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1、【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电脑上无法重现的现象，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。表：主
2、要的 3D 打印机3D 打印又称“3D 积层造型”，顾名思义，是一种以截面形状的集合体来表现立体模型的方法。也就是把片状的截面形状一层一层叠在一起，最终制成立体模型。其造型方法多种多样，各种方法的区别在于使用的材料和成型后处理方式的不同。“3D 打印”的名称源于其使用喷墨打印机喷嘴的方法。与一般打印机一样，3D 打印机也是使用喷嘴制作截面形状，有从喷嘴直接喷射立体模型材料光硬化性树脂、蜡，以及喷射粘合剂使粉末材料固化这两种方法。Objet、基恩士KEYENCE、Solidscape 公司生产的设备以及 3D Systems 的“ProJet”系列等采用的是前一种方法。Objet 和基恩士的产品
3、在打印立体模型和支撑部分时均使用光硬化型树脂，让紫外线UV灯与喷墨喷嘴同步扫描成型面，以使喷射出的树脂硬化。而 3D Systems 的“ZPrinter”采用的则是后一种方法。要先喷洒一层粉末材料，在需要成形的区域喷射粘结剂，使其固化粘结，在完成一层的造型后，再喷洒下一层的粉末、胶水，如此重复直至完成造型。除此之外，也有不使用喷墨喷嘴的方法，那就是Stratasys 公司采用的熔融沉积成型法FDM。这是一种使热可塑性树脂从可动式喷嘴挤出的方法，具体为，使细长的线状材料在加热的喷嘴内熔化，同时使喷嘴按照一定轨迹运动、挤出熔丝以完成造型。学习文档 仅供参考图 1：3D 打印机的主要几种工作方式通
4、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
5、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3D Systems 的 ProJet 则是使用可溶于酒精的支撑材学习文档 仅供参考料。作为新方法，基恩士 2011年 11 月推出的“Agilista”成
6、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外表的残留粉末只需使用压缩空气吹掉即可。3D3D 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打印使用的材料
7、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给的强度、韧性、透明性、颜色各不相同的种类丰富的材现在，市场上有着各个生产商供给的强度、韧性、透明性、颜色各不相同的种类丰富的材料。料。在在 20132013 年年 6 6 月月 19192121 日举行的日举行的“日本第“日本第 2424 届设计及制造解决方案展”届设计及制造解决方案展”DMSDMS 展展 上，上，3D3D 打印机展区的企业负责人纷纷表示，打印机展区的企业负责人纷纷表示，“参观者增加到了“参观者增加到了 20122012 年的两倍”年的两倍”。各电视台详细。各电视台详细报道也起到了宣传作用，展区
8、过道上人潮涌动，想看一眼展品颇为不易。包括以个人用户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3D3D打印机，可制作金属部件、模具和砂模的打印机，可制作金属部件、模具和砂模的 3D3D 打印机更是备受关注。打印机更是备受关注。本届展会最吸引参观者关注的，是
9、本届展会最吸引参观者关注的，是 1010 万日元万日元5050 万日元价位及不到万日元价位及不到 100100 万日元的万日元的 3D3D打印机。这些打印机采用从内置加热器的可动喷头喷出打印机。这些打印机采用从内置加热器的可动喷头喷出 PLAPLA聚乳酸聚乳酸、ABSABS丙烯腈丙烯腈-丁丁二烯二烯-苯乙烯共聚树脂等热可塑性树脂线材的造型方法。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造型材料采用树脂的高功能 3D3D 打印机方面，打印机方面，基恩士展示了基恩士展示了 20132013 年年 6 6 月月 1818
10、日刚刚上市日刚刚上市的新机型“的新机型“AGILISTA3100AGILISTA3100”。AGILISTAAGILISTA采用从喷嘴喷出光硬化性树脂、然后向其照射紫采用从喷嘴喷出光硬化性树脂、然后向其照射紫外线外线UVUV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的 3D3D 打印机的日本厂商。打印机的日本厂商。AGILISTAAGILISTA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
11、AGILISTA-3100”时，提高了造型物细节处的再现性。”时，提高了造型物细节处的再现性。AGILISTAAGILISTA的特点是，最小积层的特点是，最小积层厚度只有厚度只有 1515mm，而且可使用能溶于水的支撑材料。，而且可使用能溶于水的支撑材料。AGILISTA-3100AGILISTA-3100改进了材料和机械部改进了材料和机械部分，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。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。强调强调 3D3D 打印机可使用丰富的树脂材料的，是宣布收购打印机可使用丰富的树脂材料的，是宣布收购 MakerBo
12、tMakerBot 的的 StratasysStratasys。20122012年年 1212 月，月，原美国原美国 StratasysStratasys公司与原以色列欧贝杰公司公司与原以色列欧贝杰公司 ObjetObjet 合并成立了现在的合并成立了现在的 StratasysStratasys。新公司成立后首次参展新公司成立后首次参展DMSDMS的的StratasysStratasys展示了使用热可塑性树脂造型的原展示了使用热可塑性树脂造型的原StratasysStratasys的的3D3D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打印机打印的造型物，以及使用光硬化性树脂造型的
13、原欧贝杰的 3D3D 打印机打印的造型物，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。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。图图 4 4：StratasysStratasys 的的 3D3D 打印打印机打印的造型物机打印的造型物3D3D 打印机“打印机“ConnexConnex”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”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。的材料。“FortusFortus”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”系列可利用强度和耐热性等出色的多种热可塑性树脂，
14、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较大的造型区，能试制实物大小的儿童座椅 StratasysStratasys 公司的产品按用途分为“公司的产品按用途分为“IdeaIdea”、“DesignDesign”和“”和“ProductionProduction”三种。原欧贝杰的产品全部属于”三种。原欧贝杰的产品全部属于 DesignDesign，原，原 StratasysStratasys 的产品的产品主要属于主要属于 IdeaIdea 和和 ProductionProduction。例如，例如，StratasysStratasys 的“的“ConnexConnex”系列”系列 3
15、D3D 打印机可以制作混合了多种树脂的造型物，或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。分使用透明树脂，或者使之具备橡胶一样的特性。学习文档 仅供参考另外，该公司的“另外，该公司的“Fort usFort us”系列”系列 3D3D 打印机除了打印机除了 ABSABS 外，还能使用强度和耐热性出色外，还能使用强度和耐热性出色的工程塑料。的工程塑料。比方，比方，具备约具备约 140140耐热性的耐热
16、性的 PCPC 聚碳酸酯聚碳酸酯、具有更高的耐热性具有更高的耐热性 约约 200200和耐腐蚀性的和耐腐蚀性的 PPSFPPSF聚亚苯基砜聚亚苯基砜、阻燃性较高的、阻燃性较高的 PEIPEI聚醚酰亚胺等。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、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即光固化快速成型法的 3D3D 打印机也改进打印机也改进了材料。例如，了材料。例如，CMETCMET 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。新材料环氧类光硬化性树脂制作的造型
17、物。目前目前 3D3D 打印机的造型材料还是以树脂为主。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。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用普通纸张的低成本造型使使用树脂以外的造型材料的使使用树脂以外的造型材料的 3D3D 打印机的展示也备受瞩目。打印机的展示也备受瞩目。较为独特的材料方面，较为独特的材料方面，有有使用低成本的普通纸张造型的使用低成本的普通纸张造型的 3D3D 打印机登场。比方打印机登场。比方 JBMJBM 公司总部：东
18、京展示的爱尔公司总部：东京展示的爱尔兰兰 Mcor TechnologiesMcor Technologies公司生产的“公司生产的“Mcor IRISMcor IRIS”图”图 6 6。JBMJBM 预定从预定从 20132013 年年 8 8 月开始在日月开始在日本销售这款产品。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。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
19、状，这样就能制作全彩造型物。可直接制作全彩造型物的状，这样就能制作全彩造型物。可直接制作全彩造型物的 3D3D 打印机原来只有打印机原来只有 3D Systems3D Systems的“的“ProJet x60ProJet x60”系列。”系列。“ProJet x60ProJet x60”采用的是使用有色粘合剂粘结石膏粉末使之硬化的方”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“式。原来的名称是“ZPrinterZPrinter”系列，”系列，20132013 年年 5 5 月强化功能后改了名。此次在月强化功能后改了名。此次在 DMSDMS 展上展上是首次展示实机。是首次展
20、示实机。Mcor IRISMcor IRIS 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外表的部分轮廓线和层积时的定位用标记。上打印，就是在纸张上印刷相当于造型物外表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，参照纸张上印刷张放在最上面，造型时从上面开始将纸张一张一张移动
21、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。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。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此次展会上还展示了很多可直接制作金属部件的 3D3D 打印机及其造型物。打印机及其造型物。比方恩梯梯数比方恩梯梯数据
22、工程系统总部：东京展示了用德国据工程系统总部：东京展示了用德国 EOSEOS 公司的公司的 3D3D 打印机“打印机“EOSINTMEOSINTM”造型的样”造型的样品。品。CKBCKB总部：东京和总部：东京和 HTLHTL总部：东京都立川市分别展示了德国总部：东京都立川市分别展示了德国 Concept LaserConcept Laser公司和瑞典公司和瑞典 ArcomArcom 公司的公司的 3D3D 打印机及造型物。打印机及造型物。日本厂商制造的产品方面，展示了利用日本厂商制造的产品方面，展示了利用 AspectAspect 公司总部：东京都稻城市开发的公司总部：东京都稻城市开发的“Ra
23、FaEl VRaFaEl V”系列”系列 3D3D 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的 3D3D 打印机，目前计划投产使用钛合金等金属粉末造型的产品。打印机，目前计划投产使用钛合金等金属粉末造型的产品。烧结树脂粉末的烧结树脂粉末的 3D3D 打印机已经投产，打印机已经投产，现在正在开发可使用金属粉末材料的现在正在开发可使用金属粉末材料的 3D3D 打印机。打印机。松浦机械制作所虽然未在松浦机械制作所虽然未在 DMSDMS 展的展的 3D3D 打印机展区内搭建展台，但该公司的打印机展区内搭建展台，但该公司的 3
24、D3D 打印机同打印机同样吸引了参观者的关。关于该公司的样吸引了参观者的关。关于该公司的 3D3D 打印机，打印机，DMSDMS 举办之前曾有一条“松下利用松浦举办之前曾有一条“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。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。松浦机械制作所的松浦机械制作所的 3D3D 打印机采用在积层造型过程中、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利用加工中心进行切削加工的独特方法。可制作出外表非常平滑、精度很高的造型物。可打印金属造型物的特方法。可制作出外表非常平滑、精度很高的造型物。可打印金属造
25、型物的3D3D 打印机采用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现了利用这种 3D3D 打印机制作实际金属部件的用户。打印机制作实际金属部件的用户。制作蜡模和砂模制作蜡模和砂模为制造金属部件而使用为制造金属部件而使用 3D3D 打印机的应用方面，用打印机的应用方面，用3D3D 打印机制作用来铸造金属部件的打印机制作用来铸造金属部件的学习文档 仅供参考模具的方法已经普及。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此次有多家公司展示了可制造
26、失蜡铸造用蜡模的 3D3D 打印机，打印机，还展示还展示了用可制作砂模的了用可制作砂模的 3D3D 打印机打印的造型物。打印机打印的造型物。例如，例如，田边研电田边研电 总部：总部：东京东京 展出的美国展出的美国 SolidscapeSolidscape 公司生产的公司生产的 3D3D 打印机打印机“3Z Pro3Z Pro”就是制造蜡模的就是制造蜡模的 3D3D 打印机。打印机。从喷头只向截面形状部分喷出熔化的蜡进行积层。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。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。XYXY方向的分辨率高达方向的分辨率高达 500050005000dpi5000dpi。学习文档 仅供参考