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1、3D打印技术模块二3D打印机概述教学课件3D打印机模块二3D打印技术概述学习单元一3D 打印机的基本工作原理及工作流程学习单元一一、3D 打印机的基本工作原理3D 打印技术是基于“离散/堆积成型”的思想，用层层加工的方法将成型材料“堆积”而形成实体零件，也称为快速成型技术或叠加制造技术。从原理上说，3D 打印需要通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“切片”成逐层的截面数据，并把这些信息传送到3D 打印机上。3D 打印机会把这些切片堆叠起来，直到一个固态物体成型。学习单元一一、3D 打印机的基本工作原理3D 打印机层层印刷的原理和喷墨打印机类似，打印机内装有液
2、体或粉末等打印材料，与计算机连接后，通过计算机控制，采用分层加工、叠加成型的方式来造型，将设计产品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，一层一层叠加起来，最终将计算机上的蓝图变为实物。学习单元一一、3D 打印机的基本工作原理普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D 打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的打印材料，是实实在在的原材料。3D 打印机是可以“打印”出真实的3D 物体的一种设备，如打印机器人、玩具车、各种模型，甚至是食品等。之所以通俗地称其为“打印机”，是参照了普通打印机的技术原理，因为其分层加工的过程与喷墨打印十分相似。学习单元一二、3D 打印机的工作流程3D 打印技术是以3D
3、模型为蓝本，通过软件将3D 模型进行分层离散化处理，由数控成型系统利用激光束、紫外线、热熔等方式将树脂、陶瓷粉末、塑料等特殊材料在X-Y 平面进行逐层成型扫描，并在Z 轴进行堆积黏结，最终叠加成实体产品，如图2-1、图2-2 所示。学习单元一二、3D 打印机的工作流程在操作上，普通打印机打印一份文件，单击计算机屏幕上的“打印”按钮，数字文档就会被输送到喷墨打印机里，打印机在一张纸的表面留下一层油墨，从而创造出一个二维图像。在3D 打印机的打印过程中，通过一台计算机的辅助设计，3D 打印软件把图像分解为一系列数字切片，并把描述这些数字切片的信息输送到3D 打印机中，打印机便连续不断地增加薄层，直
4、到一个坚固的物体出现为止。这两种打印机最大的区别是，3D打印机所使用的“墨水”是一种粉末状或者丝状的材料。学习单元二3D 打印机的分类学习单元二一、按照打印机的大小分类按照大小，可以将3D 打印机分为工业级3D 打印机和桌面级3D 打印机。工业级3D 打印机（图2-3）一般比较大，可以打印的物体也偏大，一般用于工业产品的制造，如打印一些零部件和模具。工艺不同，其使用的材料也各不相同。学习单元二一、按照打印机的大小分类桌面级3D 打印机（图2-4）一般比较小，就像普通打印机一样可以直接放置在桌面上打印物体。这种打印机基本上采用的是FDM 工艺，更多地应用于日常生活中，如打印一些小零件或小玩具。这
5、种打印机因为简单轻便，很受设计师的欢迎，很多设计师会购置3D 打印机来印证自己的设计是否可行。图 2-4桌面级 3D 打印机学习单元二二、按照打印机的成型原理分类打印机的成型原理，打印机的成型原理，可分为熔融沉积成型、立体光固化成型、三维印刷成型、选可分为熔融沉积成型、立体光固化成型、三维印刷成型、选择性激光烧结成型、薄材叠层制造成型等。择性激光烧结成型、薄材叠层制造成型等。（1）熔融沉积成型。熔融沉积成型工艺的材料一般是热塑性材料。（2）立体光固化成型。立体光固化成型工艺用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之按由点到线、由线到面顺序凝固。（3）三维印刷成型。三维印刷成型即three
6、 dimension printing。（4）选择性激光烧结成型。选择性激光烧结技术与3DP 技术相似。（5）薄材叠层制造成型。薄材叠层制造成型又称层叠法成型，它以片材为原材料。学习单元二三、按照打印机打印物体的颜色分类有些打印机只能支持一种颜色的物体的打印，而有的打印机可以支持多种颜色的打印。只有一种颜色的3D 打印机称为单色3D 打印机（图2-5），只有两种颜色的3D 打印机称为双色3D 打印机（图2-6），支持彩色打印的3D 打印机称为全彩3D 打印机（图2-7）。目前只有3DP 技术的打印机是支持全彩的。学习单元二四、按照打印机的打印喷头的数量分类按照打印机的打印喷头的数量可以将3D
7、打印机分为单头打印机、双头打印机和多头打印机。这是相对于FDM 工艺进行分类的，因为FDM 打印机是使用喷头将打印材料的丝从喷头挤出层层堆叠的。目前单头打印机比较多，因为相对而言，单头打印的物体精度要更高一些。虽然双头打印机起步较晚，但是已得到了普及。学习单元二五、按照材料薄层结合的方式不同分类按照按照3D 3D 打印机打印时材料的薄层结合的方式不同，可以将打印机打印时材料的薄层结合的方式不同，可以将3D 3D 打印机分为喷墨打印机分为喷墨3D3D打印机、粉剂打印机、粉剂3D 3D 打印机和生物打印机和生物3D 3D 打印机。打印机。1.喷墨3D 打印机部分3D 打印机使用喷墨打印机的工作原理
8、进行打印（图2-8）。喷墨3D 打印机利用喷墨头在一个托盘上喷出超薄的液体塑料层，并经过紫外线照射而凝固。此时，托盘略微降低，在原有薄层的基础上添加新的薄层。另一种方式是熔融沉积成型，具体过程是在一个（打印）机头里将塑料熔化，然后喷出丝状材料，从而构成一层层薄层。学习单元二五、按照材料薄层结合的方式不同分类2.粉剂3D 打印机大多数工业3D 打印机利用粉剂作为打印材料（图2-9）。这些粉剂在托盘上被分布成一层薄层，然后通过喷出的液体黏结剂而凝固。在激光烧结的处理程序中，通过激光的作用，这些粉剂可以熔融成想要的样式。现在，能够用于3D 打印的材料范围非常广泛，塑料、金属、陶瓷及橡胶等材料都可用于
9、打印。有些机器可以把各种材料结合在一起。学习单元二五、按照材料薄层结合的方式不同分类3.生物3D 打印机生物3D 打印机（图2-10）其实就是使用3D 打印机去复制一些简单的生命体组织，如皮肤、肌肉及血管等。未来，大的人体组织（如肾脏、肝脏甚至心脏）也可能通过打印制造。如果生物打印机能够使用病人自己的干细胞进行打印，那么在进行器官移植后，其身体就不会对打印出来的器官产生排斥。学习单元二五、按照材料薄层结合的方式不同分类3D 打印机还可以有很多的分类，如按照应用领域的不同，可以分为工业 3D 打印机、人像 3D 打印机（图 2-11）、食品 3D 打印机（图 2-12）等；按照打印的精度不同，可
10、以 分为个人 3D 打印机和专业 3D 打印机等。其实，了解3D 打印机主要就是关注打印机的应用技术、耗材（类别和颜色）、成型尺寸、精度、应用领域等这几个会影响到打印效果的方面。学习单元三3D 打印机的体系结构和组装方法学习单元三一、3D 打印机的体系结构基于FDM 工艺的3D 打印机从控制结构上看，分为上位机和底层控制两层，如图2-13 所示。上位机主要运行三维设计软件、切片软件、控制程序等。底层控制包括嵌入式微控制器、主板、步进电机、电机驱动器、限位开关、热塑材料挤出机、打印平台、温度传感器等。学习单元三 一、3D 打印机的体系结构上位机可以是笔记本或PC，三维设计软件、切片软件、控制程序
11、都运行在上位机上。底层控制主要负责打印的执行，控制器主板连接3D 打印机所需要的所有不同的硬件到微控制器。主板特别需要能承受大负载的转换硬件，以便转换到打印平台和挤出器加热端的高电流环境。主板要能读入温度传感器的输入信号，也要能从大电流电源生成整个系统的能源集线器。主板与每个轴的限位开关进行交互，并对打印头在打印前进行精准定位。微控制器可以和主板集成在一起，也可以分离开来。学习单元三二、3D 打印机的组装方法FDM 型3D 打印机的机械部分最为复杂，涉及的零部件比较多。要制作一台完整的FDM 型3D 打印机，首先要制作3D 打印机的外部基本框架结构，在此框架上才能安装搭建其他零部件。框架组装完
12、成后，需要在框架上搭建一个三轴联动的平台，即控制打印头在X、Y方向（前后、左右）的运动（图2-14），以及打印台在Z 方向的运动。X、Y 轴分别采用两个步进电机驱动。通过光杠的导向作用同步带动支架运动，进而带动打印头在X、Y轴的运动。学习单元三二、3D 打印机的组装方法挤出头是3D 打印机的核心部件（图2-15），市面上比较有名的FDM 型3D 打印机大多采用加热棒对铝块进行加热，通过挤出机将塑料丝从进口端挤入，通过喉管导向，到达铝块，经过熔化进入喷嘴，最后由喷嘴挤出。在挤出头外加散热片和风扇，主要是为了降低喉管上部的温度。学习单元三二、3D 打印机的组装方法加热熔化后的塑料丝由喷嘴挤到打印台上，为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良的现象，将打印台做成加热床（图2-16），床内有热敏电阻与电路板相连来控制加热床的温度。最后将打印材料安装在打印机上。具体的操作因为机器的不同会有区别，可以参考学校提供的3D 打印机进行学习。感 谢 聆 听