【聚焦】全面解讀3D印刷過程與材料

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的物理層創建出來的。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、工業設計、建筑、汽車、航天、牙科及醫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，而沒有膠水的區域仍保持松散狀態。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利用。打印耗材由傳統的墨水、紙張轉變為膠水、粉末，當然膠水和粉末都是經過處理的特殊材料，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 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，目前較先進的產品可以實現每小時 25 毫米高度的垂直速率，相比早期產品有 10 倍提升，而且可以利用有色膠水實現彩色打印，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?；顒樱惑w、溝槽等形態特征位置準確，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，但產品價格依然較高。3d systems 推出的新款 invision ld 入門級桌面型產品價格為 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圖像數據，上傳到電腦后，就擁有了自己的三維設計圖。“油墨”則是液態巧克力，把巧克力融化后，裝進打印機中的儲存器，按下“打印”鍵，打印機就會根據圖像數據把液態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，必須經過凝固才開始下一層打印，加裝保溫和冷卻系統即可保證巧克力的粘稠度和溫度。
　 　 在原材料領域，xerox parc公司還正在研發傳感器、晶體管等電子產品的打印材料，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，降低了3d打印的設計成本，如123d、openscad、tinkercard等。
　 　 3d印刷優勢
　 　 相比傳統制造工藝，3d打印技術有兩個優點，一是節省原材料和人工。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。同時因省卻生產線和一部分組裝過程，可降低人工成本。第二個優點是可以制作形態各異的物品。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設計領域。但如今，3d打印技術逐漸開始被用于生產環節。它適用于小批量加工，由于不需要模具，對產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中的新興戰略領域。2012年8月，美國總統奧巴馬撥款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，以確保美國制造業不繼續轉移到中國和印度。長期跟蹤3d打印行業的咨詢公司wohlers associates表示，2011年，3d打印機的市場規模為17億美元左右，到2015年該市場將達37億美元。


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