魔猴網(wǎng)3D打印工藝原理簡介

魔猴君  知識堂   3510天前

3D打印是由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實體的技術(shù)總稱，其基本過程是：首先設(shè)計出所需零件的計算機(jī)三維模型（數(shù)字模型、CAD模型），然后由計算機(jī)對模型進(jìn)行切片處理，即按照一定的規(guī)律將該模型離散為一系列有序的單元，通常在Z向?qū)⑵浒匆欢ê穸葘⒃瓉淼娜SCAD模型變成一系列的層片；再根據(jù)每個層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼；最后由成形系統(tǒng)成形一系列層片并自動將它們聯(lián)接起來，得到一個三維物理實體。 

FDM熔融擠出成型

熔融擠出成型(FDM)工藝的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀線材供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。每一個層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會發(fā)生變化，當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時，上層輪廓就不能給當(dāng)前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計一些輔助結(jié)構(gòu)－“支撐”，對后續(xù)層提供定位和支撐，以保證成形過程的順利實現(xiàn)。 

FDM工藝原理，原型及支撐

這種工藝不用激光，使用、維護(hù)簡單，成本較低。由于這種工藝具有一些顯著優(yōu)點，該工藝發(fā)展極為迅速，目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝快速成形系統(tǒng)中的份額大約為30％ 

FDM打印的優(yōu)勢

成本低。不使用激光，維護(hù)簡單，成本低：價格是成型工藝是否適于3D打印的一個重要因素。多用于概念設(shè)計的三維打印機(jī)對原型精度和物理化學(xué)特性要求不高，便宜的價格是其能否推廣開來的決定性因素。 

塑料絲材，清潔，更換容易：與其他使用粉末和液態(tài)材料的工藝相比，絲材更加清潔，易于更換、保存，不會在設(shè)備中或附近形成粉末或液體污染。 

后處理簡單：僅需要幾分鐘到一刻鐘的時間剝離支撐后，原型即可使用。而現(xiàn)在應(yīng)用較多的SL，SLS，3DP等工藝均存在清理殘余液體和粉末的步驟，并且需要進(jìn)行后固化處理，需要額外的輔助設(shè)備。這些額外的后處理工序一是容易造成粉末或液體污染，二是增加了幾個小時的時間，不能在成型完成后立刻使用。 

成型速度較快：一般來講，FDM工藝相對于SL，SLS，3DP工藝來說，速度是比較慢的。但針對三維打印應(yīng)用，其也有一定的優(yōu)勢。首先，SL，SLS，3DP都有層間過程（鋪粉/液，掛平），因而它們一次成型多個原型是速度很快，例如3DP可以做到一小時成型25mm左右高度的原型。三維打印機(jī)成型空間小，一次多成型1至2個原型，相對來講，他們的速度優(yōu)點就不甚明顯了。其次三維打印機(jī)對原型強(qiáng)度要求不高，所以FDM工藝可通過減小原型密實程度的方法提高成型速度。通過試驗，具有某些結(jié)構(gòu)特點的模型，最高成型速度已經(jīng)可以達(dá)到60立方厘米/小時。通過軟件優(yōu)化及技術(shù)進(jìn)步，預(yù)計可以達(dá)到200立方厘米/小時的高速度。 

立體光刻工藝

SLA工藝，又叫立體光刻或光固化工藝，由美國人Charles Hull于1984年發(fā)明。1986年美國3D Systems公司推出世界上第一臺立體光刻機(jī)SLA—1，此后，SLA系列成形機(jī)占據(jù)著3D打印設(shè)備市場的較大份額。

SLA工藝是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長（325或355nm）和強(qiáng)度(w=10～400mw)的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng), 分子量急劇增大, 材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。液槽中盛滿液態(tài)光固化樹脂，激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下, 能在液態(tài)表面上掃描, 掃描的軌跡及激光的有無均由計算機(jī)控制, 光點掃描到的地方, 液體就固化。成型開始時，工作平臺在液面下一個確定的深度，液面始終處于激光的焦平面，聚焦后的光斑在液面上按計算機(jī)的指令逐點掃描，即逐點固化。當(dāng)一層掃描完成后，未被照射的地方仍是液態(tài)樹脂。然后升降臺帶動平臺下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，刮平器將粘度較大的樹脂液面刮平，然后再進(jìn)行下一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個零件制造完畢, 得到一個三維實體模型。 

SLA方法是3D打印領(lǐng)域中被研究得最多的方法，也是技術(shù)上最為成熟的方法。一般層厚在0.1到0.15mm，成形的零件精度較高。多年的研究改進(jìn)了截面掃描方式和樹脂成形性能，使該工藝的加工精度能達(dá)到0.05mm。但這種方法也有自身的局限性，比如需要支撐、樹脂收縮導(dǎo)致精度下降、光固化樹脂有一定的毒性等。 

三維印刷(3DP)工藝是美國麻省理工學(xué)院Emanual Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申請了3DP（Three-Dimensional Printing）專利，該專利是非成形材料微滴噴射成形范疇的核心專利之一。3DP工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑(如硅膠)將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強(qiáng)度較低，還須后處理。具體工藝過程如下：上一層粘結(jié)完畢后，成型缸下降一個距離（等于層厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被鋪粉輥推到成型缸，鋪平并被壓實。噴頭在計算機(jī)控制下，按下一建造截面的成形數(shù)據(jù)有選擇地噴射粘結(jié)劑建造層面。鋪粉輥鋪粉時多余的粉末被集粉裝置收集。如此周而復(fù)始地送粉、鋪粉和噴射粘結(jié)劑，最終完成一個三維粉體的粘結(jié)。未被噴射粘結(jié)劑的地方為干粉，在成形過程中起支撐作用，且成形結(jié)束后，比較容易去除。 

3DP工藝原理

該工藝的特點是成形速度快，成形材料價格低，適合做桌面型的快速成形設(shè)備。并且可以在粘結(jié)劑中添加顏料，可以制作彩色原型，這是該工藝最具競爭力的特點之一，有限元分析模型和多部件裝配體非常適合用該工藝制造。缺點是成形件的強(qiáng)度較低，只能做概念型使用，而不能做功能性試驗。