基于CAD的3D打印技術心得體會

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3D打印技術

一、3D打印的概念

我們日常生活中使用的一般打印機可以打印電腦設計的平面物品，而所謂的3D打印機與一般打印機工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，一般打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料，打印機與電腦連接后，通過電腦掌握可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。

3D打印技術，是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特別材料進行逐層積累黏結，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產(chǎn)成品不同，3D打印將三維實體變?yōu)槿舾蓚€二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進行生產(chǎn)，大大降低了制造的簡單度。這種數(shù)字化制造模式不需要簡單的工藝、不需要浩大的機床、不需要眾多的人力，直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中便可生成任何外形的零件，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延長。

二、3D打印的原理

3D打印并非是新奇的技術，這個思想起源于19世紀末的美國，并在20世紀80年月得以進展和推廣。中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟把它稱作“上上個世紀的思想，上個世紀的技術，這個世紀的市場”。三維打印通常是采納數(shù)字技術材料打印機來實現(xiàn)。這種打印機的產(chǎn)量以及銷量在二十一世紀以來就已經(jīng)得到了極大的增長，其價格也正逐年下降。使用打印機就像打印一封信：輕點電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數(shù)字文件便被傳送到一臺噴墨打印機上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像。而在3D打印時，軟件通過電腦幫助設計技術（CAD）完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機上，后者會將連續(xù)的薄型層面堆疊起來，直到一個固態(tài)物體成型。3D打印機與傳統(tǒng)打印機最大的區(qū)分在于它使用的“墨水”是實實在在的原材料。三、3D打印的過程1)三維設計階段：先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。

設計軟件和打印機之間協(xié)作的標準文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面辨別率越高。PLY是一種通過

掃描產(chǎn)生的三維文件的掃描器，其生成的VRML或者

WRL文件常常被用作全彩打印的輸入文件。

2)打印過程：打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術的特點在于其幾乎可以造出任何外形的物品。

打印機打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的辨別率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米。而平面方向則可以打印出跟激光打印機相近的辨別率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。用傳統(tǒng)方法制造出一個模型通常需要數(shù)小時到數(shù)天，依據(jù)模型的尺寸以及簡單程度而定。而用三維打印的技術則可以將時間縮短為數(shù)個小時，當然其是由打印機的性能以及模型的尺寸和簡單程度而定的。

傳統(tǒng)的制造技術如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術則可以以更快，更有彈性以及更低成本的方法生產(chǎn)數(shù)量相對較少的產(chǎn)品。一個桌面尺寸的三維打印機就可以滿意設計者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。

3)完成：三維打印機的辨別率對大多數(shù)應用來說已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高辨別率的物品可以通過如下方法：先用當前的三維打印機打出稍大一點的物體，再略微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高辨別率”物品。

有些技術可以同時使用多種材料進行打印。有些技術在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

四、3D打印的技術

很多相互競爭的技術是可用的。它們的不

同之處在于以不同層構建創(chuàng)建部件，并且以可

用的材料的方式。一些方法利用熔化或軟化可

塑性材料的方法來制造打印的“墨水”，例如：選擇性激光燒結（selectivelasersintering，SLS）和混合沉積建模（fuseddepositionmodeling，F(xiàn)DM），還有一些技術是用液體材料作為打印的“墨水”的，例如：立體平板印刷（stereolithography，SLA）、分層實體制造（laminatedobjectmanufacturing，LOM）。

3D打印的技術主要包括SLA、FDM、SLS、LOM等工藝，簡潔介紹三種主流技術：

1)立體光刻造型技術(SLA)：可以想象一下把一根黃瓜切成很薄的薄片再拼成一整根。先由軟件把3D的數(shù)字模型，“切”成若干個平面，這就形成了許多個剖面，在工

作的時候，有一個可以舉升的平臺，這個平臺四周有一個液體槽，槽里面布滿了可以紫外線照耀固化的液體，紫外線激光會從底層做起，固化最底層的，然后平臺下移，固化下一層，如此往復，直到最終成型。

其優(yōu)點是精度高，可以表現(xiàn)精確?????的表面和平滑的效果，精度可以達到每層厚度0.05毫米到0.15毫米。缺點則為可以使用的材料有限，并且不能多色成型。

2)熔融沉積成型技術：同樣是需要把3D的模型薄片化，但是成型的原理不一樣。熔融沉積成型技術，就是把材料用高溫熔化成液態(tài)，然后通過噴嘴擠壓出一個個很小的球狀顆粒，這些顆粒在噴出后馬上固化，通過這些顆粒在立體空間的排列組合形成實物。

這種技術成型精度更高、成型實物強度更高、可以彩色成型，但是成型后表面粗糙。

3)選擇性激光燒結(簡稱SLS)不同材料的粉末為原料：SLS工藝又稱為選擇性激光燒結。SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用高強度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強度的激光照耀下被燒結在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分粘接；當一層截面燒結完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地燒結下層截面。

選擇性激光燒結的特點：創(chuàng)造于1989年；比SLA要牢固的多，通常可以用來制作結構功能件；激光束選擇性地熔合粉末材料：尼龍、彈性體、將來還有金屬；優(yōu)于SLA的地方：材料多樣且性能接近一般工程塑料材料；無碾壓步驟因此Z向的精度不簡單保證好；工藝簡潔，不需要碾壓和掩模步驟；使用熱塑性塑料材料可以制作活動鉸鏈之類的零件；成型件表面多粉多孔，使用密封劑可以改善并強化零件；使用刷或吹的方法可以輕易地除去原型件上未燒結的粉末材料。

五、3D打印的材料

（一）工程塑料

指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。

1)PC材料：是真正的熱塑性材料，具備工程塑料的全部特性。高強度，耐高溫，抗沖擊，抗彎曲，可以作為最終零部件使用，應用于交通工具及家電行業(yè)。

2)PC-ISO材料：是一種通過醫(yī)學衛(wèi)生認證的熱塑性材料，廣泛應用于藥品及醫(yī)療器械行業(yè)，可以用于手術模擬，顱骨修復，牙科等專業(yè)領域。

3)PC-ABS材料：是一種應用最廣泛的熱塑性工程塑料，應用于汽車，家電及通信行業(yè)。

（二）光敏樹脂

即是UV樹脂，由聚合物單體與預聚體組成，其中加有光（紫外光）引發(fā)劑（或稱

為光敏劑）。在肯定波長的紫外光（250-300納米）照耀下立即引起聚合反應完成固化。一般為液態(tài)，一般用于制作高強度、耐高溫、防水等的材料。

1)Somos19120材料為粉紅色材質，鑄造專用材料。成型后直接代替精密鑄造的蠟膜原型，避開開模具的風險，大大縮短周期。擁有低留灰燼和高精度等特點。

2)Somos11122材料為半透亮?????材質，類ABS材料。拋光后能做到近似透亮?????的藝術效果。此種材料廣泛用于醫(yī)學討論、工藝品制作和工業(yè)設計等行業(yè)。3)SomosNext材料為白色材質，類PC新材料，材料韌性較好，精度和表面質量更佳，制作的部件擁有最先進的剛性和韌性結合。

（三）全彩色石膏材料材料本身是石膏基粉末，是用粘接劑結合在一起，同時用噴墨頭嵌入。使用該材料打印出來的產(chǎn)品堅硬，稍脆，但它是唯一一個可以打印全彩色的材料，打印出來的樣品顏色亮麗，栩栩如生。適用設備：Zprinter彩色立體打印機。

（四）尼龍材料

通過激光粉末燒結技術，一層層的通過紅外激光將燒結成型。適用于EOSP塑料尼龍粉末燒結成型設備。

（五）鋁材料

尼龍鋁模型是由一種灰色鋁粉及腈綸混合物制作而成。尼龍鋁是一種高強度并且硬挺的材料，做成的樣件能夠承受較小的沖擊力，并能在彎曲狀態(tài)下反抗一些壓力。它的表面是一種沙沙的、粉末的質感，也略微有些疏松。

（六）鈦合金

生產(chǎn)最終使用的金屬樣件，質量可媲美開模加工的模型。鈦合金模型的強度特別高，尺寸精密，能制作的最小細節(jié)的尺寸為0.1mm。

（七）不銹鋼

不銹鋼模型是用一種加入了銅成分的不銹鋼粉打印而成。不銹鋼打印在金屬打印上來講算是最廉價的一種打印形式，既具有高強度，又適合打印大物品。

（八）生物材料：既是細胞，用于各種生物支架的制作。

六、3D打印成果

1)航模飛機：據(jù)國外媒體報道，3D打印機曾用

于制造一些機械零部件和小玩具，但是在2022年，美

國弗吉尼亞高校工程系的討論人員采納最新的3D打

印技術制造了一架無人飛機，機翼寬6.5英尺（約合

1.9米），由打印零件裝配構成，巡航時速達到45英

里（約合72千米）。

討論人員稱，2022年為了設計建筑一個塑料渦輪風扇發(fā)動機需要兩年時間，成本大約25萬美元。但是使用3D技術，設計和建筑這架3D飛機僅用4個月時間，成本大約2000美元。這將創(chuàng)建一個前所未有的飛行教學平臺。

2)奇妙的超級3D打印機：科學家研制了一款奇妙的3D打印機，可用于將來行星登陸時建筑基地的任務中。比如，將來在月球基地中生活的宇航員可以使用這款3D打印機，將月球上巖石或者特別材料“打印”成所需要的工具。至2022年為止，其應用范圍幾乎可以將任何固體材料制造成所需的工具，可以允許將來的探險家建設外星球基地。

3)骨骼3D打印技術：美國討論人員利用3D打印機開發(fā)骨骼打印技術，造出類似骨骼的材料。討論人員說，它可被用于骨科、牙科治療或開發(fā)治療骨質疏松癥藥物。磷酸鈣生物陶瓷材料是整形外科領域一類重要的骨修復材料，可模擬人體自然骨結構，相宜細胞和骨組織的長入。討論發(fā)覺，在生物陶瓷粉主要成分磷酸鈣中添加硅和氧化鋅可以使其強度提升一倍。討論人員使用一部從前用于打印金屬材料的3D打印機制造類骨骼物質。它在粉末層上噴出塑料黏合劑，粉末層厚度僅為一根頭發(fā)絲寬度的一半。粉末層層疊加，干燥后達到要求的支架厚度，然后在1250攝氏度下烘烤2小時。試驗室環(huán)境下的未成熟骨細胞生長測試顯示，支架上的骨細胞在移植一周內開頭生長。在兔子和老鼠身上的活體試驗同樣得到可喜效果。討論人員說，這種類骨骼物質可被添加到受損自然骨上，當作支架材料，促使細胞和骨組織生長，而且這種類骨骼物質可最終降解，沒有“明顯負面效果”。他們說，數(shù)年后，醫(yī)生可利用這一技術定做更換骨組織。

2022年，瑞士討論人員復制出一名男子的拇指骨骼。德國夫瑯禾費界面工程與生物工程討論所討論人員把立體打印技術與雙光子聚合技術相結合，于2022年開發(fā)出血管打印技術。打印時，打印機發(fā)出兩束強激光，焦點對準同一分子。這個分子同時汲取兩個光子，即所謂的雙光子聚合。經(jīng)過雙光子聚合的分子變成一個有彈性的固體，討論人員用它來制造高