3D打印机原理.docx

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3D打印机原理

3D打印机原理

【3D打印机原理】

（一）层叠截面

通过活用IT技术，如今的开发人员可以更深入地探讨产品设计、实现新的开发，与此同时，更细致地对相关数据进行验证的需求也越来越多。

3D打印机便是满足这一需求的工具之一。

最近，3D数据经常在设计阶段就已登场，利用3D打印机的情况也越来越多。

制造的最终的目的是创造实物。

因此，设计中总会有一些在计算机上无法重现的现象，必须通过试验等方式加以确认。

此时，能够在短时间、以低成本制作出试制品等实物（立体模型）的3D打印机是一个重要工具（见下表）。

现在，作为制作夹具、模具及低产量部件的手段，3D打印机的应用范围还在不断扩大。

这一次，笔者就来介绍一下3D打印机的概要。

通过将造型为截面形状的薄片不断层叠的方法制作立体模型。

使用喷墨喷嘴的方法包括直接喷射模型材料和支撑材料的方法（a），以及向粉末材料需要造型的部分喷射粘结剂的方法（b）。

直接喷射模型材料的方法使用光硬化性树脂或蜡。

使用粉末材料时，未硬化的粉末将发挥支撑作用。

此外还有不使用喷墨喷嘴、利用内置加热器的可动式喷嘴喷射热可塑性树脂的方法（c）等。

（二）支撑结构

要想灵活使用3D打印机，就必须事先了解支撑结构。

由于是采用将截面逐层堆叠这一

工作方式，因此必须要有支撑结构为模型部分提供支撑（图2）。

从易用性的角度出发，使用者必须事先了解去除支撑物的麻烦程度。

基本上，3D打印机都使用不同的材料作为模型材料和支撑材料，以便轻松去除支撑材料。

因此，为了方便去除，需要采用缩小立体模型与支撑部分的边界面等方法。

图2：

必须使用支撑结构的理由

因为是自下而上一层层堆叠截面，所以，在制作有悬空部分和有从中间开始出现

的形状时，就需要利用支撑结构提供支撑。

喷射模型材料的3D打印方式在造型时，要选择与模型材料不同的材料作为支撑材料。

Objet的产品采用凝胶状材料作为支撑材料，造型后可以用水冲掉。

Stratasys的部分产品使用的是可溶于碱性溶液的支撑材料，而3DSystems的ProJet则是使用可溶于酒精的支撑材料。

作为新方法，基恩士2011年11月推出的“Agilista”成为了业界关注的焦点。

该产品使用的支撑材料用自来水即可冲掉（图3）。

只需将造型品泡在水里就能去除支撑部分，因为无需施加太大的力，所以模型的微细部分被破坏的危险性也很小。

实际操作时，先用指尖除掉支撑材料较厚的部分再泡入水中，可以缩短处理时间。

泡在水里时，轻轻涮洗、或用流水冲刷都可缩短支撑部分溶解的时间*4。

另一方面，粉末硬化式3D打印不需要另行制作支撑部分，而是用没有作为立体模型硬化的粉末来发挥支撑作用。

只要拿起做好的立体模型，未硬化的粉末就会掉落。

结构复杂的部分和附着在表面的残留粉末只需使用压缩空气吹掉即可。

3D打印使用的材料主要是光硬化型树脂，或高温可以熔化的热可塑性树脂（或蜡）。

现在，市场上有着各个生产商供应的强度、韧性、透明性、颜色各不相同的种类丰富的材料。

在2013年6月19～21日举行的“日本第24届设计及制造解决方案展”（DMS展）上，3D打印机展区的企业负责人纷纷表示，“参观者增加到了2012年的两倍”。

各电视台详细报道也起到了宣传作用，展区过道上人潮涌动，想看一眼展品颇为不易。

包括以个人用户为中心应用范围逐渐扩大的低价格机型以及提高了材料性能和功能的高功能机型在内，一些刚刚上市的新产品也在展会上亮相。

造型材料已不仅仅是树脂，还出现了使用纸张的3D打印机，可制作金属部件、模具和砂模的3D打印机更是备受关注。

本届展会最吸引参观者关注的，是10万日元～50万日元价位及不到100万日元的3D打印机。

这些打印机采用从内置加热器的可动喷头喷出PLA（聚乳酸）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚树脂）等热可塑性树脂线材的造型方法。

围绕可用树脂的特性展开竞争

造型材料采用树脂的高功能3D打印机方面，基恩士展示了2013年6月18日刚刚上市的新机型“AGILISTA3100”。

AGILISTA采用从喷嘴喷出光硬化性树脂、然后向其照射紫外线（UV）灯使之硬化、从而制作截面形状的方式。

目前基恩士是唯一一家开发这种方式的3D打印机的日本厂商。

AGILISTA可使用的树脂兼具高强度和高韧性，还用来制作弹簧和螺丝。

开发新机型“AGILISTA-3100”时，提高了造型物细节处的再现性。

AGILISTA的特点是，最小积层厚度只有15μm，而且可使用能溶于水的支撑材料。

AGILISTA-3100改良了材料和机械部分，提高了薄型产品和精细边缘部位的再现性，能制造精细度非常高的造型物。

强调3D打印机可使用丰富的树脂材料的，是宣布收购MakerBot的Stratasys。

2012年12月，原美国Stratasys公司与原以色列欧贝杰公司（Objet）合并成立了现在的Stratasys。

新公司成立后首次参展DMS的Stratasys展示了使用热可塑性树脂造型的原Stratasys的3D打印机打印的造型物，以及使用光硬化性树脂造型的原欧贝杰的3D打印机打印的造型物，强调可实现的材料特性和可制作的造型物尺寸等的选择更丰富。

图4：

Stratasys的3D打印机打印的造型物

3D打印机“Connex”系列通过从喷嘴喷出多种材料，可在一个造型物中混合特性各异的材料。

“Fortus”系列可利用强度和耐热性等出色的多种热可塑性树脂，最高端机型具备较大的造型区，能试制实物大小的儿童座椅Stratasys公司的产品按用途分为“Idea”、“Design”和“Production”三种。

原欧贝杰的产品全部属于Design，原Stratasys的产品主要属于Idea和Production。

例如，Stratasys的“Connex”系列3D打印机可以制作混合了多种树脂的造型物，或者通过在同一位置喷出多种材料，实现具有新特性的材料等。

还可以在一个造型物的一部分使用透明树脂，或者使之具备橡胶一样的特性。

另外，该公司的“Fortus”系列3D打印机除了ABS外，还能使用强度和耐热性出色的工程塑料。

比如，具备约140℃耐热性的PC（聚碳酸酯）、具有更高的耐热性（约200℃）和耐腐蚀性的PPSF（聚亚苯基砜）、阻燃性较高的PEI（聚醚酰亚胺）等。

采用对光硬化性树脂进行激光扫描使之硬化、即光固化快速成型法的3D打印机也改良了材料。

例如，CMET公司（总部：

横滨市）展示了利用提高了强度、透明度及韧性等的新材料（环氧类光硬化性树脂）制作的造型物。

目前3D打印机的造型材料还是以树脂为主。

虽然并没有涵盖实际产品中已采用的以及可用于其他加工方法的所有树脂，但可造型的树脂在逐年增加。

使用普通纸张的低成本造型

使使用树脂以外的造型材料的3D打印机的展示也备受瞩目。

较为独特的材料方面，有使用低成本的普通纸张造型的3D打印机登场。

比如JBM公司（总部：

东京）展示的爱尔兰McorTechnologies公司生产的“McorIRIS”图6）。

JBM预定从2013年8月开始在日本销售这款产品。

用喷墨打印机为层积前的纸张着色，可制作全彩造型物（左）。

右侧照片是在造型后去除多余部分的情形。

事先用普通的二维彩色喷墨打印机在将要层积的纸张上打印出截面形状，这样就能制作全彩造型物。

可直接制作全彩造型物的3D打印机原来只有3DSystems的“ProJetx60”系列。

“ProJetx60”采用的是使用有色粘合剂粘结石膏粉末使之硬化的方式。

原来的名称是“ZPrinter”系列，2013年5月强化功能后改了名。

此次在DMS展上是首次展示实机。

McorIRIS制作造型物时，首先用彩色喷墨打印机在造型使用的所有纸张（普通纸张）上打印，就是在纸张上印刷相当于造型物表面的部分（轮廓线）和层积时的定位用标记。

用喷墨打印机着色后的纸张按照与造型物上下相反的方向叠放，即造型物最下层对应的纸张放在最上面，造型时从上面开始将纸张一张一张移动到造型区。

此时，参照纸张上印刷的标记确定位置来确保轮廓线的相对位置精度。

对于移动到造型区的纸张，首先通过剪切动作切断轮廓线，然后涂一层粘合剂。

接下来，将下一层纸移动到造型区叠在上面，按压固定。

重复上述过程就能制作出立体模型。

烧结金属粉末

此次展会上还展示了很多可直接制作金属部件的3D打印机及其造型物。

比如恩梯梯数据工程系统（总部：

东京）展示了用德国EOS公司的3D打印机“EOSINTM”造型的样品。

CKB（总部：

东京）和HTL（总部：

东京都立川市）分别展示了德国ConceptLaser公司和瑞典Arcom公司的3D打印机及造型物。

日本厂商制造的产品方面，展示了利用Aspect公司（总部：

东京都稻城市）开发的“RaFaElV”系列3D打印机制作的金属部件样品。

该公司已经推出了使用树脂粉末造型的3D打印机，目前计划投产使用钛合金等金属粉末造型的产品。

烧结树脂粉末的3D打印机已经投产，现在正在开发可使用金属粉末材料的3D打印机。

松浦机械制作所虽然未在DMS展的3D打印机展区内搭建展台，但该公司的3D打印机同样吸引了参观者的关。

关于该公司的3D打印机，DMS举办之前曾有一条“松下利用松浦机械制作所的设备制作量产部件用模具”的新闻报道，引来了大量咨询。

松浦机械制作所的3D打印机采用在积层造型过程中、利用加工中心进行切削加工的独特方法。

可制作出表面非常平滑、精度很高的造型物。

可打印金属造型物的3D打印机采用的基本都是用激光或电子束烧结金属粉末方法制作截面形状。

日本以外的其他国家已经出现了利用这种3D打印机制作实际金属部件的用户。

制作蜡模和砂模

为制造金属部件而使用3D打印机的应用方面，用3D打印机制作用来铸造金属部件的模具的方法已经普及。

此次有多家公司展示了可制造失蜡铸造用蜡模的3D打印机，还展示了用可制作砂模的3D打印机打印的造型物。

例如，田边研电（总部：

东京）展出的美国Solidscape公司生产的3D打印机“3ZPro”就是制造蜡模的3D打印机。

从喷头只向截面形状部分喷出熔化的蜡进行积层。

将蜡层积到一定程度后，就按照指定的层厚进行切割，重复这一过程，即可制作高精度的造型物。

XY方向的分辨率高达5000×5000dpi。