3D打印技術(shù)系統(tǒng)組成

3D打印技術(shù)介紹及應(yīng)用項(xiàng)目33D打印技術(shù)系統(tǒng)組成3D打印技術(shù)系統(tǒng)組成3D打印機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)是集機(jī)械、控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體的機(jī)電一體化系統(tǒng)。使用3D打印技術(shù)制造產(chǎn)品時(shí)，需要由軟、硬件設(shè)備共同協(xié)作完成。一般來(lái)說(shuō),3D打印技術(shù)系統(tǒng)組成主要有軟件、硬件兩大部分。3D打印中使用的軟件主要包括：建模軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、設(shè)備控制軟件。3D打印的硬件主要是指3D打印成型設(shè)備，俗稱(chēng)3D打印機(jī)，是3D打印系統(tǒng)的核心組成。軟件建模軟件：只有有3D數(shù)字模型才可以打印出與3D數(shù)模一致的實(shí)體,3D數(shù)模是3D打印的制造依據(jù)。建模軟件用以輔助設(shè)計(jì)人員完成產(chǎn)品的3D設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員通過(guò)建模軟件,可以在假想空間詳細(xì)完整地表達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和需求。目前,用于構(gòu)建3D數(shù)模的軟件有很多,可根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的形狀和用途選擇合適的建模軟件。常見(jiàn)的三維建模軟件詳見(jiàn)3.3節(jié)。數(shù)據(jù)處理軟件：3D打印的基本原理是“分層制造,堆疊成型”。3D打印之前,需要對(duì)三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,包括將模型文件從模態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成數(shù)字結(jié)構(gòu),并對(duì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)、數(shù)據(jù)修復(fù)、轉(zhuǎn)換、切片（分層）以及為模型添加必要支撐（便于堆疊）等操作,生成設(shè)備可識(shí)別執(zhí)行的數(shù)字文件。3D打印技術(shù)系統(tǒng)組成軟件3D打印技術(shù)系統(tǒng)組成設(shè)備控制軟件主要是根據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理生成機(jī)器代碼,并控制、監(jiān)測(cè)3D打印設(shè)備完成成型加工。如圖所示是盈普TPM3D設(shè)備的控制軟件EliteCtrlSys的界面。硬件3D打印技術(shù)系統(tǒng)組成3D打印的硬件主要是指3D打印成型設(shè)備,俗稱(chēng)3D打印機(jī),是3D打印系統(tǒng)的核心組成。3D打印機(jī)的工作過(guò)程與普通平面打印機(jī)基本相同,打印機(jī)內(nèi)裝有打印材料,根據(jù)模型的切片信息,按照既定路徑逐層打印成型（成型的原理有很多種,詳見(jiàn)第5~10章）,然后層層堆疊,直到形成實(shí)體模型。材料3D打印技術(shù)系統(tǒng)組成基于3D打印的成型原理,打印所用的原材料必須能夠液化、粉末化或絲化。同時(shí),保證打印完成后又能重新結(jié)合起來(lái),并具有合格的物理、化學(xué)性能。除了模型成型材料,還需要輔助成型的凝膠劑或其他材料,以供支撐或用來(lái)填充空間,這些輔助材料在打印完成后需要處理、去除。材料3D打印技術(shù)系統(tǒng)組成現(xiàn)在可用于3D打印的材料種類(lèi)越來(lái)越多,樹(shù)脂、塑料、合金（如鎳基鉻、鈷、鋁、鈦等）、聚合物、陶瓷、橡膠類(lèi)材料等都可作為成型原材料。隨著技術(shù)的發(fā)展,3D打印逐漸出現(xiàn)混合材料的應(yīng)用。由于3D打印制造技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)制造模式的一種顛覆,3D打印材料是限制3D打印技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸之一,也是3D打印突破創(chuàng)新的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)所在,只有進(jìn)行更多新材料的開(kāi)發(fā)才能更好地拓展3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。3D打印的硬件3D打印的硬件3D打印的硬件主要是指3D打印成型設(shè)備，俗稱(chēng)3D打印機(jī)，是3D打印系統(tǒng)的核心組成。3D打印機(jī)的工作過(guò)程與普通平面打印機(jī)基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有打印材料，根據(jù)模型的切片信息，按照既定路徑逐層打印成型，然后層層堆疊，直到形成實(shí)體模型。3D打印材料與選擇常見(jiàn)3D打印材料材料是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，材料的豐富和發(fā)展程度決定著3D打印技術(shù)是否能夠普及使用或者更好發(fā)展的關(guān)鍵。反過(guò)來(lái)，材料瓶頸已成為制約3D打印技術(shù)發(fā)展的首要問(wèn)題。常見(jiàn)3D打印材料打印材料的使用，受限于打印技術(shù)原理和產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)合等因素。3D打印所使用的原材料都是為3D打印設(shè)備和工藝專(zhuān)門(mén)研發(fā)的，這些材料與普通材料略有區(qū)別，3D打印中使用的材料形態(tài)多為粉末狀、絲狀、片層狀和液體狀等。常見(jiàn)3D打印材料目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹(shù)脂、橡膠類(lèi)材料、金屬材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領(lǐng)域得到了應(yīng)用。常見(jiàn)3D打印材料工程塑料當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)3D打印材料是工程塑料。工程塑料是指被用來(lái)制作工業(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、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。常見(jiàn)的有ABS類(lèi)材料、PC類(lèi)材料、PLA類(lèi)材料、亞克力（Acrylic）類(lèi)材料和尼龍類(lèi)材料等。常見(jiàn)3D打印材料工程塑料ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物）材料無(wú)毒無(wú)味，呈象牙色，具有優(yōu)良的綜合性能，有極好的耐沖擊性，尺寸穩(wěn)定性好，電性能、耐磨性、抗化學(xué)藥品性、染色性、成型加工和機(jī)械加工較好。它的正常形變溫度超過(guò)90℃，可進(jìn)行機(jī)械加工（如鉆孔和攻螺紋）、噴漆和電鍍等，是常用的工程塑料之一。缺點(diǎn)是熱變形溫度較低，可燃，耐熱性較差。常見(jiàn)3D打印材料工程塑料ABS是FDM成型工藝中最常使用的打印材料，由于良好的染色性，目前有多種顏色可以選擇這使得“打印”出的實(shí)物省去了上色的步驟。常見(jiàn)3D打印材料工程塑料3D打印使用的ABS材料通常做成細(xì)絲盤(pán)狀，通過(guò)3D打印噴嘴加熱溶解成型。由于噴嘴噴出后需要立即凝固，噴嘴加熱的溫度控制在高出ABS材料熱熔點(diǎn)1~2℃，不同的ABS熔點(diǎn)也不同，對(duì)于不能調(diào)節(jié)溫度的噴嘴，是不能夠通配的，因此需要格外注意材料的來(lái)源，建議從原廠(chǎng)購(gòu)買(mǎi)。ABS是消費(fèi)級(jí)3D打印用戶(hù)最喜愛(ài)的打印材料，如打印玩具和創(chuàng)意家居飾品等。常見(jiàn)3D打印材料工程塑料PC中文名稱(chēng)聚碳酸酯，是一種無(wú)色透明的無(wú)定性熱塑性材料（如圖2-18所示）。聚碳酸酯無(wú)色透明，耐熱，抗沖擊，阻燃，在普通使用溫度內(nèi)具有良好的機(jī)械性能。但耐磨性較差，一些用于易磨損用途的聚碳酸酯器件需要對(duì)表面進(jìn)行特殊處理。常見(jiàn)3D打印材料工程塑料PC材料是真正的熱塑性材料，具備高強(qiáng)度、耐高溫、抗沖擊、抗彎曲等工程塑料的所有特性，可作為最終零部件材料使用。使用PC材料制作的樣件，可以直接裝配使用。PC材料的顏色較為單一，只有白色，其強(qiáng)度比ABS材料高出60%左右，具備超強(qiáng)的工程材料屬性，廣泛應(yīng)用于電子消費(fèi)品、家電、汽車(chē)制造、航空航天和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。常見(jiàn)3D打印材料工程塑料此外，還有PC-ABS復(fù)合材料，它也是一種應(yīng)用廣泛的熱塑性工程塑料。PC-ABS兼具了ABS的韌性和PC的高強(qiáng)度及耐熱性，大多應(yīng)用于汽車(chē)、家電及通信行業(yè)。常見(jiàn)3D打印材料工程塑料使用該材料制作的樣件強(qiáng)度較高，可以實(shí)現(xiàn)真正熱塑性部件的生產(chǎn)，可用于手機(jī)外殼、計(jì)算機(jī)和商業(yè)機(jī)器殼體、電氣設(shè)備、草坪園藝機(jī)器、汽車(chē)零件儀表板、內(nèi)部裝修以及車(chē)輪蓋等等。包括概念模型、功能原型、制造工具及最終零部件等。常見(jiàn)3D打印材料工程塑料PLA（聚乳酸纖維）是一種可生物降解的材料，它的機(jī)械性能及物理性能良好，適用于吹塑、熱塑等各種加工方法，加工方便用途廣泛。此外，它還具有較好的相容性，良好的光澤性、透明度、抗拉強(qiáng)度及延展度等，制成的薄膜具有良好的透氣性，因此PLA可以根據(jù)不同業(yè)界的需求，制成各式各樣的應(yīng)用產(chǎn)品。常見(jiàn)3D打印材料工程塑料PLA塑料熔絲是另一種常用的3D打印材料。相比ABS材料，PLA一般情況下不需要預(yù)先加熱床，更易使用且更加適合低端的3D打印設(shè)備。其可降解的特性，使得它在消費(fèi)級(jí)3D打印設(shè)備生產(chǎn)中成為較受歡迎的一種環(huán)保材料。PLA有多種顏色可供選擇，而且還有半透明的紅、藍(lán)、綠以及全透明的材料，但通用性不高。常見(jiàn)3D打印材料工程塑料PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），也就是人們常說(shuō)的亞克力材料，它是由甲基丙烯酸甲酯單體聚合而成的材料；它具有水晶般的透明度，用染料著色又有很好的展色效果。亞克力材料有良好的加工性能，既可以采用熱成型，也可以用機(jī)械加工的方式。常見(jiàn)3D打印材料工程塑料它的耐磨性接近于鋁材，穩(wěn)定性好，能耐多種化學(xué)品腐蝕。亞克力材料具有良好的適印性和噴涂性，采用適當(dāng)?shù)挠∷⒑蛧娡抗に嚕少x予亞克力制品理想的表面裝飾效果。亞克力材料表面光潔度好，可以“打印”出透明和半透明的產(chǎn)品，目前利用亞克力材質(zhì)，可以打印出牙齒模型用于牙齒矯正的治療。常見(jiàn)3D打印材料工程塑料尼龍是一種強(qiáng)大而靈活的工程塑料，在化學(xué)上屬于聚酰胺類(lèi)物質(zhì)，耐沖擊性大，耐磨性好，耐熱性佳，高溫使用下不易熱劣化。自然色彩為白色，但很容易上色。尼龍材料在加熱后，黏度下降比較快，因此從3D打印噴嘴噴出來(lái)時(shí)，比較容易流動(dòng)。尼龍系列很多，其中尼龍最常使用，因其具有高熔點(diǎn)，耐熱性佳，不易加熱溶解等特性，制作出來(lái)的成品在高溫下，也不易產(chǎn)生變化。常見(jiàn)3D打印材料工程塑料此外，尼龍鋁粉是SLS成型技術(shù)的常用材料。尼龍鋁粉顧名思義就是在尼龍粉末中摻雜一部分鋁粉，使打印出的成品富有金屬的光澤。當(dāng)鋁粉含量增大到50%時(shí)，制成品的熱變形溫度、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和硬度比單純尼龍燒結(jié)件分別提高了87℃、10.4%、62.1%、122.3%和70.4%。此外，燒結(jié)件的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊強(qiáng)度也隨著鋁粉平均粒徑的減小而增大。尼龍材料制品多用于汽車(chē)、家電和電子消費(fèi)品領(lǐng)域。常見(jiàn)3D打印材料光敏樹(shù)脂光敏樹(shù)脂即ultravioletrays（UV）樹(shù)脂（如圖2-25所示），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(chēng)為光敏劑）。在一定波長(zhǎng)的紫外光（250～450ｎｍ）照射下能立刻引起聚合反應(yīng)完成固化。光敏樹(shù)脂一般為液態(tài)，可用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水材料。常見(jiàn)3D打印材料光敏樹(shù)脂目前，研究光敏材料3D打印技術(shù)的主要有美國(guó)3DSystem公司和以色列object公司。常見(jiàn)的光敏樹(shù)脂有somosevolve128材料(somosevolve128是somosNEXT的升級(jí)版)、somos10122材料、somos19120和環(huán)氧樹(shù)脂。常見(jiàn)3D打印材料光敏樹(shù)脂somos10122材料看上去更像是真實(shí)透明的塑料，具有優(yōu)秀的防水和尺寸穩(wěn)定性，能提供包括ABS和PBT在內(nèi)的多種類(lèi)似工程塑料的特性，這些特性使它很適合用在汽車(chē)、醫(yī)療以及電子類(lèi)產(chǎn)品領(lǐng)域。常見(jiàn)3D打印材料光敏樹(shù)脂somos19120材料為粉紅色材質(zhì)，是一種鑄造專(zhuān)用材料。成型后可直接代替精密鑄造的蠟?zāi)ぴ停苊忾_(kāi)發(fā)模具的風(fēng)險(xiǎn)，大大縮短生產(chǎn)周期，擁有低留灰燼和高精度等特點(diǎn)。環(huán)氧樹(shù)脂是一種便于鑄造的激光快速成型樹(shù)脂，它含灰量極低（800℃時(shí)的殘留含灰量＜0.01%），可用于熔融石英和氧化鋁高溫型殼體系，而且不含重金屬銻，可用于制造極其精密的快速鑄造型模。常見(jiàn)3D打印材料橡膠類(lèi)材料橡膠類(lèi)材料具備多種級(jí)別彈性材料的特征，這些材料所具備的硬度、斷裂伸長(zhǎng)率、抗撕裂強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，使其非常適合于要求防滑或柔軟表面的應(yīng)用領(lǐng)域。3D打印的橡膠類(lèi)產(chǎn)品主要有消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備以及汽車(chē)內(nèi)飾、輪胎、墊片等。常見(jiàn)3D打印材料金屬材料近年來(lái)，3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的制造，其中，金屬材料的3D打印技術(shù)發(fā)展尤其迅速。在國(guó)防領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視3D打印技術(shù)的發(fā)展，不惜投入巨資加以研究，而3D打印金屬零部件一直是研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。常見(jiàn)3D打印材料金屬材料3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應(yīng)用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等，此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料。常見(jiàn)3D打印材料金屬材料鈦是一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，以及火箭、導(dǎo)彈和飛機(jī)的各種結(jié)構(gòu)件。鈷鉻合金是一種以鈷和鉻為主要成分的高溫合金，它的抗腐蝕性能和機(jī)械性能都非常優(yōu)異，用其制作的零部件強(qiáng)度高、耐高溫。采用3D打印技術(shù)制造的鈦合金和鈷鉻合金零部件，強(qiáng)度非常高，尺寸精確，能制作的最小尺寸可達(dá)1mm，而且其零部件機(jī)械性能優(yōu)于鍛造工藝。常見(jiàn)3D打印材料金屬材料不銹鋼以其耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等化學(xué)侵蝕性介質(zhì)腐蝕而得到廣泛應(yīng)用。不銹鋼粉末是金屬3D打印經(jīng)常使用的一類(lèi)性?xún)r(jià)比較高的金屬粉末材料。3D打印的不銹鋼模型具有較高的強(qiáng)度，而且適合打印尺寸較大的物品。常見(jiàn)3D打印材料陶瓷材料陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車(chē)、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。但由于陶瓷材料硬而脆的特點(diǎn)使其加工成型尤其困難，特別是復(fù)雜陶瓷件需通過(guò)模具來(lái)成型。模具加工成本高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足產(chǎn)品不斷更新的需求。常見(jiàn)3D打印材料陶瓷材料3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種黏結(jié)劑粉末所組成的混合物。由于黏結(jié)劑粉末的熔點(diǎn)較低，激光燒結(jié)時(shí)只是將黏結(jié)劑粉末熔化而使陶瓷粉末黏結(jié)在一起。在激光燒結(jié)之后，需要將陶瓷制品放入溫控爐中，在較高的溫度下進(jìn)行后處理。陶瓷粉末和黏結(jié)劑粉末的配比會(huì)影響陶瓷零部件的性能。常見(jiàn)3D打印材料陶瓷材料黏結(jié)劑分量越多，燒結(jié)比較容易，但在后處理過(guò)程中零件收縮比較大，會(huì)影響零件的尺寸精度。黏結(jié)劑分量少，則不易燒結(jié)成型。顆粒的表面形貌及原始尺寸對(duì)陶瓷材料的燒結(jié)性能非常重要，陶瓷顆粒越小，表面越接近球形，陶瓷層的燒結(jié)質(zhì)量越好。常見(jiàn)3D打印材料陶瓷材料陶瓷粉末在激光直接快速燒結(jié)時(shí)液相表面張力大，在快速凝固過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而形成較多微裂紋。目前，陶瓷直接快速成型工藝尚未成熟，國(guó)內(nèi)外正處于研究階段，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)商品化。常見(jiàn)3D打印材料陶瓷材料陶瓷粉末在激光直接快速燒結(jié)時(shí)液相表面張力大，在快速凝固過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而形成較多微裂紋。目前，陶瓷直接快速成型工藝尚未成熟，國(guó)內(nèi)外正處于研究階段，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)商品化。常見(jiàn)3D打印材料其他3D打印材料除了上面介紹的3D打印材料外，目前用到的還有彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等材料。彩色石膏材料是一種全彩色的3D打印材料，是基于石膏的、易碎、堅(jiān)固且色彩清晰的材料?；谠诜勰┙橘|(zhì)上逐層打印的成型原理，3D打印成品在處理完畢后，表面可能出現(xiàn)細(xì)微的顆粒效果，外觀(guān)很像巖石，在曲面表面可能出現(xiàn)細(xì)微的年輪狀紋理，因此，彩色石膏材料多應(yīng)用于動(dòng)漫玩偶等領(lǐng)域。3D打印材料的選擇那么該如何選擇3D打印材料呢？傳統(tǒng)的制造機(jī)器在切割或模具成型過(guò)程中不能輕易