【3D打印機(jī)原理】層疊截面、支撐結(jié)構(gòu)、材料選擇

通過(guò)活用IT技術(shù)，如今的開(kāi)發(fā)人員可以更深入地探討產(chǎn)品設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)新的開(kāi)發(fā)。與此同時(shí)，更細(xì)致地對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證的需求也越來(lái)越多。3D打印機(jī)便是滿足這一需求的工具之一。最近，3D數(shù)據(jù)經(jīng)常在設(shè)計(jì)階段就已登場(chǎng)，利用3D打印機(jī)的情況也越來(lái)越多。

制造的最終的目的是創(chuàng)造實(shí)物。因此，設(shè)計(jì)中總會(huì)有一些在計(jì)算機(jī)上無(wú)法重現(xiàn)的現(xiàn)象，必須通過(guò)試驗(yàn)等方式加以確認(rèn)。此時(shí)，能夠在短時(shí)間、以低成本制作出試制品等實(shí)物（立體模型）的3D打印機(jī)是一個(gè)重要工具（見(jiàn)下表）�，F(xiàn)在，作為制作夾具、模具及低產(chǎn)量部件的手段，3D打印機(jī)的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大。這一次，筆者就來(lái)介紹一下3D打印機(jī)的概要。



表：主要的3D打印機(jī)

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(lái)表現(xiàn)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(jī)噴嘴的方法。與一般打印機(jī)一樣，3D打印機(jī)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(shù)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(chǎn)的設(shè)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(chǎn)品在打印立體模型和支撐部分（將在下一篇中介紹）時(shí)均使用光硬化型樹(shù)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(shù)脂硬化。Solidscape的產(chǎn)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(shù)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(jié)劑，使其固化粘結(jié)，在完成一層的造型后，再噴灑下一層的粉末、膠水，如此重復(fù)直至完成造型。


圖1：3D打印機(jī)的主要幾種工作方式通過(guò)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(jié)劑的方法（b）。直接噴射模型材料的方法使用光硬化性樹(shù)脂或蠟。使用粉末材料時(shí)，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(nèi)置加熱器的可動(dòng)式噴嘴噴射熱可塑性樹(shù)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(shù)脂從可動(dòng)式噴嘴擠出的方法，具體為，使細(xì)長(zhǎng)的線狀材料在加熱的噴嘴內(nèi)熔化，同時(shí)使噴嘴按照一定軌跡運(yùn)動(dòng)、擠出熔絲以完成造型。Solido的產(chǎn)品采用的是把涂抹了粘結(jié)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(jī)，就必須事先了解支撐結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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。基本上，3D打印機(jī)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(shù)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(jié)構(gòu)的理由 因?yàn)槭亲韵露�上一層層堆疊截面，所以，在制作有懸空部分和有從中間開(kāi)始出現(xiàn)的形狀時(shí)，就需要利用支撐結(jié)構(gòu)提供支撐。

噴射模型材料的3D打印方式在造型時(shí)，要選擇與模型材料不同的材料作為支撐材料。Objet的產(chǎn)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(chǎn)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(guān)注的焦點(diǎn)。該產(chǎn)品使用的支撐材料用自來(lái)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?yàn)闊o(wú)需施加太大的力，所以模型的微細(xì)部分被破壞的危險(xiǎn)性也很小。

實(shí)際操作時(shí)，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(shí)間。泡在水里時(shí)，輕輕涮洗、或用流水沖刷都可縮短支撐部分溶解的時(shí)間。用于去除支撐材料的水可重復(fù)使用。各地政府的廢水處理規(guī)定各不相同，廢水不可以無(wú)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(shù)脂（顏色為乳白色）作為支撐材料（a）。因?yàn)橹恍枧菰谧詠?lái)水中即可溶解，所以無(wú)需施加太大的力即可去除微細(xì)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(méi)有作為立體模型硬化的粉末來(lái)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(huì)掉落。結(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)脂，或高溫可以熔化的熱可塑性樹(shù)脂（或蠟）�，F(xiàn)在，市場(chǎng)上有著各個(gè)生產(chǎn)商供應(yīng)的強(qiáng)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(chǎn)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(chǎn)品配備了多個(gè)噴頭，每個(gè)噴頭可以噴射不同的樹(shù)脂（圖4）。這樣一來(lái)，就能為襯墊部分采用橡膠狀材料，為要求強(qiáng)度較高的結(jié)構(gòu)部分采用硬質(zhì)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(nèi)部的場(chǎng)合發(fā)揮作用。還可以通過(guò)混合多種材料為模型賦予新特性。Objet將其稱之為“數(shù)字材料”。

而ZPrinter是一款只使用一種材質(zhì)、但可以自由改變顏色的3D打印機(jī)。像彩色打印機(jī)一樣，通過(guò)使用多種顏色的有色粘結(jié)劑，最多可以表現(xiàn)數(shù)十萬(wàn)種顏色。制成立體模型后，表面無(wú)需著色，而且復(fù)雜的部分也可以準(zhǔn)確著色。除此之外，該裝置還能夠在立體模型的表面印制標(biāo)注等。

就材料的顏色而言，Stratasys的產(chǎn)品也可使用具有相同物理性質(zhì)的多種顏色的材料。高級(jí)機(jī)型除了ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚樹(shù)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(qiáng)度、高耐熱性樹(shù)脂。

圖4：使具有不同特性的多種材料一體成型 Objet的高端機(jī)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(shù)脂之外，還可以在相同位置噴射不同特性的樹(shù)脂使其混合，制造具有新特性的模型。

從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)

選擇3D打印機(jī)時(shí)，要針對(duì)設(shè)想的用途，從最大造型尺寸、可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)用 Stratasys的FORTUS系列除了ABS樹(shù)脂以外，還可以使用高強(qiáng)度、高耐熱性的PC樹(shù)脂及PPSF樹(shù)脂。使用這些樹(shù)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(cè)管道中的液體流動(dòng)時(shí)，最好選用透明材料。如果是制作用于試驗(yàn)的試制品，那就要注重強(qiáng)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(chǎn)品目錄上的規(guī)格很難拍板，因此，最好委托企業(yè)或服務(wù)商（造型代工商）等制作具有代表性形狀的立體模型，對(duì)效果進(jìn)行確認(rèn)。要想實(shí)現(xiàn)高精度，就必須擁有“沿哪個(gè)方向設(shè)置截面效果更好”等技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，而且，對(duì)于去除支撐材料需要花費(fèi)的工夫等很多方面，只有實(shí)際用過(guò)才清楚。

不過(guò)，雖說(shuō)必須要明確使用目的，但過(guò)多約束3D打印機(jī)的用途也并非上策。最近，使用3D打印機(jī)制作的立體模型作為夾具、模具試制品的例子也越來(lái)越多（圖5）。通過(guò)調(diào)查設(shè)計(jì)、制造等各部門對(duì)于3D打印機(jī)有哪些需求，或許還能發(fā)現(xiàn)出乎意料的應(yīng)用方法，擴(kuò)大3D打印機(jī)的使用范圍。（日經(jīng)技術(shù)在線！ 供稿）

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支撐是在模型設(shè)計(jì)時(shí)就設(shè)計(jì)好的嗎，就是說(shuō)模型和支撐是一個(gè)實(shí)體嗎

flysong 發(fā)表于 2013-12-12 16:09
支撐是在模型設(shè)計(jì)時(shí)就設(shè)計(jì)好的嗎，就是說(shuō)模型和支撐是一個(gè)實(shí)體嗎

支撐結(jié)構(gòu)是在切片過(guò)程中軟件計(jì)算生成的，在打印過(guò)程中和模型材料一起逐層堆積而成。