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[转帖]3D打印机基础知识
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原文链接
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l 什么是3D打印机
$ I, Q0 q; V, {3D打印机英文“3D Printers”，3D打印机这个名称是近年该产品来针对民用市场而出现的一个新词。其实在专业领域他有另一个名称“快速成形技术”。
: k1 s. o9 g9 Q7 f: _0 J# b6 k快速成形技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，诞生于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，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。
: I* t+ v3 B$ A8 R# WRPM技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是"分层制造，逐层叠加"， 类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"，因此得名“3D打印机”。9 k! P$ B; _$ ]+ H# }. I
l 3D打印机的原理
2 t. k" B' `, w# s5 l4 U4 }. o3D打印机可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。
" x0 c i3 \- b$ ^每个截面数据相当于医学上的一张CT像片；整个制造过程可以比喻为一个"积分"的过程。- w K' ^, A, `
当然，整个过程是在电脑的控制下，由3D打印机系统自动完成的。不同公司制造的3D打印机所用的成形材料不同，系统的工作原理也有所区别，但其基本原理都是一样的，那就是"分层制造、逐层叠加"。这种工艺可以形象地叫做"增长法"或"加法"。, z1 E& M: Q8 q) B
3D打印机的制作过程我们举个例子：例如我们制作一个塑料材质的苹果，首先我们需要在电脑上使用3D软件制作出一个苹果的3D模型文件，然后把它转换成3D打印机支持的文件格式。接下来需要给3D打印机放入塑料耗材，现在3D打印机就可以制作了。这个过程是不是像我们的平面打印机的操作呀！好下面说重点。& {0 C# ^2 p: {: u i, `8 ?2 E7 }
打印系统在制作的时候会从这个苹果3D模型底部开始切成很多片（多少片呢？这个要根据打印机的技术指标它所支持的“层厚”来决定。）也就是我们上面说的截面图。最先开始制作的是苹果模型的最底部的那一个截面，也就是苹果最底部的一层，这时候系统会控制激光器（或喷嘴）在这一层截面图的范围烧结原料（或挤出原料——不同的打印机技术制作方式也有区别这个下面我们会提到），这一层做好后是第二层依此类推。这样这个塑料苹果就一层层的“生长”出来了。% S# h7 U9 E& B
l 3D打印机的技术0 v6 V- C- O( M3 P- X# _
现在市面上已经有十几种不同的3D打印机的技术，其中比较成熟的有UV、SLA、SLS、LOM和FDM等方法。我们将在下面介绍4种目前使用比较广泛的技术：$ J$ F0 C1 j" T$ Q5 G) ^
SLA技术3D打印机的原理
% t7 k' [) E9 d, R* tSLA是"Stereo lithography Appearance"的缩写，即立体光固化成型法。% P2 P8 |/ ]; }+ @! u+ Z( U
用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。0 H$ ~! m5 F C& V. x6 G+ z/ U5 d
SLA是最早实用化的快速成形技术，采用液态光敏树脂原料，工艺原理如图所示。其工艺过程是，首先通过CAD设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径 照射到液态光敏树脂表面 ， 使表面特定区域内的一层树脂固化后， 当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；然后 升降台下降一定距离， 固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。 |; a2 C1 c& J. V4 j3 g3 s, N
SLA技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。6 X/ A( E3 t- [3 Y z
SLA 技术的优势
, g0 [$ I' P; @$ w+ ^* l1. 光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺，成熟度高，经过时间的检验。$ Q' v6 E5 X6 p. a
2. 由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具。
t2 z( E- m: e3. 可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具。
! m& E5 d7 V! D, B. t# J4. 使CAD数字模型直观化，降低错误修复的成本。
, k2 }6 y+ Y( P- U7 ?5. 为实验提供试样，可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核。2 Z& ?! y) P6 x4 W
6. 可联机操作，可远程控制，利于生产的自动化。4 U2 h- S6 a% v5 I n
SLA 技术的缺陷8 X9 s& S' k/ C6 M6 j$ ^
1. SLA系统造价高昂，使用和维护成本过高。0 N G/ i7 P; D$ i2 j+ I
2. SLA系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻。
2 _( B+ L. n' a* T% L; ~3. 成型件多为树脂类，强度，刚度，耐热性有限，不利于长时间保存。
, E# X) P* U6 K* w6 x4. 预处理软件与驱动软件运算量大，与加工效果关联性太高。
& a% g1 o4 E) i, E5. 软件系统操作复杂，入门困难；使用的文件格式不为广大设计人员熟悉。
+ \; X, F I n @6. 立体光固化成型技术被单一公司所垄断。0 r1 D- I! [/ j( @
总结：SLA 的发展趋势与前景
. d5 h/ p+ F& ?, V# M' e 立体光固化成型法的的发展趋势是高速化，节能环保与微型化。! U8 w9 r, r2 x5 N1 S, C& }
不断提高的加工精度使之有最先可能在生物，医药，微电子等领域大有作为。* J8 S% l' y/ h* ~! R5 {0 l9 f% Z
SLS技术3D打印机的原理
- @0 {; I$ Y+ e! J/ v3 X1 MSLS(Selective Laser Sintering)选择性激光烧结（以下简称SLS）技术: z7 J$ E/ B' W4 n% C
最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carlckard于1989年在其硕士论文中提出的。后美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。几十年来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。) U$ z1 ^3 E+ U) m: k) r+ Z! S
国内也有多家单位进行SLS的相关研究工作，如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等，也取得了许多重大成果，如南京航空航天大学研制的RAP-I型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的AFS一300激光快速成型的商品化设备。
. w5 D9 g( ^- ], d) p ?选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。0 G! N7 x! V5 O( f. A& p/ v- J
SLS技术3D打印机的工作原理。2 x9 V x$ Y+ Z
整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。3 Y3 s) }8 O% ]' J6 ?( B4 ^0 k' C
SLS技术的特点
4 l. a9 L8 T' s% ?4 {) ?7 G与其它3D打印机技术相比，SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目前，可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统，所以SLS的应用越来越广泛。
( a5 p: b, x$ Z) ?总结：SLS技术, j. l0 D3 d2 o& r1 ?' l9 l
3D打印机技术中，金属粉末SLS技术是近年来人们研究的一个热点。实现使用高熔点金属直接烧结成型零件，对用传统切削加工方法难以制造出高强度零件，对快速成型技术更广泛的应用具有特别重要的意义。展望未来，SLS形技术在金属材料领域中研究方向应该是单元体系金属零件烧结成型，多元合金材料零件的烧结成型，先进金属材料如金属纳米材料，非晶态金属合金等的激光烧结成型等，尤其适合于硬质合金材料微型元件的成型。此外，根据零件的具体功能及经济要求来烧结形成具有功能梯度和结构梯度的零件。我们相信，随着人们对激光烧结金属粉末成型机理的掌握，对各种金属材料最佳烧结参数的获得，以及专用的快速成型材料的出现，SLS技术的研究和引用必将进入一个新的境界。
" u9 Y( V' _% J& n) x' D7 MLOM技术3D打印机的原理$ Y9 R6 N7 z; C) b
分层实体制造法（LOM——Laminated Object Manufacturing），LOM又称层叠法成形，它以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，其成形原理如图所示，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。
, B' J% v% Z! N. S' b* yLom技术的特点# w8 P7 b4 u6 P& |. c
该技术的特点是工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高。缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。4 `1 o/ \+ y6 ?8 {/ }% r: z& M8 [
成形材料：涂敷有热敏胶的纤维纸；6 {( |" O5 }; d- Q9 `3 N$ R0 N
制件性能：相当于高级木材；
$ z p* B' x# b* F! g4 [4 Z 主要用途：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。+ y4 Z* K/ s; d; i% ?( m7 U' h: G
FDM技术3D打印机的原理1 v' |8 d. @* B- `3 Q
熔积成型（FDM——Fused DepositionModeling）法，该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高 1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。+ S/ t" r& i/ Q c& V1 s" T- z
FDM技术的特点9 @" Z# X; b9 T; y
该技术污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。下图为FDM成形原理图。% K7 F: u, c5 l7 n7 d
成形材料：固体丝状工程塑料；8 O- @- ~5 m5 M
制件性能：相当于工程塑料或蜡模；' N* T8 s* q: J" a$ Q H' U0 ?
主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。" i8 T* X1 n% Y: ?
Ps：目前国内常见的个人级3D打印机多用此技术" p+ ^* K3 J( t% |3 v- l
除了上述4种最为熟悉的技术外，还有许多技术也已经实用化，如三维打印技术、光屏蔽工艺、直接壳法、直接烧结技术、全息干涉制造等这里就不做详细介绍。（其实是我也不太了解了。嘻嘻）1 Q. g9 \1 U0 \0 R8 M
l 3D打印机技术的优点
% a$ X$ ?4 c$ t/ ^1 k' o& m制造快速
& y( S/ U0 W5 f; P$ R* D3D打印机技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大的降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小，异形的产品尤其适用。
, k3 i& ?( F h( j) kCAD/CAM技术的集成; S* B; o9 r# y/ X% T
设计制造一体化一直来说是现在的一个难点，计算机辅助工艺（CAPP）在现阶段由于还无法与CAD、CAM完全的无缝对接，这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一，而快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，使得设计制造一体化的概念完美实现。
; t9 L" U' B8 e# O w' _8 |完全再现三维效果
: j: R4 O8 s) e8 d3 y5 B7 k经过快速成型制造完成的零部件，完全真实的再现三维造型，无论外表面的异形曲面还是内腔的异形孔，都可以真实准确的完成造型，基本上不再需要再借助外部设备进行修复。- B. h4 B S5 e1 R/ i& _
材料种类繁多
' B* b7 d- E% Z x M' d1 ~到目前为止，各类 3D打印机设备上所使用的材料种类有很多，树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末，基本上满足了绝大多数产品对材料的机械性能需求。
! P- O2 G, u2 u1 M+ O* [创造显著的经济效益
5 H9 J3 R9 i) {3 p6 e% K与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样，快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也基本上消除了修改模具的问题，创造的经济效益是显而易见的。/ c0 [2 D/ A' d1 ]6 U" n" @
应用行业领域广! T/ W! ?, U# k
3D打印机技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系，同样，可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用 3D打印机技术，使得 3D打印机技术有着广阔的前景。
0 a8 r- u- X+ C3 ll 3D打印机技术的市场应用
6 j+ {: E) w' S' @# h0 f' l不断提高3D打印技术的应用水平是推动这项技术发展的重点。
% l6 }- g- ]! O1 R; ?目前，3D打印技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。3D打印技术的实际应用主要集中在以下几个方面：
/ S3 Y+ g, c+ C) }) d) C5 k" ?产品设计领域
+ V; K l0 g6 |$ @6 ^6 s0 R, }3 m在新产品造型设计过程中的应用3D打印技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用3D打印技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型(样件)，这不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。
* f/ ^9 m% j0 N建筑设计领域9 {" R( s" u. I$ x( A: h7 V% w
建筑模型的传统制作方式，渐渐无法满足高端设计项目的要求。全数字还原不失真的立体展示和风洞及相关测试的标准，现如今众多设计机构的大型设施或场馆都利用3D打印技术先期构建精确建筑模型来进行效果展示与相关测试，3D打印技术所发挥的优势和无可比拟的逼真效果为设计师所认同。
! F5 I7 K9 K9 j: m1 I4 e1 s' n机械制造领域' A( n" O8 q* ~0 Y' g. J
由于3D打印技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于50件的小批量，一般均可用3D打印技术直接进行成型，成本低，周期短。
# y2 K- z M6 ]- P$ V模具制造领域/ b9 `* ]3 ^4 w; U
例如玩具制作等传统的模具制造领域，往往模具生产时间长，成本高。将3D打印技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。3D打印技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采用3D打印技术直接堆积制造出模具，间接制模是先制出快速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具。7 {8 n! g, b5 ?2 `4 a" H
医学领域) D" A5 K3 K$ w: _$ ?6 S* Q4 k2 l
在医学领域的应用近几年来，人们对3D打印技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为基础，利用3D打印技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。
8 V% @, E! U' L+ v7 H8 ?! Q# a" n文化艺术领域( b8 O$ Y. ^' s' o; h
在文化艺术领域的应用，3D打印技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。8 R4 `( C9 g$ X" s! A1 y( K. A
航天技术领域
7 M$ p; }, l8 R# `" f' W在航空航天领域中，空气动力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性，采用3D打印技术，根据CAD模型，由3D打印设备自动完成实体模型，能够很好的保证模型质量。1 p% A- O, ^% _+ r4 f
家电领域
e( p% s3 s3 V: N# |. C& [: m3D打印技术在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用，使许多家电企业走在了国内前列。如：广东的美的、华宝、科龙；江苏的春兰、小天鹅；青岛的海尔等，都先后采用3D打印技术来开发新产品，收到了很好的效果。
# I7 F8 P4 Y8 `3 m& a1 D! X5 _0 F" _3D打印技术的应用很广泛，可以相信，随着3D打印技术的不断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。, w8 a N5 {) b# s) D, P+ d
l 3D打印机常见问题解答
, k) L$ D7 S2 d& Z4 v+ T- S# S（问题是我自己想的，自问自答。如果您有什么问题需要解答的可以登陆我的网站进行提问）0 m) Z' X4 r% x* p* }
3D打印机是万能的吗？
' w7 H0 h7 u# q. ` u" M) {答：至少目前3D打印机并不是万能的，它的生产制品受到原料耗材的制约，如果材料学有突破的话它会更加完美。
4 A5 \& K2 B. |: L- D% f9 J3D打印机会取代传统制造吗？2 x) H& M0 t. D; I( ~ G
答：目前看来不会，它可以改变传统制作过程中某些环节，使其更高效更节省成本。' H! s" X0 z$ k' f# @" j$ F2 _
3D打印机能打印能直接打印出彩色吗？" Z% x6 q* o1 e3 j) K/ R- `4 y8 f
答：专业级和生产级的3D打印机很多已经能够直接打印出有颜色的物品了，本人所知道的某些3D打印机能支持390,000 色的打印了。个人级的3D打印机可以通过选择有色原料也可以制作单色的物品。; Q' _# f5 s0 v. Q
为什么3D打印机有几千块的也有几十万的？% O5 A# k- v9 ^9 {! ^. K% w
答：3D打印机产品针对的市场不同分为个人级、专业级、生产级，结构和采用技术、耗材各不相同，所以价格差距很大。6 I. _; ~" H+ D7 ^- w7 k
什么是开源3D打印机？5 z' M, k' @, D( E6 p' J
答：开源是只某公司设计出一个产品，这个产品的核心技术对外免费开放，允许二次开发不存在技术专利。
7 A4 J$ f# f' K/ l$ s开源3D打印机对这个行业的发展带来很大的帮助，通过爱好者对开源3D打印机的DIY 研究，能使3D打印机技术更成熟，设备成本更低。4 R- ]7 J' A) p; D2 K
如购买3D打印机需要注意那些产品参数？
# X7 ?- t- w" i4 G) o答：1打印技术：不同的打印技术直接影响到你能使用的耗材，从而决定了你的产品品质。
- ?! S( o4 q9 H- }8 h; C, e9 l2托盘尺寸：能制作多大的物件就要看这个托盘尺寸，一般来说最大支持的物件尺寸稍略小于托盘尺寸。1 m- D( @, ?6 S* z8 s$ p. W
3成型速度：3D打印机制作的快慢就看这个指标。6 @3 {% p6 J, A% u1 R2 A9 g
4细节精度：3D打印机制作的物品是否精细除了设计3D模型以外这个指标也很关键。 （可以通过3D打印机的层厚和壁厚指标来参考）
9 V3 s: A& J. y Z9 \. \ w- s1 m5支持的耗材：不同的材料直接影响你制作出物品的质量，同时不同的耗材原料价格也差距很大。9 E4 O. f, \! V2 m" G0 b
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PS：现在知道的爱好者团购最少团购价格是2500。自己和朋友商量团购后改进电机伺服步进系统以及在开源平台基础上修改软件。不过因为朋友结婚，时间要拖上一个月。有心得的时候再分享。- o6 @8 J& C' b3 O
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雷达卡
发表于 2012-9-13 10:06:46
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