【3D打印機原理】層疊截面、支撐結構、材料選擇

通過活用IT技術，如今的開發(fā)人員可以更深入地探討產品設計，實現新的開發(fā)。與此同時，更細致地對相關數據進行驗證的需求也越來越多。3D打印機便是滿足這一需求的工具之一。最近，3D數據經常在設計階段就已登場，利用3D打印機的情況也越來越多。

制造的最終的目的是創(chuàng)造實物。因此，設計中總會有一些在計算機上無法重現的現象，必須通過試驗等方式加以確認。此時，能夠在短時間、以低成本制作出試制品等實物（立體模型）的3D打印機是一個重要工具（見下表）�，F在，作為制作夾具、模具及低產量部件的手段，3D打印機的應用范圍還在不斷擴大。這一次，筆者就來介紹一下3D打印機的概要。



表：主要的3D打印機

層疊截面

3D打印又稱“3D積層造型”，顧名思義，是一種以截面形狀的集合體來表現立體模型的方法。也就是把片狀的截面形狀一層一層疊在一起，最終制成立體模型（圖1）。其造型方法多種多樣，各種方法的區(qū)別在于使用的材料和成型后處理方式的不同。

“3D打印”的名稱源于其使用噴墨打印機噴嘴的方法。與一般打印機一樣，3D打印機也是使用噴嘴制作截面形狀，有從噴嘴直接噴射立體模型材料（光硬化性樹脂、蠟），以及噴射粘合劑使粉末材料固化這兩種方法。

Objet、基恩士（KEYENCE）及Solidscape生產的設備以及3D Systems的“ProJet”系列等采用的是前一種方法（圖1-a）。Objet和基恩士的產品在打印立體模型和支撐部分（將在下一篇中介紹）時均使用光硬化型樹脂，讓紫外線（UV）燈與噴墨噴嘴同步掃描成型面，以使噴射出的樹脂硬化。Solidscape的產品打印立體模型和支撐部分均使用蠟。ProJet的立體模型材料使用光硬化型樹脂或蠟，支撐材料使用蠟。

而3D Systems的“ZPrinter”采用的則是后一種方法（圖1-b）。要先噴灑一層粉末材料，在需要成形的區(qū)域噴射粘結劑，使其固化粘結，在完成一層的造型后，再噴灑下一層的粉末、膠水，如此重復直至完成造型。


圖1：3D打印機的主要幾種工作方式通過將造型為截面形狀的薄片不斷層疊的方法制作立體模型。使用噴墨噴嘴的方法包括直接噴射模型材料和支撐材料的方法（a），以及向粉末材料需要造型的部分噴射粘結劑的方法（b）。直接噴射模型材料的方法使用光硬化性樹脂或蠟。使用粉末材料時，未硬化的粉末將發(fā)揮支撐作用。此外還有不使用噴墨噴嘴、利用內置加熱器的可動式噴嘴噴射熱可塑性樹脂的方法（c）等。
除此之外，也有不使用噴墨噴嘴的方法，那就是Stratasys采用的熔融沉積成型法（FDM）（圖1-c）。這是一種使熱可塑性樹脂從可動式噴嘴擠出的方法，具體為，使細長的線狀材料在加熱的噴嘴內熔化，同時使噴嘴按照一定軌跡運動、擠出熔絲以完成造型。Solido的產品采用的是把涂抹了粘結劑的膜狀材料裁成截面，逐層重疊的方法。

要想靈活使用3D打印機，就必須事先了解支撐結構。由于是采用將截面逐層堆疊這一工作方式，因此必須要有支撐結構為模型部分提供支撐（圖2）。從易用性的角度出發(fā)，使用者必須事先了解去除支撐物的麻煩程度�；�本上，3D打印機都使用不同的材料作為模型材料和支撐材料，以便輕松去除支撐材料。激光掃描光硬化型樹脂液面位置的RP（快速成型）裝置的立體模型與支撐部分采用相同材料。因此，為了方便去除，需要采用縮小立體模型與支撐部分的邊界面等方法。

圖2：必須使用支撐結構的理由 因為是自下而上一層層堆疊截面，所以，在制作有懸空部分和有從中間開始出現的形狀時，就需要利用支撐結構提供支撐。

噴射模型材料的3D打印方式在造型時，要選擇與模型材料不同的材料作為支撐材料。Objet的產品采用凝膠狀材料作為支撐材料，造型后可以用水沖掉。Stratasys的部分產品使用的是可溶于堿性溶液的支撐材料，而3D Systems的ProJet則是使用可溶于酒精的支撐材料。

作為新方法，基恩士2011年11月推出的“Agilista”成為了業(yè)界關注的焦點。該產品使用的支撐材料用自來水即可沖掉（圖3）。只需將造型品泡在水里就能去除支撐部分，因為無需施加太大的力，所以模型的微細部分被破壞的危險性也很小。

實際操作時，先用指尖除掉支撐材料較厚的部分再泡入水中，可以縮短處理時間。泡在水里時，輕輕涮洗、或用流水沖刷都可縮短支撐部分溶解的時間。用于去除支撐材料的水可重復使用。各地政府的廢水處理規(guī)定各不相同，廢水不可以無條件排放，要視最終濃度等而定。

圖3：可溶于水的支撐部分 基恩士的“Agilista”使用水溶性樹脂（顏色為乳白色）作為支撐材料（a）。因為只需泡在自來水中即可溶解，所以無需施加太大的力即可去除微細部分的支撐材料（b）。

另一方面，粉末硬化式3D打印不需要另行制作支撐部分，而是用沒有作為立體模型硬化的粉末來發(fā)揮支撐作用。只要拿起做好的立體模型，未硬化的粉末就會掉落。結構復雜的部分和附著在表面的殘留粉末只需使用壓縮空氣吹掉即可。

3D打印使用的材料主要是光硬化型樹脂，或高溫可以熔化的熱可塑性樹脂（或蠟）。現在，市場上有著各個生產商供應的強度、韌性、透明性、顏色各不相同的種類豐富的材料。

其中，Objet的產品可以制作出由特性不同的材料混合而成的立體模型。該產品配備了多個噴頭，每個噴頭可以噴射不同的樹脂（圖4）。這樣一來，就能為襯墊部分采用橡膠狀材料，為要求強度較高的結構部分采用硬質材料。而且，還能在使用透明材料的部件中，配置使用有色材料的部件，在需要觀察內部的場合發(fā)揮作用。還可以通過混合多種材料為模型賦予新特性。Objet將其稱之為“數字材料”。

而ZPrinter是一款只使用一種材質、但可以自由改變顏色的3D打印機。像彩色打印機一樣，通過使用多種顏色的有色粘結劑，最多可以表現數十萬種顏色。制成立體模型后，表面無需著色，而且復雜的部分也可以準確著色。除此之外，該裝置還能夠在立體模型的表面印制標注等。

就材料的顏色而言，Stratasys的產品也可使用具有相同物理性質的多種顏色的材料。高級機型除了ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚樹脂）類材料之外，還可以使用聚碳酸酯（PC）、聚亞苯基砜（PPSF）等高強度、高耐熱性樹脂。

圖4：使具有不同特性的多種材料一體成型 Objet的高端機型能夠使混雜了特性不同的多種材料的立體模型一體成型。除了為立體模型的不同部位采用不同種類的樹脂之外，還可以在相同位置噴射不同特性的樹脂使其混合，制造具有新特性的模型。

從設計到生產現場

選擇3D打印機時，要針對設想的用途，從最大造型尺寸、可以實現的精度（最小積層厚度和分辨率）、可以使用的材料（特性）等方面考慮。

圖5：在模具試制中的應用 Stratasys的FORTUS系列除了ABS樹脂以外，還可以使用高強度、高耐熱性的PC樹脂及PPSF樹脂。使用這些樹脂可以制作出注射成型、沖壓成型模具的試制品。

例如，需要用肉眼觀測管道中的液體流動時，最好選用透明材料。如果是制作用于試驗的試制品，那就要注重強度和韌性等特性。除了最大造型尺寸之外，其他兩方面僅從產品目錄上的規(guī)格很難拍板，因此，最好委托企業(yè)或服務商（造型代工商）等制作具有代表性形狀的立體模型，對效果進行確認。要想實現高精度，就必須擁有“沿哪個方向設置截面效果更好”等技術經驗，而且，對于去除支撐材料需要花費的工夫等很多方面，只有實際用過才清楚。

不過，雖說必須要明確使用目的，但過多約束3D打印機的用途也并非上策。最近，使用3D打印機制作的立體模型作為夾具、模具試制品的例子也越來越多（圖5）。通過調查設計、制造等各部門對于3D打印機有哪些需求，或許還能發(fā)現出乎意料的應用方法，擴大3D打印機的使用范圍。（日經技術在線！ 供稿）

好信息，頂一下

日經在線是3D systems在做廣告么~感覺在普及3D打印相關知識的感覺

學習了，掃盲中

支撐是在模型設計時就設計好的嗎，就是說模型和支撐是一個實體嗎

flysong 發(fā)表于 2013-12-12 16:09
支撐是在模型設計時就設計好的嗎，就是說模型和支撐是一個實體嗎

支撐結構是在切片過程中軟件計算生成的，在打印過程中和模型材料一起逐層堆積而成。