3D打印指南 - 什么是3D打印以及3D打印机如何工作? 

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发布时间: 2019-08-07 10:24

在3dzyk.cn,我们一直在寻求向公众宣传3D打印这项令人难以置信的技术。因此,我们已着手制作一份简短而有益的3D打印指南,工作原理以及所涉及的各种技术。我们希望它可以教你一些关于技术的知识,也许可以作为你的创造力狂奔的跳板。


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什么是3D打印?

早在1986年,一个名叫Chuck Hull的人就发明了3D打印,3D打印是一个采用数字3D模型并将该数字文件转换为物理对象的过程。虽然赫尔继续推出世界上最大的3D打印机制造商之一3D Systems,但他的发明主要集中在一种名为Stereolithography(SLA)的制造工艺上。从那时起,已经开发了许多其他3D打印技术,例如熔融沉积成型(FDM)/熔融长丝制造(FFF),选择性激光烧结(SLS),PolyJetting等,所有这些都依赖于逐层制造并基于提供给打印机的计算机代码。

虽然有许多技术可以用于3D打印,但是在家庭或办公室环境中找到的大多数3D打印机都是基于FDM / FFF或SLA,因为这些技术目前更便宜且更容易在机器内实现。稍后我们将进一步详细介绍这些技术和其他技术。

“3D打印”也可称为“增材制造”,特别是在提及其在制造环境中的使用时,许多人都交替使用这2个短语。

3D打印机如何工作?

这是一个广泛的问题,在上一节中有部分解释。话虽如此,真正了解3D打印如何工作的最佳方式是了解所涉及的各种技术。与发动机基于相同原理相互作用的方式相似,但并非都使用汽油或太阳能,所有3D打印机都不使用相同的基础技术,但仍设法完成相同的基本任务。然而,在我们进入这些单独的技术之前,应该了解将3D模型在计算机屏幕上传输到3D打印机的基本原则。

G代码示例

计算机不像人类; 他们不能只看3D模型就可以清楚3D打印机的打印内容。涉及1和0的批次,意味着大量的计算机代码。一旦3D模型被设计或简单地从诸如3D打印资源库的模型库下载,该文件(这些通常具有诸如3MF,STL,OBJ,PLY等的扩展)必须被转换成称为G代码的东西。
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G代码是一种数控计算机语言,主要用于计算机辅助制造(减法制造和增材制造)。它是一种告诉机器如何移动的语言。如果没有G代码,计算机将无法在制造过程中通信存放,固化或烧结材料的位置。需要诸如Slic3r之类的程序才能将3D模型文件转换为G代码。一旦创建了G代码,就可以将其发送到3D打印机,提供关于其下几千个移动将包含的内容的蓝图。这些步骤都构成了物理对象的完整制造。还有其他计算机语言,也许很多人最终会受欢迎,但到目前为止,G代码是最重要的。


现在让我们来看看3D打印背后的一些比较流行的技术:

熔融沉积成型(FDM)/熔融纤维制造(FFF):
熔融沉积成型(FDM)是由Chuck Hull最初发明,3D打印几年后Crump于1990年通过Stratasys继续将该技术商业化,Stratasys实际上在该术语上有商标。这就是为什么相同的通用技术通常被称为熔丝制造(FFF)。

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基本上这种技术的工作方式相当简单,这就是为什么现在家庭和车库中95%的桌面3D打印机都使用FDM / FFF。将诸如PLA或ABS的热塑性塑料送入挤出机并通过热端;然后,热端将塑料熔化,将其变成粘稠的液体。然后打印机通过G代码从计算机获取其指令,并逐层沉积熔融塑料,直到制造出整个物体。塑料熔化得相当快,为每个附加层的沉积提供了坚固的表面。

根据热端的最高温度以及其他变量,可以使用除ABS和PLA之外的许多其他材料,包括两种材料的复合材料,尼龙等。


立体光固化技术(SLA)

正如我们上面提到的,这是1986年发明的第一个3D打印技术.3D Systems拥有许多涉及该技术的专利,这些专利正在未来几年内到期,市场内并没有大量的竞争。这意味着该技术价格过高,使用频率低于FDM / FFF替代品。

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SLA工艺不是将材料从热端挤出,而是与激光或DLP投影仪结合使用光敏树脂。物体被印刷在一桶树脂中作为激光器或其他光源如投影仪在形成物体时逐层地逐层固化(硬化)树脂。通常,SLA机器能够实现比FDM / FFF技术更好的精度和更少的分层外观。


选择性激光烧结(SLS)/选择性激光熔化(SLM)/直接金属激光烧结(DMLS):
这三种技术非常相似,但有明显的差异。我们发现许多人可以互换使用这些术语,事实上,有理由使用一种方法而不是其他方法。选择性激光烧结(SLS)和直接金属激光烧结(DMLS)实际上都是相同的技术。该术语的差异基于所使用的材料。DMLS特别指的是使用激光束逐层烧结金属粉末,而SLS是简单相同的工艺,但使用非金属材料,如塑料,陶瓷,玻璃等.DMLS和SLS都不能完全熔化材料,而是烧结它们或在分子水平上将它们熔合在一起。在处理金属时,DMLS是金属合金的理想选择,因为分子具有不同的熔点,这意味着有时难以实现完全熔化。

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另一方面,当处理由一种材料(例如钛)组成的金属时,选择性激光熔化(SLM)是一种可行的方式,因为激光能够将分子完全熔化在一起。由于所需的高功率激光束,所有这三个过程目前都很昂贵,并且超出了大多数个人甚至小型企业的预算。此外,必须采取安全预防措施,这意味着用户需要额外的费用。


PolyJetting:
由以色列公司Objet发明的一项技术,于2012年与Stratasys合并,PolyJetting结合了喷墨2D打印和Stereolithography工艺的元素。基本上,喷墨喷嘴以类似的方式将液体光敏树脂喷射到构建平台上,使得在典型的2D打印过程中将墨水喷射到纸张上。在材料喷射之后,立即将UV光源引入材料中,在将下一层光敏液体喷涂在顶部之前快速固化它。重复该过程直到制造整个物体。Stratasys目前在其广受欢迎的Connex系列机器中使用此类技术。


基于石膏的3D打印(PP)
这是一个需要使用两种不同材料的工艺:位于印刷床上的粉末材料(石膏灰泥,淀粉等),以及从类似喷嘴喷出的粘合油墨

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将喷墨打印机放在粉末床上,使其硬化。一旦将一层粉末粘合在一起,类似耙子的仪器就会在该层上筛选出额外的粉末,并且该过程继续进行,直到制造出整个物体。该技术最初于90年代早期在麻省理工学院发明,之后于1995年被一家名为Z Corporation的公司商业化,该公司于2011年被价值1.37亿美元的3D Systems收购。


其他:
每周似乎都有新的方法用于3D打印。最近推出的新技术与惠普的Multi Jet Fusion以及Carbon3D的CLIP技术一样。随着我们进入未来几年,看看哪些技术占据了哪些技术并且哪些技术可能会被淘汰将会很有趣。


3D打印可以用于什么?

虽然最初3D打印主要是用于原型制作的技术,但这种情况正在迅速改变。现在,许多制造商正在通过增材制造生产最终用途组件和整个产品。从航空航天工业到医疗建模和植入,再到各种原型制作,3D打印正以这种或那种方式被地球上几乎所有主要行业所采用。

医学:
人体器官的3D打印模型在过去的两到三年里一直是外科医生的常用工具,因为它们提供了对手头问题更复杂的看法。外科医生可以实际接触并感受患者器官,骨骼结构或其他任何其他工作的物理复制品,而不是依赖于计算机屏幕或打印输出上的2D和3D图像。

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此外,像Organovo这样的公司正在进行研究,以打印3D肝脏和肾脏等部分人体器官。Organovo已经在3D打印活体人体肝脏组织进行药物毒理学测试。他们通过使用类似于家庭中可能找到的FDM桌面3D打印机的过程来实现这一目的,但他们使用的是注入活细胞的水凝胶,而不是热塑性塑料和热量。在接下来的十年中,这项研究应该真正开始带来红利,并且在15到20年内,我们很有可能将整个人体器官3D打印用于移植。

定制的开源假肢制造是3D打印优秀的另一个重要领域。像Enabling The Future这样的组织正在以数百美元的价格在2,000美元以下的3D打印机上打印义肢,为那些有上肢截肢的人提供一些值得欢呼的东西。除了3D打印手和手臂,还有腿,我们还看到了各种动物的3D打印假肢,包括用于龟的钛颚,用于乌龟的壳,以及用于鸭,鹅甚至犬的腿。

航空航天:
由于增材制造提供了独特的几何形状,世界各地的军队以及NASA和ESA等机构以及众多飞机制造商正在转向3D打印,以减少其飞机的整体重量。复杂的几何形状和新材料提供了更高的强度和更小的质量,可能在航天器和/或火箭发射出大气层的过程中,可以节省像NASA船载燃料这样的组织,从而节省资金。与此同时,波音和空客等公司正在使用3D打印来减轻飞机重量,从而降低每次飞行的燃油成本。

原型设计:
全球的制造工厂正在使用3D打印作为降低成本,节省时间和生产更好产品的方法。由于不再需要外包零件的原型,公司能够快速迭代设计,通常可以节省数周等待第三方返回模具或原型。从汽车制造商到电子公司以及介于两者之间的任何人,3D打印是一项非常宝贵的技术。

艺术/教育:
3D打印能够将想象力带入生活。艺术家不仅能够将他们的想法记录在计算机屏幕上,他们还能够通过数字模型将这些想法变为现实。这项技术的作用是释放出一种全新的创造力媒介,不仅适用于艺术家,也适用于现在能够更好地可视化概念,创造功能性产品和通过实践经验学习的儿童和年轻人。

在接下来的几年中,我们将看到将3D打印纳入其课程的小学,中学和高中数量的惊人扩展。这实际上将为这些学生提供职业生涯,这几乎肯定需要在未来十年或二十年内以单向,形状或形式进行3D打印。


我在哪里可以买到3D打印机?

随着技术逐渐进入主流,越来越多的商店,如淘宝,京东等,已开始搭载众多不同的3D打印机。此外,通过各个3d打印厂家的官网也可以直接购买。

这就是我们给大家整理的一个简短的3D打印指南,我们希望让你更多地了解3D打印是什么,它用于什么,以及过程中涉及的各种技术如何实际工作。

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