全面解讀3D印刷過程與材料

時間：2013-05-08 17:59:43 來源：上海印刷
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    3D 打印機及其工作原理淺談
 
　  3D 打印是添加劑制造技術的一種形式，在添加劑制造技術中三維對象是通過連續(xù)的物理層創(chuàng)建出來的。3D 打印機相對于其他的添加劑制造技術而言，具有速度快，價格便宜，高易用性等優(yōu)點。3D 打印機就是可以“打印”出真實3D 物體的一種設備，功能上與激光成型技術一樣，采用分層加工、迭加成形，即通過逐層增加材料來生成 3D 實體，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術完全不同。稱之為“打印機”是參照了其技術原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。3D 打印技術在珠寶首飾、 鞋類、工業(yè)設計、建筑、汽車、航天、牙科及醫(yī)療方面都能得到廣泛的應用。
 
　  打印步驟
 
　  每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用。打印耗材由傳統(tǒng)的墨水、紙張轉變?yōu)槟z水、粉末，當然膠水和粉末都是經(jīng)過處理的特殊材料，不僅對固化反應速度有要求，對于模型強度以及“打印”分辨率都有直接影響。
 
　  技術水平
 
　  目前的 3D 打印技術能夠實現(xiàn) 600dpi 分辨率，每層厚度只有 0.01 毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。當然受到噴打印原理的限制，打印速度勢必不會很快，目前較先進的產(chǎn)品可以實現(xiàn)每小時 25 毫米高度的垂直速率，相比早期產(chǎn)品有 10 倍提升，而且可以利用有色膠水實現(xiàn)彩色打印，色彩深度高達 24 位。由于打印精度高，打印出的模型品質自然不錯。除了可以表現(xiàn)出外形曲線上的設計，結構以及運動部件也不在話下。
 
　  如果用來打印機械裝配圖，齒輪、軸承、拉桿等都可以正�；顒�，而腔體、溝槽等形態(tài)特征位置準確，甚至可以滿足裝配要求，打印出的實體還可通過打磨、鉆孔、電鍍等方式進一步加工。同時粉末材料不限于砂型材料，還有彈性伸縮、高性能復合、熔模鑄造等其它材料可供選擇。不過，雖然 3D 打印機價格在不斷降低，很多廠商、設計院、大學等都開始或準備配備，但產(chǎn)品價格依然較高。3D Systems 推出的新款 InVision LD 入門級桌面型產(chǎn)品價格為 1.59 萬美元，而 Z Corporation 出品的中端型號 Z510 要價 10 萬美元。好在 3D 打印機的耗材成本并不夸張，例如打印手機模型，大概花費 20 美元材料費，比起其它成型技術成本要低得多。
 
　  印刷材料
 
　  3D打印所用到的印刷油墨類型極廣，甚至可利用3D打印機打印出一個和自己笑臉一模一樣的巧克力：首先，通過3D建模軟件，如123D或者Photofly，將iPhone或普通卡片機中的照片轉換成3D圖像數(shù)據(jù)，上傳到電腦后，就擁有了自己的三維設計圖。“油墨”則是液態(tài)巧克力，把巧克力融化后，裝進打印機中的儲存器，按下“打印”鍵，打印機就會根據(jù)圖像數(shù)據(jù)把液態(tài)巧克力一層層堆疊成你的笑臉形狀。每層巧克力打印出來后，必須經(jīng)過凝固才開始下一層打印，加裝保溫和冷卻系統(tǒng)即可保證巧克力的粘稠度和溫度。
 
　  在原材料領域，Xerox PARC公司還正在研發(fā)傳感器、晶體管等電子產(chǎn)品的打印材料，一旦成功，將意味著消費者可以自行設計打印手機或者MP3等。應用軟件領域，工程師和程序員不時共享代碼和設計，越來越多免費開源軟件的出現(xiàn)，降低了3D打印的設計成本，如123D、OpenSCAD、Tinkercard等。
 
　  3D印刷優(yōu)勢
 
　  相比傳統(tǒng)制造工藝，3D打印技術有兩個優(yōu)點，一是節(jié)省原材料和人工。由于采用“添加制造技術”，它的用料只有原來的1/3到1/2，打印速度卻快4倍。同時因省卻生產(chǎn)線和一部分組裝過程，可降低人工成本。第二個優(yōu)點是可以制作形態(tài)各異的物品。理論上，只要電腦可以設計出的造型，3D打印機都可以打印出來，2011年在加拿大展出的3D打印汽車Urbee，即以其時尚前衛(wèi)的流線型外觀吸引了眾多關注。
 
　  3D打印技術的局限主要體現(xiàn)在材料上，目前打印材料主要是塑料、樹脂和金屬，骨骼等有機原料的研究也正在進行并有了初步成果。受材料限制，3D打印最初的應用局限在建模和工業(yè)設計領域。但如今，3D打印技術逐漸開始被用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)。它適用于小批量加工，由于不需要模具，對產(chǎn)品的修改不會增加額外成本，只需修改設計圖即可。這也意味著，小批量個性化定制的成本被降低。未來，定制個性化的家具、食品、工藝品等商品將變得更加劃算。
 
　  三年前尚處于技術前沿的3D打印如今已成制造業(yè)中的新興戰(zhàn)略領域。2012年8月，美國總統(tǒng)奧巴馬撥款3000萬美元，在俄亥俄州建立了國家級3D打印添加劑工業(yè)研究中心，并計劃第一步投入5億美元用于3D打印，以確保美國制造業(yè)不繼續(xù)轉移到中國和印度。長期跟蹤3D打印行業(yè)的咨詢公司W(wǎng)ohlers Associates表示，2011年，3D打印機的市場規(guī)模為17億美元左右，到2015年該市場將達37億美元。
 
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