3D打印技术介绍.pdf

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1、. . 1 技术原理 3D 打印机又称 三维打印机 ，是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数 字模型 文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属 或塑料 等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材 料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。 3D 打印机的 原理 是把数据和原料放进3D 打印 机中，机器会按照程序 把产品一层层造出来。 3D 打印机堆叠薄层的形式有多种多样。3D 打印机与传统打印机最大的区别在于它使 用的 “ 墨水 ” 是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质种类多样， 从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质

2、。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的 物体一头坚硬而另一头柔软。 1、 有些 3D 打印机使用 “ 喷墨 ” 的方式。即使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷 涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离，以 供下一层堆叠上来。 2、还有的使用一种叫做“ 熔积成型 ” 的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过 沉积塑料纤维的方式才形成薄层。 3、还有一些系统使用一种叫做“ 激光烧结 ” 的技术，以粉末微粒作为打印介质。粉末微 粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，熔铸成指定形状，然后由喷出的液态粘合剂 进行固化。 4、有的则是利用真空中的电子流熔

3、化粉末微粒，当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结 构时，介质中就需要加入凝胶剂 或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被 熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。 2操作流程编辑 三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的， 使用 3D 打印机 的流程是： 1、轻点电脑屏幕上的“ 打印 ” 按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将 一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。 2、而在 3D 打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD ）完成一系列数字切片，并将 这些切片的信息传送到3D 打印机 上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物 体成型。 . . 3

4、工作步骤 编辑 软件建模 3D 打印机 工作步骤 是这样的： 先通过计算机建模软件建模，如果你有现成的模型也可以，比如动物模型、人物、 或者微缩建筑等等。 然后通过 SD 卡或者 USB 优盘把它拷贝到3D 打印机中，进行打印设置后，打印机就 可以把它们打印出来，其工作结构分解图如下。 3D 打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、 耗材和介质等架构组成的，打印原理是一样的。3D 打印机主要是在打印前在电脑上设计了 一个完整的三维立体模型，然后再进行打印输出。 3D 打印与 激光 成型技术一样，采用了分层加工、叠加成型来完成3D 实体打印。每一 层的打印过程分为

5、两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且 不易扩散。 然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有 胶水 的区域 仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“ 打印 ” 成型，打印完 毕后只要扫除松散的粉末即可“ 刨” 出模型，而剩余粉末还可循环利用。 三维设计 三维打印的 设计过程 是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“ 分区 ” 成逐 层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。 设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL 文件格式。一个STL 文件使用三角 面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。

6、PLY 是一种通过扫描产 生的三维文件的扫描器，其生成的VRML 或者 WRL 文件经常被用作全彩打印的输入文件。 打印过程 打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层 地打印出来， 再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于 其几乎可以造出任何形状的物品。 打印机打出的截面的厚度（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）或者微米来计算的。一般的厚度为100 微米 ，即 0.1 毫米 ，也有部分打印机如 Objet Connex 系列还有三维Systems ProJet 系列可以打印出16 微米薄的一层。

7、而平面 方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的 “ 墨水滴 ” 的直径通常为50 到 100 . . 个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程 度而定。 而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及 模型的尺寸和复杂程度而定的。 传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可 以以更快， 更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打 印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。 制作完成 三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较

8、粗糙，像 图像上的锯齿一样） ，要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机 打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“ 高分辨率 ” 物品。 有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物， 比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西） 作为 支撑物。 4 专利技术 编辑 3D 打印技术目前各国最新研制出的主要技术有： 选择性激光烧结、直接金属激光烧结、熔融沉积成型、立体平版印刷、数字光处理、 熔丝制造、电子束熔化成型、选择性热烧结、粉末层喷头三维打印等等。 1、熔融沉积快速成型（Fused Depo

9、sition Modeling，FDM ） 熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的 喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上， 温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。 在 3D 打印 技术中， FDM 的机械结构最简单，设计 也最容易，制造成本 、维护成本和 材料成本也最低， 因此也是在家用的桌面级3D 打印机 中使用得最多的技术，而工业级FDM 机器，主要以Stratasys 公司产品为代表。 FDM 技术的桌面级3D 打印机 主要以 ABS 和 PLA 为材料， ABS 强度较高，但是有毒 性，

10、制作时臭味严重，必须拥有良好通风环境，此外热收缩性较大，影响成品精度；PLA 是一种生物可分解塑料，无毒性，环保，制作时几乎无味，成品形变也较小，所以国外主流 桌面级 3D 打印机均以转为使用PLA 作为材料。 FDM 技术的优势在于制造简单，成本低廉，但是桌面级的FDM 打印机，由于出料结 . . 构简单，难以精确控制出料形态与成型效果，同时温度对于FDM 成型效果影响非常大，而 桌面级 FDM 3D 打印机通常都缺乏恒温设备，因此基于FDM 的桌面级 3D 打印机的成品精 度通常为0.3mm-0.2mm，少数高端机型能够支持0.1mm 层厚，但是受温度影响非常大， 成品效果依然不够稳定。此

11、外，大部分 FDM 机型制作的产品边缘都有分层沉积产生的“ 台阶 效应 ” ，较难达到所见即所得的3D 打印效果，所以在对精度要求较高的快速成型领域较少 采用 FDM 。 2、光固化成型（Stereolithigraphy Apparatus，SLA ） 光固化技术是最早发展起来的快速成型技术，也是研究最深入、技术最成熟、应用最 广泛的快速成型技术之一。光固化技术， 主要使用光敏树脂为材料，通过紫外光或者其他 光 源照射凝固成型，逐层固化，最终得到完整的产品。 光固化技术优势在于成型速度快、原型精度高，非常适合制作精度要求高，结构复杂 的原型。 使用光固化技术的工业级3D 打印机， 最著名的是

12、objet ，该制造商 的 3D 打印机提 供超过 123 种感光材料，是目前支持材料最多的3D 打印设备。 光固化快速成型应该是3D 打印技术 中精度最高，表面也最光滑的，objet 系列最低材 料层厚可以达到16 微米（ 0.016 毫米）。但是光固化快速成型技术也有两个不足，首先光敏 树脂原料有一定毒性，操作人员使用时需要注意防护，其次光固化成型的原型在外观方面非 常好， 但是强度方面尚不能与真正的制成品相比，一般主要用于原型设计验证方面，然后通 过一系列后续处理工序将快速原型转化为工业级产品。此外，SLA 技术的设备成本、维护 成本和材料成本都远远高于FDM ，因此，基于光固化技术的3

13、D 打印机主要应用在专业领 域，桌面领域已有两个桌面级别SLA 技术 3D 打印机项目启动，一个是 Form1 ，一个是 B9， 相信不久的将来会有更多低成本的SLA 桌面 3D 打印机面世。 3、三维粉末粘接（Three Dimensional Printing and Gluing,3DP） 3DP 技术由美国麻省理工大学开发成功，原料使用粉末材料，如陶瓷粉末、 金属粉末、 塑料粉末等， 3DP 技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型 的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠 加，获得最终打印出来的零件。 3DP 技术的优势在

14、于成型速度快、无需支撑结构，而且能够输出彩色打印产品，这是 其他技术都比较难以实现的。3DP 技术的典型设备，是3DS 旗下 zcorp 的 zprinter 系列， 也是 3D 照相馆使用的设备，zprinter 的 z650 打印出来的产品最大可以输出39 万色，色彩 方面非常丰富，也是在色彩外观方面，打印产品最接近于成品的3D 打印技术。 但是 3DP 技术也有不足，首先粉末粘接的直接成品强度并不高，只能作为测试原型， 其次由于粉末粘接的工作原理，成品表面不如SLA 光洁，精细度也有劣势，所以一般为了 产生拥有足够强度的产品，还需要一系列的后续处理工序。此外， 由于制造相关材料粉末的 .

15、 . 技术比较复杂，成本较高，所以3DP 技术主要应用在专业领域，桌面级别仅有一个PWDR 项目在启动，但仍然处于0.1 状态，尚需观察后续进展。 4、选择性激光烧结（Selecting Laser Sintering，SLS ） 该工艺由美国德克萨斯大学提出，于1992 年开发了商业成型机。SLS 利用粉末材料 在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层层堆结成型。SLS 技术同样是使用层叠堆积成 型，所不同的是， 它首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截 面上 扫描 ，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程， 直至完成整个 模型 成型。 激

16、光烧结技术可以使用非常多的粉末材料，并制成相应材质的成品，激光烧结的成品 精度好、 强度高， 但是最主要的优势还是在于金属成品的制作。激光烧结可以直接烧结金属 零件， 也可以间接烧结金属零件，最终成品的强度远远优于其他3D 打印技术。 SLS 家族最 知名的是德国EOS 的 M 系列。 激光烧结技术虽然优势非常明显，但是也同样存在缺陷，首先粉末烧结的表面粗糙， 需要后期处理，其次使用大功率激光器，除了本身的设备成本，还需要很多辅助保护工艺， 整体技术难度较大，制造和维护成本非常高，普通用户无法承受，所以应用范围主要集中在 高端制造领域， 而尚未有桌面级SLS 3D 打印机开发的消息，要进入普通民用领域，可能还 需要一段时间。 3D 打印领域发展迅猛，从巨型的房屋打印机到微型的纳米级细胞打印机，各种新技术 层出不穷，但是主要还是集中在专业领域，民用市场还是以简单架构的FDM 为主，无论效 果还是精度都差强人意，我们期待着随着技术发展和成本降低，桌面级3D 打印机也能够真 正实现所见即所得的打印效果，那时候3D 打印改变世界将不再是一个梦想。