创想智造3D打印手板模型加工

标题: 第一篇章：什么是3D打印？---它的历史，基本原则以及过程 [打印本页]

作者: 苗苗 时间: 2016-7-2 16:55
标题: 第一篇章：什么是3D打印？---它的历史，基本原则以及过程
3D打印（英语：3D printing），又称增量制造、积层制造（Additive Manufacturing，AM），可指任何打印三维物体的过程。3D打印主要是一个不断添加的过程，在计算机控制下层叠原材料。3D打印的内容可以来源于三维模型或其他电子数据，其打印出的三维物体可以拥有任何形状和几何特征。3D打印机属于工业机器人的一种。
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ORDbot Quantum三维打印机.
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打印的延时摄影视频，双曲面物体打印（用PLA制作），使用RepRap“Prusa Mendel”三维打印机，以热溶聚合物成型。

“3D打印”这个词的原意是指顺序地将材料沉积到粉末层喷墨打印头的过程。最近此词的含义已经扩大到广泛包括的各种技术，如挤压和烧结过程。技术标准一般使用“增量制造”这个术语来表达这个广泛含义。

3D打印的历史

术语与方法

早期的增量制造设备和材料在20世纪80年代发展起来。1981年，名古屋市工业研究所的小玉秀男发明了两种利用光硬化聚合物的增材制造三维塑料模型的方法，其紫外线照射面积由掩模图形或扫描光纤发射机控制。之后在1984年，三维系统公司的查克·赫尔（Chuck Hull）发明了立体光刻，用紫外激光固化高分子光聚合物，将原材料层叠起来。Hull称这一程序可以“通过创建打印目标物体每部分之间的联系来打印三维物体”，但该程序已由小玉发明。Hull的贡献是设计了STL（立体光刻）文件格式，该格式被广泛应用于3D打印软件和电子切片与填充。“3D打印”这个术语最早是指使用标准的传统喷墨打印机喷头的流程，到现在为止，大部分3D打印机，特别是3D打印爱好者使用的和针对消费者设计的3D打印机，使用的大都是采用熔融沉积建模法（这是塑料挤出的特殊应用）。

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3D打印计算机辅助设计（CAD）模型

针对金属烧结或金属熔化（例如选择性激光烧结，直接金属激光烧结和选择性激光熔化）技术的增量制造在20世纪80年代和90年代通常采用不同的名称。尽管大量自动化技术当时已经被运用到几乎所有金属加工产品都需要经过的浇铸、制造、冲压、加工等程序中（如机器人焊接、电脑数值控制技术（CNC）的应用），只用一件工具或一个喷头就可以完成从原材料到成品全过程的想法还是只能让大多是人联想到金属切削（而不是增添）的过程，例如数控铣削，数控电火花加工和其他程序。但AM类型的烧结已经开始挑战这个假设。到了上世纪90年代中期，史丹佛大学和卡内基梅隆大学开发出了材料沉积新技术，包括微铸造和喷涂材料。牺牲材料和支撑材料也变得越来越普遍，让新的几何物体可以加工。

“增量制造程序”这个雨伞术语在21世纪的头一个十年逐渐流行，因为各种增量制造程序都在逐渐成熟，金属切削很快将不再是金属加工过程唯一可以使用技术。在这个十年中，为了满足机器制造（金属切削是其永恒的话题）的需求，“减量制造”应运而生。然而，同时期，3D打印在大多数人心中只是一种聚合物工艺，增量制造这一术语可能更多地应用于金属加工制造背景下，而不是聚合物，喷墨打印或是立体平板印刷领域。“减量制造”并没有替换“加工”，而是在切削方法方面对“加工”这一术语进行了补充。

21世纪早期，“3D打印”和“增量制造”在涵义上有所发展，代指所有增量制造技术。尽管这与早期所指代的意义有所区别，但仍反映出3D工作流程在自动化控制下将材料层叠堆积的共同特点。（其他术语通常被视为增量制造的同义词或上义词，例如“桌面制造技术”、“快速制造技术”（是“快速成型技术”的发展），和“即时制造技术”（模仿了二维按需印刷技术））。在2010到2020年这10年，发动机托架和大号螺母等金属部件在分批生产上会有所增加（在加工前或替换加工程序），不再从属于棒料或金属板加工。

基本原则

建模

主条目：三维模型

3D打印模型可以使用计算机辅助设计软件包或三维扫描仪生成。手动搜集制作3D图像所需的几何数据过程同雕塑等造型艺术类似。通过3D扫描，可以生成关于真实物体的形状、外表等的电子数据并进行分析。以3D扫描得到的数据为基础，就可以生成被扫描物体的三维电脑模型。

无论使用哪种3D建模软件，生成的3D模型（通常为.skp、.dae、.3ds或其它格式）都需要转换成.STL或.OBJ这类打印机可以读取的格式。

无论是手动还是自动生成3D模型，对一般的消费者来说难度较大。这促进了最近几年3D打印公司的形成。其中比较有名的有 Shapeways、Thingiverse、MyMiniFactory 和 Threeding。

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3D切片模型
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扫描过的棘龙（Spinosaurus）颅骨打印为两种尺寸

打印

使用STL格式文件打印3D模型前需要先进行“流形错误”检查，这一步通常称为“修正”。对于采用3D扫描获得的模型来说，STL文件“修正”尤其重要，因为这样的模型通常会有大量流形错误。常见的流形错误包括，各表面没有相互连接，或是模型上存在空隙等。netfabb、Meshmixer，或是Cura和Slic3r都是常见的修正软件。

完成修正后，用户可以用一种名为“slicer”（意为“切片机”）的软件功能将STL文件代表的模型转换成一系列薄层，同时生成G代码文件，其中包括针对某种3D打印机（FDM打印机）的定制指令。接下来，用户可以用3D打印客户端软件打印G代码文件，这种客户端软件可以利用加载的G代码指示3D打印机完成打印过程）。值得注意的是，实际应用中的3D打印客户端软件通常会包含“切片机”软件功能。有多种开源切片机程序可供选择，如Skeinforge、Slic3r和Cura，不开放源代码的切片机程序则有Simplify3D和KISSlicer。3D打印客户端软件则有Repetier-Host、ReplicatorG和Printrun/Pronterface。

需要注意的是还有一款用到3D打印的人们经常使用的软件叫做G代码查看器（Gcode viewer）。这个软件可以检查打印机喷嘴的行进路线。通过检查这个，用户可以自行决定修改GCode打印模型的不同方式（例如以不同姿势，如站立或平躺）以节省塑料（根据姿势和喷嘴路线，会用到更多或更少的支撑材料）。G代码查看器的例子有Gcode Viewer for Blender和Pleasant3D。

3D打印机根据G代码从不同的横截面将液体，粉末，纸张或板材等材料一层层组合在一起。这些层次与计算机辅助设计模型中的虚拟层次都是相对应的。这些真实的材料层或人工或自动地拼接起来形成3D打印成品。3D打印技术的主要优势在于，它几乎可以打印所有形状的物品。

打印分辨率指的是层次的厚度以及长和宽分辨率，单位为点/英寸（dpi）或微米（μm）。层厚一般为100微米（250点/英寸），但有些打印机，例如OBjet Connex 系列和Project 3D系统，可以打印层厚16微米（1600点/英寸）的物体，横纵分辨率可以与激光打印机媲美，3D圆点直径大约为50到100微米（510到250点/英寸）。

现代制模技术根据工艺，模型大小和模型复杂程度的不同，耗费的时间从几个小时到几天不等。增量制造系统则可以将一般生产时间缩短到数小时，当然具体生产时间仍然根据打印机型号，模型大小和同时打印模型数量的不同会有较大变化。

传统的诸如注塑成型等工艺在批量生产聚合物上成本较低，但增量制造速度更快，更灵活，在生产少量物体时较划算。拥有了3D打印机的帮助，设计者和概念开发团队就可以利用这个只有桌面大小的打印机进行零部件和概念模型的生产了。

完成

尽管3D打印的分辨率能满足许多产品的要求，但仍有上升的空间。方法是：先用标准分辨率打印一个比要求稍大的模型，然后用高分辨率的削减程序将多余的材料移除。这样就能得到更为精确的3D模型。

一些可用于打印的聚合物在完成时可以让表面光滑，并使用化学气相过程改善。

有些增量制造技术允许在打印过程中使用多重材料。这些技术能够同时进行彩色和混色打印，且不一定需要涂漆。

一些打印技术要求内部支撑来在建造悬臂特点。这些支撑必须在打印完成时用机械方法清除或溶解。

所有的商业化的金属3D打印机都包含了在沉积后切割从金属基板切去金属部件的功能。GMAW 3D打印有一种新工艺可以用锤子取出去除铝部件来修改基材表面。

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世界范围的快速原型成型技术
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使用快速成型工业KUKA机器人制造的Audi RSQ汽车

过程

在20世纪70年代后期，出现了许多不同的3D打印方法。最初，3D打印机笨重，昂贵，并且能够打印的东西十分有限。

许多增量技术逐渐投入使用。不同增量工艺主要区别在于层叠方法和使用的材料。有些工艺通过熔化或软化材料分层，例如选择性激光熔化技术（SLM）或直接金属激光烧结术（DMLS）、选择性激光烧结术（SLS）、熔融沉积成型（FDM）[20]或熔丝制造（FFF）。还有些工艺运用不同技术加工液体原料，例如立体光刻技术（SLA）。在分层实体制造技术（LOM）下，原材料（纸张，聚合物，金属等）被切分成层以供重组。每种增量工艺都有自身的优缺点，因此一些公司开始同时供应粉末与聚合物原材料以供不同的工艺选择。另外一些公司有时会以现成的普通单据为原料制作能长期使用的基础模型。在挑选3D打印机时，主要需要考虑的是打印速度，打印机价格，打印原型价格，打印材料的选择，价格及其显色能力。

可直接处理金属的3D打印机价格较高。但有时便宜的3D打印机也可以用来制模，然后在此模型的基础上制作金属部件。
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挤压沉积过程

20世纪80年代晚期 S.Scott Crump 发明了熔融沉积成型（FDM）技术，1990年斯特塔西公司将这一技术应用于生产。[25] 此技术专利到期后形成了一个大型的开放资源，允许商业或个人使用应用此技术3D打印机。由此，FDM技术从发明以来价格一路降低。

FDM技术制作模型或部件的方法是使用一种细珠，可以即时硬化形成分层。缠绕在卷轴上的热塑丝或金属线逐渐展开并输送向挤压喷嘴。挤压喷嘴将其加热输出。通常情况下会使用步进马达或伺服马达操控挤压喷头和调控材料输出。喷头横纵均可移动，通常使用微控制器当中的计算机辅助制造（CAM）软件包对喷头输出过程进行监控。

ABS树脂、聚碳酸酯（PC）、聚乳酸（PLA）、高密度聚乙烯（HDPE）、PC/ABS、聚苯矾（PPSU）和高抗冲聚苯乙烯（HIPS）等高分子聚合物都会在过程中被使用。一般情况，这些聚合物都被用纯树脂粘接起来，呈丝状。在这一开放资源中，很多项目都在研究如何将废弃塑料转化成可利用的细丝。其中一个项目就在研究可以将塑料分片挤压成可利用细丝的生产设备。

运用FDM技术生产的模型在造型上会有些许限制。例如钟乳石样的造型就很难生产出来，因为打印过程中没有对被打印物体的支撑。因此，该技术必须设计出一种支撑物，不能太厚，并且在成品完成时可以将其打碎剥离。

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熔融沉积成型：1—注射熔体塑料喷嘴，2—沉积材料（模体），3—可移动操控台

颗粒材料结合

另一种3D打印技术就是在颗粒床上对材料进行选择性融合。首先，先融合部分材料，将其放入工作区，加入另一层颗粒材料，重复上一个过程，直到一个完成的部件被生产出来。这一过程使用未融合的材料作为媒介来支撑悬挂的或材质较薄的膏体，减少了生产过程中临时辅助支撑材料的使用。过程中还会使用激光来将液体的媒介烧结，例如选择性激光烧结（SLS）技术，会同时运用金属和聚合物（如聚酰胺（PA）、玻璃纤维增强聚酰胺（PA-GF）、玻璃纤维（GF）、聚醚醚酮（PEEK）、甲苯（PS）、Alumide、碳化物、弹性体），和直接金属激光烧结（DMLS）技术。

德克萨斯大学的Carl Deckard博士和Joseph Beaman博士在美国国防部高级研究计划局（DARPA）的资助下于20世纪80年代中期发明了选择性激光烧结（SLS）技术，并获取专利。 1979年R.F.Housholder也获取了类似技术的专利，但并没有投入商业生产。

选择性激光熔化（SLM）技术并不采用烧结融合粉末颗粒的做法，而是分层使用高能量激光使粉末完全融化，产出高密度的材料。这样生产出的材料与用传统方法生产出的金属机械性能类似。

电子光束溶解法（EBM）也是一种类似的增量制造技术，用于制造金属部件（钛合金等）。EBM技术在真空中用电子束逐层的熔化金属粉末。但与需要在低于熔点的温度下采用的金属烧结工艺不同，EBM技术生产出的部件密度大，无气泡，硬度强。

另一种方法需要采用一种3D喷墨打印系统。打印机平铺一层粉末（石膏，树脂等），运用类似喷墨打印的方法制作出一部分部件，再将横截面粘合起来，每次生产一层模型。这个过程一直重复下去，直到模型的所有层次都打印出来。这种技术可以打印全彩物体和悬空以及弹性物体。通过注入蜡或热固性聚合物可以提高粉末打印物的粘合力。

层压

一些3D打印机可以使用纸张进行低成本的3D打印。20世纪90年代，一些公司开始推广一批新型的3D打印机。这些打印机使用二氧化碳激光束切割出一部分有特殊涂层的纸张，然后再层层压合在一起。

2005年，Mcor科技有限公司发明了一种不同的方法，采用碳化钨刀片切割普通的办公室纸张，对其加压，选择性地沉积粘合材料组合出成品。

还有许多公司出售的3D打印机可以使用薄塑料或薄金属片对材料进行层压成型。

光聚合

1986年查克·赫尔获取立体光刻技术（SLA）专利。1974年Mitsubishi's Matsubara发明出光聚合技术，SLA主要采用的就是这种技术，从液体从分离出固态成品。[33] 该技术大大改进了1860年 François Willème (1830–1905)发明的“光雕塑”技术。这种“光雕塑”技术需要从不同的等距角度对物体进行拍摄，将每张照片嵌入屏幕中，再用比例绘图仪在塑形粘土上绘出轮廓。

在使用时光聚合技术时，要求将一桶液体聚合物置于安全灯的可控光照射下，暴露在灯光下的液体聚合物的表层渐渐固化，此时将已经固化的模板向下移动，再次将液体的聚合物暴露在灯光下，再次固化。如此重复直到整个模型成型。将剩下的液体聚合物控出，剩下的就是固体模型了。EnvisionTEC Perfactory[37]就是DLP快速制模系统的使用案例。

诸如Objet PolyJet之类的喷墨打印机系统采用的方法是将光聚合物喷洒在极细的一层托盘上（16至30微米之间），每层光聚合物在被喷出之后需要紫外线进行固化加工，这样可以使最终固化的模型可以立刻投入使用而不再需要后期固化。用于支撑复杂形状模型的凝胶样的支撑材料可以手工或喷水去除。该技术同样适用于弹性体原料。

运用多光子光聚合技术的3D微加工可以制造超小微粒。该技术采用聚焦激光束将凝胶变成需要的3D模型。因为光激发是非线性的，凝胶只会在激光照射的地方固化，剩余的则可以直接丢弃。无论是小于100纳米的微粒，还是有移动交叉的复杂模型，这种技术都可以轻松做出。

另一种技术则需要用到经LED灯固化的人造树脂。

掩码图像投影立体光刻技术将3D电子模型水平分区成片状，每片都会被转化成二维掩码图像，将掩码图像嵌到光固化树脂的平面，打上灯光，就能把树脂固化成每片模型的形状。有些模型包含多种材料，凝结速率不同，有些公司在制作这些模型时就采用了该技术。研究发现，将光束从下方照射，可以使树脂快速均匀地分布，这样，生产时间就从数小时缩短到了数分钟。商业化的Object Connex等设备采用喷嘴喷洒树脂。
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立体光刻工艺

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