3D打印技術(shù)介紹及分析

3D打印技術(shù)介紹及分析1、概念3D打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(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)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。這打印技術(shù)稱為3D立體打印技術(shù)。光固化概念解釋指單體、低聚體或聚合體基質(zhì)在光誘導(dǎo)下的固話過程。光固化一般用于成膜過程。光譜中能量最高的紫外光產(chǎn)生的活化能，能夠使不飽和聚酯樹脂的碳碳鍵斷裂，產(chǎn)生自由基從而使樹脂固化。當(dāng)不飽和聚酯樹脂中加入光敏劑后，用紫外線或可見光作能源引發(fā)，能使樹脂很快發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。光固化技術(shù)介紹光固化技術(shù)是一項(xiàng)節(jié)能和清潔環(huán)保型技術(shù)，它節(jié)約能源—能耗僅為傳統(tǒng)汞燈的十分之一，且不含溶劑、對生態(tài)環(huán)境有保護(hù)作用，不會向大氣排放毒氣和二氧化碳，故被譽(yù)為“綠色技術(shù)”。光固化技術(shù)是通過一定波長的紫外光照射，使液態(tài)的環(huán)氧丙烯酸樹脂高速聚合而成固態(tài)的一種光加工工藝，光固化反應(yīng)本質(zhì)上是光引發(fā)的聚合、交聯(lián)反應(yīng)。光固化涂料是光固化技術(shù)在工業(yè)上大規(guī)模成功應(yīng)用的最早范例，也是目前光固化產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)銷量最大的產(chǎn)品，規(guī)模遠(yuǎn)大于光固化油墨和光固化膠黏劑，而環(huán)氧丙烯酸是主要的光固化涂料。2、原理技術(shù)日常生活中使用的普通打印機(jī)可以打印電腦設(shè)計的平面物品，而所謂的3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料，打印機(jī)與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。通俗地說，3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備，比如打印一個機(jī)器人、打印玩具車，打印各種模型，甚至是食物等等。之所以通俗地稱其為“打印機(jī)”是參照了普通打印機(jī)的技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^程與噴墨打印十分相似。這項(xiàng)打印技術(shù)稱為3D立體打印技術(shù)。3D打印存在著許多不同的技術(shù)。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構(gòu)建創(chuàng)建部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。類型累積技術(shù)基本材料擠壓熔融沉積式(FDM）熱塑性塑料，共晶系統(tǒng)金屬、可食用材料線電子束自由成形制造(EBF)幾乎任何合金粒狀直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）幾乎任何合金電子束熔化成型（EBM）鈦合金選擇性激光熔化成型(SLM)鈦合金，鈷鉻合金，不銹鋼，鋁選擇性熱燒結(jié)（SHS）熱塑性粉末選擇性激光燒結(jié)（SLS）熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末粉末層噴頭3D打印石膏3D打印(PP)石膏層壓分層實(shí)體制造（LOM）紙、金屬膜、塑料薄膜光聚合立體平板印刷（SLA）光硬化樹脂數(shù)字光處理(DLP)光硬化樹脂3、打印過程（1）三維設(shè)計三維打印的設(shè)計過程是：先通過計算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。設(shè)計軟件和打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一種通過掃描產(chǎn)生的三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經(jīng)常被用作全彩打印的輸入文件。（2）切片處理打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實(shí)體。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。打印機(jī)打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機(jī)如ObjetConnex系列還有三維Systems'ProJet系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機(jī)相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。用傳統(tǒng)方法制造出一個模型通常需要數(shù)小時到數(shù)天，根據(jù)模型的尺寸以及復(fù)雜程度而定。而用三維打印的技術(shù)則可以將時間縮短為數(shù)個小時，當(dāng)然其是由打印機(jī)的性能以及模型的尺寸和復(fù)雜程度而定的。傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術(shù)則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對較少的產(chǎn)品。一個桌面尺寸的三維打印機(jī)就可以滿足設(shè)計者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。（3）完成打印三維打印機(jī)的分辨率對大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再稍微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技術(shù)可以同時使用多種材料進(jìn)行打印。有些技術(shù)在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。4、應(yīng)用（1）海軍艦艇2014年7月1日，美國海軍試驗(yàn)了利用3D打印等先進(jìn)制造技術(shù)快速制造艦艇零件，希望借此提升執(zhí)行任務(wù)速度并降低成本。2014年6月24日至6月26日，美海軍在作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)活動中舉辦了第一屆制匯節(jié)，開展了一系列“打印艦艇”研討會，并在此期間向水手及其他相關(guān)人員介紹了3D打印及增材制造技術(shù)。（2）航天科技2014年9月底，NASA預(yù)計將完成首臺成像望遠(yuǎn)鏡，所有元件基本全部通過3D打印技術(shù)制造。NASA也因此成為首家嘗試使用3D打印技術(shù)制造整臺儀器的單位。

2014年10月11日，英國一個發(fā)燒友團(tuán)隊(duì)用3D打印技術(shù)制出了一枚火箭，他們還準(zhǔn)備讓這個世界上第一個打印出來的火箭升空。（3）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3D打印頭蓋骨3D打印脊椎植入人體2014年8月，北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功地為一名12歲男孩植入了3D打印脊椎，這屬全球首例。3D打印手掌治療殘疾3D打印心臟救活2周大先心病嬰兒（4）房屋建筑2014年8月，10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)交付使用，作為當(dāng)?shù)貏舆w工程的辦公用房。（5）汽車行業(yè)世界第一臺3D打印車已經(jīng)問世——這輛由美國LocalMotors公司設(shè)計制造、名叫“Strati”的小巧兩座家用汽車開啟了汽車行業(yè)新篇章。這款創(chuàng)新產(chǎn)品在為期六天的2014美國芝加哥國際制造技術(shù)展覽會上公開亮相。5、3D打印機(jī)的發(fā)展瓶頸（1）價格因素大多數(shù)桌面級3D打印機(jī)的售價在2萬元人民幣左右，一些國內(nèi)的仿制品價格可以低到6000元。但是據(jù)3D打印機(jī)代理商透露，國產(chǎn)的3D打印機(jī)雖然價格低，但質(zhì)量很難保障。對于桌面級3D打印機(jī)來說，由于僅能打印塑料產(chǎn)品，因此使用范圍非常有限，而且對于家庭用戶來說，3D打印機(jī)的使用成本仍然很高。因?yàn)樵诖蛴∫粋€物品之前，人們必須會懂得3D建模，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)能夠讀取的格式，最后再進(jìn)行打印。（2）原材料3D打印不是一項(xiàng)高深艱難的技術(shù)。它與普通打印的區(qū)別就在于打印材料。以色列的Object是掌握最多打印材料的公司。它已經(jīng)可以使用14種基本材料并在此基礎(chǔ)上混搭出107種材料，兩種材料的混搭使用、上色也已經(jīng)是現(xiàn)實(shí)。但是，這些材料種類與人們生活的大千世界里的材料相比，還相差甚遠(yuǎn)。不僅如此，這些材料的價格便宜的幾百元一公斤，最貴的要四萬元左右。（3）社會風(fēng)險成本如同核反應(yīng)既能發(fā)電，又能破壞一樣。3D打印技術(shù)在初期就讓人們看到了一系列隱憂，而未來的發(fā)展也會令不少人擔(dān)心。如果什么都能徹底復(fù)制，想到什么就能制造出什么，聽上去很美的同時，也著實(shí)讓人恐懼。（4）著名的3D打印悖論3d打印是一層層來制作物品，如果想把物品制作的更精細(xì)，則需要每層厚度減小；如果想提高打印速度，則需要增加層厚，而這勢必影響產(chǎn)品的精度質(zhì)量。若生產(chǎn)同樣精度的產(chǎn)品，同傳統(tǒng)的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)相比，沒有成本上的優(yōu)勢，尤其是考慮到時間成本，規(guī)模成本之后。（5）整個行業(yè)沒有標(biāo)準(zhǔn)，難以形成產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)在3d打印機(jī)生產(chǎn)商是百花齊放，如戰(zhàn)國時代。3D打印機(jī)缺乏標(biāo)準(zhǔn)，同一個3d模型給不同的打印機(jī)打印，所得到的結(jié)果是大不相同的。此外，打印原材料也缺乏標(biāo)準(zhǔn)，目前3d打印機(jī)廠商都想讓消費(fèi)者買自己提供的打印原料，這樣他們能獲取穩(wěn)定的收入。這樣做雖然可以理解，畢竟普通打印機(jī)也走這一模式，但3d打印機(jī)生產(chǎn)商所用的原料一致性太差，從形式到內(nèi)容千差萬別，這讓材料生產(chǎn)商很難進(jìn)入，研發(fā)成本和供貨風(fēng)險都很大，難以形成產(chǎn)業(yè)鏈。表面上是3D打印機(jī)捆綁了3D打印材料，事實(shí)上卻是材料捆綁了打印機(jī)，非常不利于降低成本和抵抗風(fēng)險。（6）意料之外的工序：3d打印前所需的準(zhǔn)備工序，打印后的處理工序很多人可能以為3d打印就是電腦上設(shè)計一個模型，不管多復(fù)雜的內(nèi)面，結(jié)構(gòu)，摁一下按鈕，3d打印機(jī)就能打印一個成