明部分用聚丙烯塑料板，采用激光切割工藝。娛樂首款開源微縮模型游戲IllGottenGames團(tuán)隊(duì)發(fā)明了PocketTactics（口袋戰(zhàn)術(shù)-首款用3D打印的開源微縮模型游戲。游戲包括了人物小