3D打印機原理、技術(shù)、激光3d打印機、金屬3D打印機、中國3D打印機

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1、3D 打印機入門 什么是 3D 打印機 3D 打印機英文 “ 3DPrinters ，”3D 打印機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。其實在專業(yè)領域他有另一個名稱 “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世紀 80 年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，被認為是近 20年來 制造領域的一個重大成果。它集機械工程、 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、激光技術(shù)于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸?定功能

2、的原型或直接制造零件， 從而為零件原型制作、 新設計思想的校驗等方面提供了一種 高效低成本的實現(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， 將一層層的材料堆積成實體原型。 RPM 技術(shù)是在現(xiàn)代 CAD/CAM 技術(shù)、 激光技術(shù)、 計算機數(shù)控技術(shù)、 精密伺服驅(qū)動技術(shù) 以及新材料技術(shù)的基礎上集成發(fā)展起來的。不同種類的快速成型系統(tǒng)因所用成形材料不同， 成形原理和系統(tǒng)特點也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是 " 分層制造，逐層 疊加 "， 類似于數(shù)學上的積分過程。形象地講，快速成形系統(tǒng)就像是一臺 "立體打印機 "，因 此得名“ 3D打印機” 3D 打印機的原理

3、 3D 打印機可以根據(jù)零件的形狀，每次制做一個具有一定微小厚度和特定形狀的截面， 然后再把它們逐層粘結(jié)起來，就得到了所需制造的立體的零件。 每個截面數(shù)據(jù)相當于醫(yī)學上的一張 CT 像片；整個制造過程可以比喻為一個 "積分 "的 過程。 當然，整個過程是在電腦的控制下，由 3D 打印機系統(tǒng)自動完成的。不同公司制造的 3D 打印機所用的成形材料不同，系統(tǒng)的工作原理也有所區(qū)別，但其基本原理都是一樣的， 那就是 "分層制造、逐層疊加 "。這種工藝可以形象地叫做 "增長法 "或"加法 " 。 3D 打印機的制作過程我們舉個例子： 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 3

4、D 軟件制作出一個蘋果的 3D 模型文件，然后把它轉(zhuǎn)換成 3D 打印機支持 的文件格式。接下來需要給 3D 打印機放入塑料耗材，現(xiàn)在 3D 打印機就可以制作了。這個 過程是不是像我們的平面打印機的操作呀！好下面說重點。 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)打印機的技術(shù)指標它所支持的 “層厚 ”來決定。）也就是我們上面說的截面圖。最先開 始制作的是蘋果模型的最底部的那一個截面， 也就是蘋果最底部的一層， 這時候系統(tǒng)會控制 激光器 （或噴嘴） 在這一層截面圖的范圍燒結(jié)原料 （或擠出原料 —— 不同的打印機技術(shù)制作 方式也有區(qū)別這個下面我們會提到）

5、 ，這一層做好后是第二層依此類推。這樣這個塑料蘋果 就一層層的 “生長 ”出來了。 3D 打印機的技術(shù) 現(xiàn)在市面上已經(jīng)有十幾種不同的 3D 打印機的技術(shù)， 其中比較成熟的有 UV 、SLA 、SLS、 LOM 和 FDM 等方法。我們將在下面介紹 4 種目前使用比較廣泛的技術(shù)： SLA 技術(shù) 3D 打印機的原理 SLA是"Stereo lithography Appearanee"的縮寫，即立體光固化成型法。 用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料表面， 使之由點到線， 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

6、層疊加構(gòu)成一個三維實體。 SLA 是最早實用化的快速成形技術(shù)，采用液態(tài)光敏樹脂原料，工藝原理如圖所示。其 工藝過程是，首先通過 CAD 設計出三維實體模型，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M行切片處理，設 計掃描路徑， 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將精確控制激光掃描器和升降臺的運動； 激光光束通過數(shù)控裝置控 制的掃描器，按設計的掃描路徑 照射到液態(tài)光敏樹脂表面 ， 使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層樹 脂固化后， 當一層加工完畢后，就生成零件的一個截面；然后 升降臺下降一定距離， 固 化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂，再進行第二層掃描，第二固化層牢固地粘結(jié)在前一固化層上， 這樣一層層疊加而成三維工件原型。將原型從樹脂中取出后，進行最終固化，再

7、經(jīng)打光、 電 鍍、噴漆或著色處理即得到要求的產(chǎn)品。 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模。 SLA 技術(shù)成形速度較快，精度較高，但由于樹脂固化 過程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會產(chǎn)生應力或引起形變。因此開發(fā)收縮小、固化快、強度高的 光敏材料是其發(fā)展趨勢。 SLA 技術(shù)的優(yōu)勢 1. 光固化成型法是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，成熟度高，經(jīng)過時間的檢驗。 2. 由 CAD 數(shù)字模型直接制成原型，加工速度快，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，無需切削工具與模具。 3. 可以加工結(jié)構(gòu)外形復雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具。 4

8、. 使 CAD 數(shù)字模型直觀化，降低錯誤修復的成本。 5. 為實驗提供試樣，可以對計算機仿真計算的結(jié)果進行驗證與校核。 6. 可聯(lián)機操作，可遠程控制，利于生產(chǎn)的自動化。 SLA 技術(shù)的缺陷 1.SLA 系統(tǒng)造價高昂，使用和維護成本過高。 2.SLA 系統(tǒng)是要對液體進行操作的精密設備，對工作環(huán)境要求苛刻。 3. 成型件多為樹脂類，強度，剛度，耐熱性有限，不利于長時間保存。 4. 預處理軟件與驅(qū)動軟件運算量大，與加工效果關聯(lián)性太高。 5. 軟件系統(tǒng)操作復雜，入門困難；使用的文件格式不為廣大設計人員熟悉。 6. 立體光固化成型技術(shù)被單一公司所壟斷。 總結(jié)： SLA 的發(fā)展趨勢與前

9、景 立體光固化成型法的的發(fā)展趨勢是高速化，節(jié)能環(huán)保與微型化。 不斷提高的加工精度使之有最先可能在生物，醫(yī)藥，微電子等領域大有作為。 SLS 技術(shù) 3D 打印機的原理 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公司于1992年推出了該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設備 Sinter Sation。幾十年來，奧斯 汀分校和 DTM 公司在 SLS 領域做了大量的研究工作， 在設備研制和工藝、 材料開發(fā)上取得 了豐碩成果。德國的 EOS公司

10、在這一領域也做了很多研究工作，并開發(fā)了相應的系列成型 設備。 國內(nèi)也有多家單位進行 SLS 的相關研究工作，如華中科技大學、南京航空航天大學、 西北工業(yè)大學、 中北大學和北京隆源自動成型有限公司等， 也取得了許多重大成果， 如南京 航空航天大學研制的 RAP-I 型激光燒結(jié)快速成型系統(tǒng)、北京隆源自動成型有限公司開發(fā) 的 AFS 一 300 激光快速成型的商品化設備。 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 模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié) 以及后處理等。 SLS 技術(shù) 3D 打印機的工作原理。 整

11、個工藝裝置由粉末缸和成型缸組成，工作時粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由鋪粉 輥將粉末在成型缸活塞 （工作活塞） 上均勻鋪上一層， 計算機根據(jù)原型的切片模型控制激光 束的二維掃描軌跡，有選擇地燒結(jié)固體粉末材料以形成零件的一個層面。粉末完成一層后， 工作活塞下降一個層厚，鋪粉系統(tǒng)鋪上新粉?？刂萍す馐賿呙锜Y(jié)新層。如此循環(huán)往復， 層層疊加，直到三維零件成型。最后，將未燒結(jié)的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。 對 于金屬粉末激光燒結(jié)， 在燒結(jié)之前， 整個工作臺被加熱至一定溫度， 可減少成型中的熱變形， 并利于層與層之間的結(jié)合。 SLS 技術(shù)的特點 與其它 3D 打印機技術(shù)相比， SLS 最突出的

12、優(yōu)點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 無需設計和制造復雜的支撐系統(tǒng)，所以 SLS的應用越來越廣泛。 總結(jié)： SLS 技術(shù) 3D 打印機技術(shù)中，金屬粉末 SLS 技術(shù)是近年來人們研究的一個熱點。實現(xiàn)使用高熔 點金屬直接燒結(jié)成型零件， 對用傳統(tǒng)切削加工方法難以制造出高強度零件， 對快速成型技術(shù) 更廣泛的應用具有特別重要的意義。 展望未

13、來，SLS形技術(shù)在金屬材料領域中研究方向應該 是單元體系金屬零件燒結(jié)成型， 多元合金材料零件的燒結(jié)成型， 先進金屬材料如金屬納米材料，非晶態(tài)金屬合金等的激光燒結(jié)成型等， 尤其適合于硬質(zhì)合金材料微型元件的成型。 此外， 根據(jù)零件的具體功能及經(jīng)濟要求來燒結(jié)形成具有功能梯度和結(jié)構(gòu)梯度的零件。我們相信， 隨 著人們對激光燒結(jié)金屬粉末成型機理的掌握， 對各種金屬材料最佳燒結(jié)參數(shù)的獲得， 以及專 用的快速成型材料的出現(xiàn)， SLS 技術(shù)的研究和引用必將進入一個新的境界。 LOM 技術(shù) 3D 打印機的原理 分層實體制造法（ LOM—— Laminated Object Manufacturing ），

14、 LOM 又稱層疊法成形， 它以片材（如紙片、塑料薄膜或復合材料）為原材料，其成形原理如圖所示，激光切割系統(tǒng) 按照計算機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，然后再進行切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維工件。 LOM 常用材料是紙、 金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結(jié)構(gòu)件或 功能件。 Lom 技術(shù)的特點 該技術(shù)的特點是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點是前、后處理費時 費力，且不能制造中空結(jié)構(gòu)件。 成形材料：涂

15、敷有熱敏膠的纖維紙； 制件性能：相當于高級木材； 主要用途：快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。 FDM 技術(shù) 3D 打印機的原理 熔積成型（ FDM—— Fused DepositionModeling ）法，該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、 塑料、低熔點合金絲）為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度（約比熔點高 1C）,在計算機的控制下，噴頭作 x-y平面運動，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，進行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成 三維工件。 FDM 技術(shù)的特點 該技術(shù)污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。下圖為

16、FDM 成形原理圖。 成形材料：固體絲狀工程塑料； 制件性能：相當于工程塑料或蠟模； 主要用途：塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。 Ps：目前國內(nèi)常見的個人級 3D打印機多用此技術(shù) 除了上述 4 種最為熟悉的技術(shù)外， 還有許多技術(shù)也已經(jīng)實用化， 如三維打印技術(shù)、 光屏 蔽工藝、直接殼法、直接燒結(jié)技術(shù)、全息干涉制造等這里就不做詳細介紹。 （其實是我也不 太了解了。嘻嘻） 能使產(chǎn)品設計和 l 3D 打印機技術(shù)的優(yōu)點 制造快速 3D 打印機技術(shù)是并行工程中進行復雜原型或者零件制造的有效手段， 模具生產(chǎn)同步進行， 從而提高企業(yè)研發(fā)效率， 縮短產(chǎn)品設計周期， 極大的降低了新品開發(fā)的 成本及

17、風險，對于外形尺寸較小，異形的產(chǎn)品尤其適用。 CAD/CAM 技術(shù)的集成 設計制造一體化一直來說是現(xiàn)在的一個難點， 計算機輔助工藝 （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)信息化一直以來的難點之一， 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 設計制造一體化的概念完美實現(xiàn)。 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， 都可以真實準確的完成造型， 基本上不再需要再借助外部設備進行修復。 材料種類繁多 到目前為止，各類 3D

18、打印機設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)品對材料的機械性能需求。 創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益 與傳統(tǒng)機械加工方式比較， 開發(fā)成本上節(jié)約 10 倍以上， 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)反復修改設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)濟效益是顯而易見的。 應用行業(yè)領域廣 3D 打印機技術(shù)經(jīng)過這些年的發(fā)展， 技術(shù)上已基本上形成了一套體系， 同樣， 可應用的 行業(yè)也逐漸擴大，從產(chǎn)品設計到模具設計與制造，材料工程、醫(yī)學研究、文化藝術(shù)、建筑工 程等等都逐漸的使用 3D 打印

19、機技術(shù)，使得 3D 打印機技術(shù)有著廣闊的前景。 l 3D 打印機技術(shù)的市場應用 不斷提高 3D 打印技術(shù)的應用水平是推動這項技術(shù)發(fā)展的重點。 目前， 3D 打印技術(shù)已在工業(yè)造型、機械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、 輕工、醫(yī)學、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領域都得到了廣泛應用。并且隨著這一技術(shù)本 身的發(fā)展，其應用領域?qū)⒉粩嗤卣埂?3D 打印技術(shù)的實際應用主要集中在以下幾個方面： 產(chǎn)品設計領域 在新產(chǎn)品造型設計過程中的應用 3D 打印技術(shù)為工業(yè)產(chǎn)品的設計開發(fā)人員建立了一種 嶄新的產(chǎn)品開發(fā)模式。運用 3D 打印技術(shù)能夠快速、直接、精確地將設計思想轉(zhuǎn)化為具有一 定功能的實物模型 （樣件

20、 ），這不僅縮短了開發(fā)周期，而且降低了開發(fā)費用，也使企業(yè)在激烈 的市場競爭中占有先機。 建筑設計領域 建筑模型的傳統(tǒng)制作方式，漸漸無法滿足高端設計項目的要求。全數(shù)字還原不失真的 立體展示和風洞及相關測試的標準， 現(xiàn)如今眾多設計機構(gòu)的大型設施或場館都利用 3D 打印 技術(shù)先期構(gòu)建精確建筑模型來進行效果展示與相關測試， 3D 打印技術(shù)所發(fā)揮的優(yōu)勢和無可 比擬的逼真效果為設計師所認同。 機械制造領域 由于 3D 打印技術(shù)自身的特點，使得其在機械制造領域內(nèi)，獲得廣泛的應用，多用于 制造單件、小批量金屬零件的制造。有些特殊復雜制件，由于只需單件生產(chǎn)，或少于 50 件 的小批量，一般均可用 3D 打

21、印技術(shù)直接進行成型，成本低，周期短。 模具制造領域 例如玩具制作等傳統(tǒng)的模具制造領域，往往模具生產(chǎn)時間長，成本高。將 3D 打印技 術(shù)與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相結(jié)合， 可以大大縮短模具制造的開發(fā)周期， 提高生產(chǎn)率， 是解決 模具設計與制造薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑。 3D 打印技術(shù)在模具制造方面的應用可分為直接制模 和間接制模兩種，直接制模是指采用 3D 打印技術(shù)直接堆積制造出模具，間接制模是先制出 快速成型零件，再由零件復制得到所需要的模具。 醫(yī)學領域 在醫(yī)學領域的應用近幾年來，人們對 3D 打印技術(shù)在醫(yī)學領域的應用研究較多。以醫(yī) 學影像數(shù)據(jù)為基礎，利用 3D 打印技術(shù)制作人體器官模型，對外科手

22、術(shù)有極大的應用價值。 文化藝術(shù)領域 在文化藝術(shù)領域的應用， 3D 打印技術(shù)多用于藝術(shù)創(chuàng)作、文物復制、數(shù)字雕塑等。 航天技術(shù)領域 在航空航天領域中，空氣動力學地面模擬實驗 （ 即風洞實驗 ）是設計性能先進的天地往 返系統(tǒng) （即航天飛機 ）所必不可少的重要環(huán)節(jié)。該實驗中所用的模型形狀復雜、精度要求高、 又具有流線型特性，采用 3D 打印技術(shù)，根據(jù) CAD 模型，由 3D 打印設備自動完成實體模 型，能夠很好的保證模型質(zhì)量。 家電領域 3D 打印技術(shù)在國內(nèi)的家電行業(yè)上得到了很大程度的普及與應用， 使許多家電企業(yè)走在 了國內(nèi)前列。如：廣東的美的、華寶、科龍；江蘇的春蘭、小天鵝；青島的海爾等，

23、都先后 采用 3D 打印技術(shù)來開發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的效果。 3D 打印技術(shù)的應用很廣泛，可以相信，隨著 3D 打印技術(shù)的不斷成熟和完善，它將會 在越來越多的領域得到推廣和應用。 l 3D 打印機常見問題解答 （問題是我自己想的， 自問自答。 如果您有什么問題需要解答的可以登陸我的網(wǎng)站進行提問） 3D 打印機是萬能的嗎？ 答：至少目前 3D 打印機并不是萬能的，它的生產(chǎn)制品受到原料耗材的制約，如果材 料學有突破的話它會更加完美。 3D 打印機會取代傳統(tǒng)制造嗎？ 答：目前看來不會，它可以改變傳統(tǒng)制作過程中某些環(huán)節(jié)，使其更高效更節(jié)省成本。 3D 打印機能打印能直接打印出彩色嗎？ 答

24、：專業(yè)級和生產(chǎn)級的 3D 打印機很多已經(jīng)能夠直接打印出有顏色的物品了，本人所 知道的某些 3D 打印機能支持 390,000 色的打印了。個人級的 3D 打印機可以通過選擇有色原料也可以制作單色的物品。 為什么3D打印機有幾千塊的也有幾十萬的？ 答：3D打印機產(chǎn)品針對的市場不同分為個人級、專業(yè)級、生產(chǎn)級，結(jié)構(gòu)和采用技術(shù)、 耗材各不相同，所以價格差距很大。 什么是開源3D打印機？ 答：開源是只某公司設計出一個產(chǎn)品，這個產(chǎn)品的核心技術(shù)對外免費開放，允許二次 開發(fā)不存在技術(shù)專利。 開源3D打印機對這個行業(yè)的發(fā)展帶來很大的幫助，通過愛好者對開源 3D打印機的 DIY研究，能使3D打印機技

25、術(shù)更成熟，設備成本更低。 如購買3D打印機需要注意那些產(chǎn)品參數(shù)？ 答：1打印技術(shù)：不同的打印技術(shù)直接影響到你能使用的耗材，從而決定了你的產(chǎn)品 品質(zhì)。 2托盤尺寸：能制作多大的物件就要看這個托盤尺寸，一般來說最大支持的物件尺寸 稍略小于托盤尺寸。 3成型速度：3D打印機制作的快慢就看這個指標。 4細節(jié)精度：3D打印機制作的物品是否精細除了設計 3D模型以外這個指標也很關鍵。 （可以通過3D打印機的層厚和壁厚指標來參考） 5支持的耗材：不同的材料直接影響你制作出物品的質(zhì)量，同時不同的耗材原料價格 也差距很大。 深圳市普立得科技有限公司 銷售工程師：李海軍 手機：13189742198 郵件：navy@ 電話：0755-82953613 傳真：0755-82953713 網(wǎng)址:.tw http://www.3dpt.c n 地址：深圳市福田區(qū)車公廟安華工業(yè)區(qū)4棟3樓 銷售美國Stratasys 三維打印機，以色列Objet3D 打印機， 提供3D打印服務。 rrtgjo lAPrint^ URH SE 3D-Pirt < i Emm 和3Q Prirflei s Ffilllft 3D Pl MUBdXH *1輻1幡