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      3D打印是如何工作的?
      作者:AG真人国际厅三維3D打印機 瀏覽: 發布日期:2018-08-17 08:41

      3D打印技術極大地革新了製造業的生產方式,有人甚至稱之為“第三次工業革命”。

       

      前不久,世界首架3D打印的無人機試飛成功,時速達到241千米。對於一款民用無人機來說,這個速度非常驚人。美國無人機製造商極光飛行科學公司的航空研究工程師丹·坎貝爾(DanCampbell)表示,3D打印技術能讓設計師對特定的元件進行定製,以改進無人機性能,大大加快無人機的生產速度,並有效降低生產成本。

       

      3D 打印進入無人機技術領域後,很快就給整個產業帶來了積極的影響

       

      那麽,3D打印的秘訣是什麽?它是如何運作的呢?

       

       

      3D打印的基本原理

       

      對於3D打印,首先要搞清楚的就是:它的叫法其實是不準確的。確實,3D打印的程序本質上是2D(二維)打印,隻不過需要在2D打印的基礎上一遍又一遍地打印、一層又一層地疊加,直至一件3D產品最終成型。

       

      通常,2D 打印有多種方式,但都需要將墨水粘在紙上或卡片上。墨水是複雜的液體,由染料、溶劑和其他物質組成。墨水在不使用時保持濕潤狀態,一旦由打印機打印到紙上,與空氣接觸後,就會顯現出顏色並立即變幹。墨水一點點地疊加,在紙上形成字母、文字以及圖片,變幹後就會自動留在紙上,且保持永久不脫落。

       

      3D 打印就好比把油墨層一層一層地堆疊起來,達到一定厚度,每層厚度隻有幾微米(一微米等於百萬分之一米)。另外,2D 打印的墨水相當規範,而對於3D 打印來說,幾乎任何物質都可以充當墨水,比如尼龍、塑料、金屬、食材、生物組織,乃至紙張本身等。

       

      在3D 打印機執行打印任務之前,首先要用電腦設計好要打印的東西,比如一隻杯子。通常是使用三維建模軟件來構建需要打印的物體的3D 模型。這些建模軟件有簡單實用的,也有複雜專業的,但無論哪一種,都需要進行一定的培訓學習才能掌握。當然,如果僅僅是想打印一個和現有物體一模一樣的複製品,也可借助3D 掃描儀來快速建模—直接掃描這個物體,比如一塊化石或者一個機器零件。有了電腦中的這些模型,用計算機輔助設計軟件將這些3D 模型切分成水平薄層,打印機就能按要求把這些一層層的“薄片”疊加打印出來,最終“壘”成要打印的物體。最近,古埃及法老圖坦卡蒙國王(KingTutankhamun) 的木乃伊複製品已按實際尺寸打印出來了,羅丹的著名雕塑《思想者》(TheThinker )也是以同樣的程序對缺損處進行了修補。這兩件作品都是先由3D 掃描儀掃描建模,然後由計算機輔助設計軟件對這些3D 模型進行切分,最後用3D 打印機一層層疊加打印出來的。

       

      通過電腦建立模型後,才能在打印機上麵打印

       

      建立模型後,電腦還要將模型切分成水平薄層

       

      那麽,這些薄層究竟是如何被打印出來的?這說起來稍稍有些複雜,因為3D 打印不止一種方式,現在屬於商業用途的至少有8 種,這些方式有些有類似的步驟,有些又截然相反。下麵我們來看一看最重要的幾項3D 打印技術。

       

      ●立體光固化成型法(SLA)

       

      3D 打印的首次嚐試始於20 世紀80 年代。1983 年,美國發明家查克·赫爾(ChuckHull)發明了立體光固化成型法(SLA)。1987 年,SLA 技術開始應用於商業,並沿用至今。3D 打印技術最初被用於打印樣機。在21 世紀初期,由於納米技術使接近原子水平的精度成為可能,SLA 技術得到了飛速的發展。

       

      SLA 技術的主要原理是光聚合作用。利用光敏樹脂在遇到紫外線照射時由液態單體瞬間聚合成固態聚合物這一特性,在盛放液態樹脂的槽裏,用紫外線對光敏樹脂進行掃描,使光敏樹脂發生光聚合反應,形成固化的薄層。如此反複,層層固化,最終形成一件3D 產品。

       

      立體光固化成型(SLA)打印工作原理

       

      打印開始時,工作台微微浸沒在液態樹脂中,使樹脂在工作台上均勻地鋪上薄薄的一層,紫外線直接照射在需要固化的樹脂薄層表麵,讓樹脂薄層發生光聚合反應而固化。一層固化完畢,工作台下降數微米,讓液態樹脂在固化後的薄層上再鋪上薄薄的一層,再用紫外線照射,新固化的一層牢固地黏結在前一層上,如此循環往複,層層固化,直至整個零件製造完畢。

       

      在這裏,紫外線按照設計的掃描路徑,以由點到線、由線到麵的順序照射到液態光敏樹脂表麵,使光敏樹脂凝固聚合,產生圖案。

       

      ●熔融沉積成型法(FDM)

       

      熔融沉積成型法(FDM)是20 世紀80 年代發明的一項3D 打印技術。FDM 技術的打印原理是:將各種熱塑性材料加熱熔化後由噴頭擠出,這些熔融狀態的材料冷卻(幾乎是瞬間冷卻)後便會凝固,並與底下的材料黏合在一起—也是一層一層地堆疊。FDM 技術的成本較SLA 低,尤其適合打印塑料製品及某些有機材料產品。

       

      熔融沉積成型法(FDM)打印工作原理

       

      ●選擇性激光燒結(SLS)

       

      SLS 技術,即選擇性激光燒結技術,同樣於20 世紀80 年代研製成功。SLS 技術使用粉末材料進行打印。使用SLS 技術打印時,左邊的活塞上升,滾筒將粉末鋪滿工作台,右邊的工作台浸沒在粉末中,激光直接聚焦於目標位置,當激光打在粉末上,粉末就會與先前的固化層熔合(或稱“燒結”)。

       

      當一層截麵燒結後,工作台下降,這時滾動裝置又會在上麵均勻地鋪上一層粉末,開始新一層的燒結。如此反複操作,直到整個產品在粉堆裏完成。在選材方麵,玻璃,聚苯乙烯,以及金屬如鐵、鈦、銀、鋁等,都是SLS技術的理想材料。

       

      選擇性激光燒結(SLS)打印工作原理

       

       

      3D 打印的軟肋

       

      不管3D 打印技術如何顛覆製造業,它還是存在一定的問題。一是傳統的3D打印技術會使產品留有層疊的痕跡。通過顯微鏡觀察打印成品,其層疊的痕跡清晰可見,這說明3D 打印的產品除了在順著打印方向受力時顯得堅固而結實,其他結構還存在諸多薄弱點。若要打印抗拉力強的機械零件,情況就不妙了,因為打印出來的零件隻在一個方向具備強抗拉能力,當方向轉變90°之後,其抗拉能力就會下降50%。二是打印時間長。極光飛行科學公司發現,雖然3D 打印無人機部件比在其他地方定製無人機部件快得多,但並不表示在幾分鍾之內就能完成打印—事實也遠非如此!即使一個簡單的物件,3D 打印也要花費數小時。事實上,想要在商業上大規模地使用3D 打印技術,仍然有很長的路要走。正如美國3D 打印公司“碳3D”(Carbon 3D)的總裁約瑟夫·德西蒙(Joseph DeSimone)所說:“3D打印的速度太慢了!”2013 年,3D 打印產業的收入超過30 億美元,而離設定的2020 年要達到210 億美元的目標還相距甚遠。要實現這一目標,控製打印時長很關鍵!

       

      德西蒙認為他已經解決了上述兩個問題。他是一個高分子化學家、發明家和串行企業家,同時也是美國北卡羅來納大學教堂山分校(Universityof North Carolina at Chapel Hill)的教授,於2013 年在美國矽穀創立了“碳3D” 公司,2015 年推出新型打印係統—連續液體界麵製造技術(CLIP)。

       

       

      柳暗花明—CLIP

       

      從技術上來說,CLIP 其實就是另一種形式的立體光固化成型法,其主要原理仍然是光聚合作用,同樣是利用紫外線照射光敏樹脂,使液體樹脂固化。與立體光固化成型法(SLA)不同的是,這裏的打印件不是放置在工作台上方由下往上層層打印,而是置於工作台下方。當工作台上升並和液體槽慢慢拉開距離時,打印件就從上往下層層生長。直觀看來,像是工作台從液體裏麵“拉”起了一個物件。

       

      CLIP 技術主要依賴於一種既透明又透氣的窗口,該窗口能同時允許紫外線和氧氣通過,並能控製氧氣進入的量和時間。在這裏,作為一種抑製劑,氧氣進入後能夠在樹脂內營造一個盲區,這種盲區最薄可達幾十微米(約為2~3個紅細胞的直徑)厚。在這些區域裏,氧氣能抑製樹脂發生光聚合反應。紫外線發射器把要打印的模型的一個橫截麵從下方投射出去,隻有在沒被氧氣抑製的區域,樹脂才會發生固化。就這樣,固化一層,工作台就會微微升起一層的高度,反複完成這一步驟,直到整個模型被打印出來。

       

      連續液體界麵製造技術(CLIP)打印工作原理

       

      CLIP 打印機正在從液體樹脂裏“拉”起一個埃菲爾鐵塔模型

       

      由於這種打印方法采用的是整層範圍的照射固化,因此,其各個方向的抗拉強度十分均衡,而且打印速度較傳統的3D 打印快了25~100 倍。比如,一件產品用SLS 技術打印需要3.5 個小時,而用CLIP 技術隻需要6.5 分鍾!

       

      事實很好地證明了CLIP 技術正是3D 打印產業發展所需的技術推動力。當3D 打印的SLS 技術在30 年前首次被使用時,互聯網還沒有出現,計算機的性能還不如現在的電子手表。德西蒙及其團隊的新思路預示著3D 打印的新時代將要來臨。現在,3D 打印已在全球範圍內應用,惠及學校、醫院,甚至工商界。隻要科研人員的研究步伐不停止,人類對3D 打印技術的追求就永遠不會停止!

      本文標題:

      3D打印是如何工作的?


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