3D打印原理 材料堆积法
发布时间：2013-3-11 23:59
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3D打印，在专业领域，它又有另一个名称“快速成型技术”。它出现于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术。这个并不新的技术，为何在这几年突然火起来呢？ 工业级设备走入民间 太尔时代科技有限公司的市场部经理郭峤认为，这主要得益于国外数百万元级别的工业级3D打印设备，在这几年，转变为桌面级的设备。有些3D打印“神器”售价在1500美元以内，甚至更低，一时间受到DIY爱好者追捧，他们充分发挥自己的才智，打印出各种极具创意的3D物品，再加上网络的发达，所以就在过去的两年间，关于3D打印机，许多“魔幻现实主义”般的新闻突现在人们眼前。 2011年3月，英国一名科学家设计出一款自行车，并用打印机一次成型地打印出车轮、轴承和车轴，更重要的是它可以骑，而且其坚固程度与钢铝材料不相上下；几乎与此同时，美国康奈尔大学一位教授带领他的学生，在实验室里用一台打印机，打印出一块有草莓酱的巧克力蛋糕；2011年9月，世界首辆3D打印机制造的汽车现身加拿大温尼伯市…… 另外，还有一个值得注意的原因，就是国际上的影响。美国为了实现“制造业回流”，2011年6月，奥巴马宣布一项新政策，并向3D打印产业支出5亿美元以提升美国在制造业上的领先地位；2013年2月，奥巴马在国情咨文演讲中表示，将建设一个包含15个制造创新中心的全国性网络，希望专注于3D打印和基因图谱等各种新兴技术。 原理：类似蚕的吐丝结茧 对于3D打印机的工作原理，郭峤打了一个形象的比喻：蚕吐出很细的丝，一层一层把自己包裹起来，就形成了一个“立体”的茧。虽然目前材料和工艺不一样，但3D打印的基本原理都是根据要打印的物体形状，通过一层层地堆积而成。比如塑料材质，就是将塑料加热后，形成塑料丝，然后将塑料丝一层一层地堆起来，就形成了三维物品；还有一种是用激光照射光敏树脂或者金属粉末，形成固体后堆积起来变成三维物品。 不管是哪种材料，都是一层一层往上加材料，而不是像传统制作工艺“车、洗、磨”那样把原料削去。“3D打印是增加你需要的部分，传统制作工艺是减掉你不需要的部分，这是两种不同的方法论。” 在北京3D照相馆隔壁的北京上拓科技有限公司，记者也看到了各种不同打印工艺的机器，该公司市场营销总监邵先生介绍道，由于具体堆叠的形式有多种多样，因此产生了多种3D打印工艺，每种工艺能够打印的材料类型也不相同，如常见的有SLA(激光固化光敏树脂成型)、FDM(熔融挤压堆积成型)、3DP(三维喷涂黏结成型)、SLS(选择性激光烧结成型)、Ployjet(喷墨成型)等，“而这五种主流的3D打印工艺我们这里都有。” 另外，目前3D打印机可打印的材料主要有石膏、尼龙、ABS塑料、PC、树脂、金属、陶瓷等，这些原材料都是专门针对3D打印而研发的新材料，并不是普通意义的石膏、塑料、树脂，而原材料的形态一般有粉末状、丝状、液体状等。 3Done.cn的站长小彦指出，不同的技术有着不同的优势，同样适合于不同的领域。FDM系统构造原理和操作简单，因此也是目前民用市场常用的一种3D成型技术；SLA所用的原料是光敏树脂，这种原料遇光就凝固，特点就是成型速度快，精度非常高，做出来的东西表面很光滑，但是这种设备对操作要求非常苛刻，不适合家用；SLS所用的原料金属粉末和陶瓷粉末，属于比较高端的技术，除了本身的设备成本，还需要很多辅助保护工艺，制造和维护成本非常高，一般适合大型制造业。 北京3D照相馆里打印彩色立体模型，则采用的是3DP技术，它是在色彩外观方面，打印产品最接近成品的3D打印技术，而3D照相馆使用的也是3DP技术的典型设备：3DS旗下的ZPrinter 650，最大可以输出39万色，色彩方面非常丰富。 打印带球的哨子只需40分钟 郭峤认为，3D打印最主要的应用就是快速把产品推向市场。传统制作方式下，拿到设计后，要先建模具，再做实体，周期都是以天计算，而且还不包括模具建错了或者不适合客户要求等状况。而3D打印，不管模型多复杂，它所花的时间，是以小时计算的，比传统的方式还是快得多。设计的产品打印出来后，还能快速验证外观、功能，这样就能缩短产品研发周期。 利威尔(香港)有限公司(句容利威尔电器有限公司)的魏宏辉认为，3D打印机还可以实现常规工艺实现不了的一些结构零件。“只要三维设计软件能设计出来的，打印机都可以打印出来，根本不需要进行常规制造工艺的考虑”。比如传统工艺中的实心部分无法做成空心，但是3D打印机就可以通过设置，将里面做成空心，直接打印出来，还能节省很多材料。 他用自己的设备验证了这个优势：他用3D打印机打印过一个带球的哨子，按照常规的工艺，哨子应该分为几步，先做外壳，再把球放进去，然后把外壳合起来，最后封起来。哨子要想做得好看，吹得响亮，不仅要花上数天的工夫，还要有很好的手工活才行，而通过3D打印机，只花了40分钟左右，就做成一个哨子，更重要的是，哨子里面的球还在。 对于3D打印机的工作效率，上拓科技的邵先生认为，在没有3D数据之前无法准确界定所需要的时间，3D打印的时间取决于3D数据的体积和所选择的打印工艺。同样一个10厘米高的物件，如果是空心的，那么会比实心的更快完成打印，如果选择3DP工艺，会比使用FDM工艺更快完成打印制作。“但毫无疑问，在小批量生产上，它肯定比传统工艺制造速度要快得多。”上图的花瓶，打印出来仅花了6个小时。 主要用于批量生产之前 由于各种原因，目前，3D打印技术在工业领域的应用主要还是在产品研发过程中的设计验证，与传统工艺相结合是当前最多的形式。如在进行批量生产之前，设计出产品，通过3D打印，打印出样品，进行评估，及时发现产品设计中存在的问题，并对设计的样品进行功能测试等，甚至还包括用3D打印技术进行模具制造，如打印出真空铸造件和熔模铸造件的母模、注塑模等。 这似乎与那些能够打印飞机零件、巧克力甚至打印汽车的3D打印技术有着较大的区别。魏宏辉认为，这源于3D打印机自身的局限性，“目前的3D打印机，精度直接达到模具成型出来的那种程度，打印机的价格都非常昂贵。民用级的价格低，但是精度不够。另外，不同的材质需要不同的3D打印机，也就是说，暂时没有一种打印机能通吃所有材料。” 但是，这些都没有阻止他们对于3D打印技术的憧憬和向往，正如邵先生所说，“我相信随着3D打印技术的发展，将会有越来越多的新工艺、新材料、新装备的出现，3D打印也将能更好地满足用户的所有个性定制需求，而在工业领域则更好地实现设计到产品的直接制造。”而一旦到了那个时候，魏宏辉说“宅男也可以在家开工厂”；郭峤说，如果车里的一个零件坏了，厂家就会把这个零件的3D数据发给离你最近的打印点，直接打印出零件来安装上去。（北京晚报） |
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