導讀3D打印的概念由DavidE.H.Jones于1974年然而，直到1980年代初才開發(fā)出制造模型的方法和材料，我來為大家科普一下關于3d打印的工作原理及構成....

3D 打印的概念由 David E.H. Jones 于 1974 年然而，直到 1980 年代初才開發(fā)出制造模型的方法和材料，我來為大家科普一下關于3d打印的工作原理及構成?以下內容希望對你有幫助!

3d打印的工作原理及構成

3D 打印的概念由 David E.H. Jones 于 1974 年。然而，直到 1980 年代初才開發(fā)出制造模型的方法和材料。

“3D 打印”一詞涵蓋了多種工藝和技術，為生產不同材料的零件和產品提供了廣泛的能力。近年來，這些工藝得到了顯著發(fā)展，現(xiàn)在可以在許多應用中發(fā)揮關鍵作用。

這篇概述文章旨在解釋 3D 打印的不同類型和流程、它們的工作原理以及它們在當前市場中的用途和優(yōu)勢。讓我們從一個非常基本的問題開始。

什么是 3D 打印？

圖片說明3D打印機如何逐層打印三維物體

3D 打印，也稱為增材制造，是一種從三維數(shù)字模型或 CAD 模型制作物理對象的過程。它涉及各種計算機控制技術，其中材料被連接或固化以構建實際對象。

通常，材料（例如融合在一起的粉末顆粒或液體分子）以毫米級逐層添加。這就是為什么 3D 打印也被稱為增材制造工藝的原因。

在 1990 年代，3D 打印技術被稱為快速原型制作。它們僅適用于制造美學或功能原型。從那時起，我們已經走了很長一段路。

今天的 3D 打印技術已經足夠先進，可以創(chuàng)建復雜的結構和幾何形狀，否則手動構建是不可能的。

3D 打印的精度、材料范圍和可重復性已經提高到我們幾乎可以構建任何東西的程度——從簡單的原型到復雜的最終產品，如環(huán)保建筑、飛機零件、醫(yī)療器械，甚至是使用多層材料的人造器官。人體細胞。

它是如何工作的？

所有 3D 打印技術都基于相同的原理：3D 打印機將數(shù)字模型（作為輸入）通過逐層添加材料將其變成物理的 3D 對象。

它與使用各種切削工具從實心塊構建所需結構的傳統(tǒng)制造工藝（例如注塑成型和 CNC 加工）截然不同。然而，3D 打印不需要切割工具：物體直接在構建的平臺上制造。

該過程從數(shù)字 3D 模型（對象的藍圖）開始。該軟件（特定于打印機）將 3D 模型切成薄的二維層。然后它將它們轉換為一組機器語言指令，供打印機執(zhí)行。

根據(jù)打印機的類型和對象的大小，打印需要幾個小時才能完成。打印對象通常需要進行后處理（如打磨、上漆、油漆或其他類型的常規(guī)整理）以達到最佳表面光潔度，這需要額外的時間和人工。

不同類型的 3D 打印機采用不同的技術，以不同的方式處理不同的材料。就材料和應用而言，3D 打印的最基本限制可能是沒有一刀切的解決方案。

3D 打印的類型/工藝

根據(jù) ISO/ASTM 52900 標準，所有 3D 打印過程可分為七組。每種方法都有利有弊，通常涉及成本、速度、材料特性和幾何限制等方面。

1. 還原光聚合

圖示：激光 (a) 選擇性地照亮填充有液體光聚合樹脂的罐 (b) 的透明底部 (c)。升降平臺 (e) 逐漸將固化的樹脂 (d) 向上拖起。

基于 Vat 光聚合的3D打印機有一個裝有光聚合物樹脂的容器，該樹脂用紫外線光源硬化以制造物體。還原聚合的三種最常見的形式是

1a) 立體光刻 (SLA)：SLA 于1984年發(fā)明，它使用紫外激光使化學單體和低聚物交聯(lián)，形成構成三維立體主體的聚合物。雖然這個過程很快并且可以構建幾乎任何結構，但它可能很昂貴。

1b) 數(shù)字光處理 (DLP)：它利用傳統(tǒng)光源，例如弧光燈（而不是激光器）。物體的每一層都被投影到液態(tài)樹脂桶上，然后隨著升降平臺的上下移動，樹脂會一層一層地固化。

1c) 連續(xù)液體界面生產 (CLIP)：它類似于立體光刻，但是是連續(xù)的，速度最高可達 100 倍。 CLIP 可以生產具有光滑側面的橡膠狀和柔性物體，這是其他技術無法創(chuàng)建的。

2. 材料擠壓

插圖材料擠出：噴嘴 (1) 將材料 (2) 沉積在構建平臺 (3) 上

在此過程中，將一根固體熱塑性材料的細絲推過加熱的噴嘴，該噴嘴將材料熔化并沿預定路徑將其沉積在構建平臺上。這種材料最終冷卻并凝固，形成一個三維物體。在這個過程中最常用的技術如下所示：

2a) 熔融沉積成型 (FDM)：它使用熱塑性材料的連續(xù)長絲，例如尼龍、熱塑性聚氨酯或聚乳酸。

2b) Robocasting：它涉及從小噴嘴中擠出糊狀材料，同時噴嘴在構建平臺上移動。該過程與 FDM 不同，因為它不依賴于材料的干燥或固化來在擠出后保持其形狀。

3. 片材層壓

一些打印機使用紙和塑料作為構建材料來降低打印成本。在這種技術中，多層粘性塑料、紙或金屬層壓板依次連接在一起，并使用激光切割機或刀具切割成形。

層分辨率可以由材料原料定義。通常它的范圍在一張到幾張復印紙之間。該工藝可用于制造大型零件，但最終產品的尺寸精度將遠低于立體光刻技術。

4. 定向能量沉積

定向能量沉積技術常用于高科技金屬工業(yè)和快速制造應用。打印設備包含固定在多軸機械臂上的噴嘴。噴嘴將金屬粉末沉積在構建平臺上，然后被激光、等離子體或電子束熔化，形成固體物體。

這種類型的 3D 打印支持各種金屬、功能梯度材料和復合材料，包括鋁、不銹鋼和鈦。它不僅可以構建全新的金屬部件，還可以將材料附加到現(xiàn)有部件上，從而實現(xiàn)混合制造應用。

5. 材料噴射

采用材料噴射工藝打印的材料噴射部件

材料噴射的操作方式與噴墨紙打印機類似。在這個過程中，感光材料通過一個小直徑的噴嘴被涂成液滴，然后用紫外線硬化，一層一層地構建一個部分。

該技術中使用的材料是熱固性光聚合物（丙烯酸樹脂）。還提供多種材料印刷和多種材料（包括類橡膠和透明材料）。

由于材料噴射 3D 打印可以構建具有光滑表面光潔度的高尺寸精度部件，因此它是制造視覺原型和商業(yè)工具的一個有吸引力的選擇。

6. 粘合劑噴射

用粘合劑噴射打印在砂巖上的全彩印刷品

粘合劑噴射使用兩種材料：粉末基材和液體粘合劑。粉末均勻分布在構建室中，粘合劑通過噴嘴施加，將粉末顆粒“粘合”以構建所需的物體。

蠟或熱固性聚合物通常與粘合粉末混合以增加其強度。 3D打印完成后，剩余的粉末被收集起來用于打印另一個結構。

由于該技術與類似噴墨的過程非常相似，因此也稱為注入 3D 打印。它主要用于打印彈性體零件、懸垂和彩色原型。

7. 粉床融合

SLS 系統(tǒng) | DTM – 2500CI

粉末床融合是增材制造的一個子集，其中使用熱源（例如熱打印頭或激光）將粉末形式的材料固化以構建物理對象。該技術的五種最常見形式是

7a) 選擇性激光燒結 (SLS)：它使用激光作為電源來燒結聚酰胺或尼龍等粉末材料。這里的術語燒結是指通過施加壓力或熱量而不將其熔化到液化點來壓實和形成固體材料塊的過程。

7b) 選擇性激光熔化 (SLM)：與 SLS 不同，該技術旨在將金屬粉末完全熔化并融合在一起。它可以創(chuàng)建完全致密的材料（逐層），其機械特性類似于傳統(tǒng)制造金屬的機械特性。這是正在工業(yè)和研究中實施的快速發(fā)展過程之一。

7c) 電子束熔化 (EBM)：在此過程中，原材料（金屬絲或金屬粉末）被放置在真空中并使用電子束熔化在一起。雖然 EBM 只能與導電材料一起使用，但由于其更高的能量密度，它具有卓越的構建速度。

7d) 選擇性熱燒結 (SHS)：它使用熱敏打印頭向粉末狀熱塑性塑料層加熱。一層完成后，粉床向下移動，并添加新的一層材料，即然后燒結形成模型的下一個橫截面。這種技術最適合制造用于功能測試的廉價原型和零件。

7e) 直接金屬激光燒結 (DMLS)：它類似于 SLS，但使用金屬功率代替。剩余的能量成為物體的支撐結構，可以重新用于下一次 3D 打印。 DMLS 零件主要由粉末材料制成，如鈦、不銹鋼、鋁和幾種特殊合金。這是定制醫(yī)療部件、石油和天然氣部件以及堅固的功能原型的理想工藝。

應用

近十年來，3D打印得到了長足的發(fā)展。由于它可用于以較低的成本快速制造復雜的設計，因此它已成為各個行業(yè)的必備工具，從商業(yè)制造和醫(yī)藥到建筑和定制設計。

許多增材制造技術可用于制造食品。現(xiàn)代 3D 打印機帶有預裝的板載食譜，還允許用戶在他們的計算機和智能手機上遠程創(chuàng)建他們的食物。 3D打印的食物可以在質地、顏色、形狀、風味和營養(yǎng)方面進行定制。

該技術在藥物制劑中也被證明是有效的。 3D 打印制造的第一個配方于 2015 年生產。同年，F(xiàn)DA 批準了第一個 3D 打印平板電腦。

零重力 3D 打印機于 2014 年送往國際空間站

2014 年，SpaceX 向國際空間站交付了第一臺零重力 3D 打印機。現(xiàn)在，宇航員使用它來打印有用的工具，例如套筒扳手。

事實上，許多計劃在行星或小行星上的組裝項目將使用附近地區(qū)可用的材料以某種方式啟動。 3D 打印是這種引導的主要步驟之一。

如今，科技公司正在將增材制造與云計算相結合，以實現(xiàn)分散和地理獨立的分布式生產。一些公司向私人和商業(yè)客戶提供在線 3D 打印服務（通過網站）。

3D 打印的未來

3D 打印的遠大夢想是“每個人都有一個工廠”。這聽起來可能很奇怪，但不可否認，擁有一臺可以立即生產出無限可定制事物的機器是很吸引人的。

就像計算機和智能手機賦予了數(shù)十億人權力一樣，3D 打印機也可能為制造業(yè)做同樣的事情。

據(jù) GrandViewResearch 稱，2019 年全球 3D 打印市場價值為 115.8 億美元，預計到 2027 年將超過 330 億美元（每年增長 14%）。

預計推動市場增長的因素包括積極的研發(fā)和來自各個垂直行業(yè)（尤其是汽車、航空航天、國防和醫(yī)療保健）的原型應用需求不斷增長。