3D打印機購買指南

1. 引言
2. 哪種3D打印機的技術(shù)更符合您的應(yīng)用需求？
概念模型
驗證模型
預(yù)生產(chǎn)應(yīng)用
數(shù)字化制造
3. 3D打印機性能屬性
打印速度
部件成本
最小細節(jié)分辨率
準(zhǔn)確度
材料屬性
色彩
4. 總結(jié)
1. 引言
3D打印的時代已經(jīng)到來
3D打印已經(jīng)不僅僅是原型設(shè)計。如今，從最初的概念設(shè)計到最終的產(chǎn)品生產(chǎn)，以及此過程涉及的所有環(huán)節(jié)——3D打印為創(chuàng)作的每個階段帶來變革性的便利。在今天這個競爭激烈的社會環(huán)境中，為創(chuàng)作的各個階段選擇適合的3D打印機比以往任何時候都更為重要。
幾年前，只有少數(shù)的專業(yè)設(shè)計工程師使用個人3D打印技術(shù)，而且往往僅限于概念模型和一些原型的打印。3D打印一度被認(rèn)為是新穎的奢侈品，然而事實證明3D打印技術(shù)能產(chǎn)生長期的戰(zhàn)略價值——它可以提高從概念設(shè)計到產(chǎn)品制造的能力，并縮短產(chǎn)品上市時間。如今，3D打印技術(shù)使得越來越多的創(chuàng)作者能進行快速個人3D打印，享受其為創(chuàng)作過程帶來的便捷。
許多龍頭企業(yè)已經(jīng)開始應(yīng)用3D打印技術(shù)，在短時間內(nèi)評估更多的概念，從而在產(chǎn)品研發(fā)早期做出更佳的決策。無論產(chǎn)品大小，隨著設(shè)計過程的向前推進，每一階段都會對技術(shù)方案進行迭代測試以指導(dǎo)決策，旨在改善性能、降低成本、提高質(zhì)量，推出更成功的產(chǎn)品。在預(yù)生產(chǎn)階段，3D打印技術(shù)能夠更快地制造第一批樣品，供給市場營銷和早期采用者。在最終生產(chǎn)過程中，3D打印技術(shù)為越來越多的行業(yè)帶來更高的生產(chǎn)力、經(jīng)濟的個性化定制、更優(yōu)的質(zhì)量和更快的效率。
2. 哪種3D打印機的技術(shù)更符合您的應(yīng)用需求？
從眾多品牌和型號中選擇合適的3D打印機，乍一看似乎是一項艱巨的任務(wù)。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成實物的打印技術(shù)，在各臺打印機之間存在著巨大的差異。今天的3D打印機可以使用各種材料，這些材料在結(jié)構(gòu)屬性、特性定義、表面光潔度、耐環(huán)境性、視覺外觀、準(zhǔn)確性和精密度、使用壽命、熱性能等方面各不相同。重要的是要先確定3D打印的主要應(yīng)用，這才能引導(dǎo)選擇合適的技術(shù)，為您的工作帶來最有效的積極影響。本文將重點介紹一些常見的3D打印技術(shù)應(yīng)用，并簡單介紹選擇一臺3D打印機需要考慮的關(guān)鍵屬性。
概念模型
早期設(shè)計決策往往會影響之后的每一個設(shè)計和工程活動，而概念模型將會有助于做出最佳的早期設(shè)計決策。選擇正確的設(shè)計思路可以降低研發(fā)階段調(diào)整所造成的昂貴成本，縮短整個開發(fā)周期，使產(chǎn)品能更快上市。無論是設(shè)計新款電動工具、辦公配件，還是設(shè)計建筑、鞋子、玩具，3D打印都是評價設(shè)計理念的理想方式——便于輸入所有干系人提出的功能需求，從而做出最優(yōu)的選擇。
在創(chuàng)作的早期階段，如果能用合理的成本費用制作仿真模型而無需實現(xiàn)其功能，從而快速評估眾多設(shè)計方案，那是最理想的。干系人可以更好地將設(shè)計意圖可視化——通過視覺和觸覺來共同感受不同的設(shè)計理念，實現(xiàn)更快、更有效的決策分析。
對于大多數(shù)概念建模應(yīng)用來說，選購3D打印機時需要關(guān)注的性能屬性是打印速度、零部件成本和打印輸出的仿真程度。
驗證模型
當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計初步成型時，設(shè)計師需要驗證各個設(shè)計元素以確保新產(chǎn)品達到預(yù)期效果。個人3D打印使設(shè)計驗證成為一個迭代過程——在整個設(shè)計過程中，設(shè)計師識別并解決每個設(shè)計挑戰(zhàn)，促成新的發(fā)明或者快速識別設(shè)計修改的必要性。
類似的應(yīng)用可能包括造型和調(diào)整、功能特性、裝配驗證等等。驗證模型提供了實際動手操作的機會，這樣的反饋可以迅速證明設(shè)計理論。對于驗證應(yīng)用而言，零部件應(yīng)能提供真實再現(xiàn)的設(shè)計性能。材料特性、模型精度和最小細節(jié)分辨率，是在選購3D打印機進行驗證應(yīng)用時需要重點考慮的屬性。
預(yù)生產(chǎn)應(yīng)用
隨著產(chǎn)品研發(fā)進入最終設(shè)計階段，注意力迅速轉(zhuǎn)向生產(chǎn)啟動階段。這一階段往往涉及制造新產(chǎn)品必需的機床安裝、鉆模和固定裝置投入。在這個階段，供應(yīng)鏈隨著原材料和其他所需組件的采購承諾而逐步擴展。這些必要的投產(chǎn)準(zhǔn)備時間可能會導(dǎo)致上市時間延后。而3D打印可以從各方面降低投資風(fēng)險，縮短產(chǎn)品推出的時間周期。
預(yù)生產(chǎn)的3D打印應(yīng)用包括：快速的短期機床安裝、鉆模和固定裝置工作。實現(xiàn)最終產(chǎn)品和最終使用零件的早期生產(chǎn)和裝配，生產(chǎn)出第一批功能型產(chǎn)品的樣品，供給測試和早期采用者。
這個階段，打印材料的功能特性是至關(guān)重要的。為了保證最終產(chǎn)品質(zhì)量達標(biāo)，且制造模具不會需要昂貴和費時的返工，準(zhǔn)確度和精密度也非常重要。

數(shù)字化制造
一些3D打印技術(shù)幾乎可以打印任何幾何形狀，不受傳統(tǒng)制造方法所固有的限制。因此，設(shè)計師可以獲得更多的設(shè)計自由，達到產(chǎn)品功能的新水平。通過取消時間和勞動密集的生產(chǎn)步驟，同時減少傳統(tǒng)消減制造工藝導(dǎo)致的原材料浪費問題，實現(xiàn)制造成本的降低。
3D打印的組件可能是最終使用零部件，也可能是推動生產(chǎn)流程合理化的犧牲品。各行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)，無論是珠寶首飾、牙科、醫(yī)療器械、汽車或航空領(lǐng)域，都已采用3D打印來生產(chǎn)最終使用零件，或鑄造樣板和模具，以降低制造成本，實現(xiàn)更靈活的定制，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，縮短生產(chǎn)周期。
對于制造應(yīng)用而言，3D打印機的關(guān)鍵屬性是高準(zhǔn)確度和精密度，并且能按應(yīng)用需求提供相應(yīng)工程領(lǐng)域的專業(yè)打印材料。醫(yī)療和牙科應(yīng)用的打印材料可能需要滿足特殊的生物相容性要求。

3. 3D打印機性能屬性
適合的3D打印機要根據(jù)應(yīng)用需求和能夠提供最佳綜合價值的關(guān)鍵性能指標(biāo)，來進行選擇�？芍攸c考慮以下這些具體的性能屬性，比較預(yù)備購買的3D打印機。
打印速度
因供應(yīng)商和實現(xiàn)技術(shù)的不同，“打印速度”的含義不盡相同。打印速度可能是指單個打印作業(yè)在Z軸方向打印一段有限距離所需的時間（例如，每小時在Z軸方向打印的英寸或毫米值）。擁有穩(wěn)定垂直構(gòu)建速度的3D打印機通常采用這種表達方式。其垂直打印速度與打印部件的幾何形狀和（或）單個打印工作的部件數(shù)無關(guān)。垂直構(gòu)建速度快、且因部件幾何形狀或打印部件數(shù)而產(chǎn)生很少或不產(chǎn)生速度損失的3D打印機，是概念建模的首選。因為這類打印機能夠在最短時間內(nèi)快速生產(chǎn)大量替換部件。
另一種描述打印速度的方式是打印一個具體部件或者具體體積所需的時間。采用此描述方法的打印技術(shù)通常適用于快速打印單個簡單的幾何部件，但遇到額外的部件被添加到打印作業(yè)中，或者正在打印的幾何形狀復(fù)雜性和（或）尺寸增加時，就會出現(xiàn)減速。由此產(chǎn)生的構(gòu)建速度變慢，會導(dǎo)致決策過程的延長，削減個人3D打印機在概念建模方面的優(yōu)勢。然而，打印速度始終是越快越好，對概念建模應(yīng)用而言更是如此。垂直構(gòu)建速度不受打印數(shù)量和復(fù)雜度影響的3D打印機，是概念建模應(yīng)用的首選，因為它們可以快速地大量打印不同的模型，用于同時進行比較，這就能加速和改善早期決策過程。
部件成本
部件成本通常表示為每單位體積的成本，如每立方英寸的成本或每立方厘米的成本。即使是同一臺3D打印機，打印單個零部件的成本也會因為幾何形狀的不同而相差很大，所以一定要了解供應(yīng)商提供的部件成本是指某一特定部件，還是各類部件的平均值。根據(jù)您自己常用的典型零部件STL文件包來估算部件成本，往往更有助于決定您所期望的部件成本。為了準(zhǔn)確地比較不同供應(yīng)商聲稱的參數(shù)值，有必要了解下成本估算中包含什么、不包含什么。
一些3D打印機廠商的部件成本只是指某特定數(shù)量打印材料的成本，而且這個數(shù)量僅僅是成品的測量體積。這種計算方法并不能充分體現(xiàn)真實的部件打印成本，因為它忽略了使用到的支撐材料、打印工藝產(chǎn)生的過程損耗及打印過程中使用的其他消耗品。各種3D打印機的材料使用率有顯著的差異，因此了解真實的材料消耗是準(zhǔn)確比較打印成本的另一個關(guān)鍵因素。
部分成本取決于3D打印機打印一組既定部件所消耗的材料總量和使用材料的價格。通常，使用粉末材料的3D打印技術(shù)，部件成本最低。廉價的石膏粉是基礎(chǔ)建模材料。未使用的粉末會不斷地在打印機中回收和再利用，因此其部件成本可以達到其他3D打印技術(shù)的三分之一到二分之一。
有一類塑料部件技術(shù)僅使用一種消耗材料，既用于打印部件所需，也用于印刷過程中的支持需要。相比其他塑料部件技術(shù)，它通常使用較少的材料作為支撐材料，因此其產(chǎn)生稀疏的支撐結(jié)構(gòu)，而且很容易被清理掉。大多數(shù)單材料3D打印機不會產(chǎn)生大量工藝廢料，這使其具有極高的材料性價比。
另一類塑料部件技術(shù)需要使用專門的支撐材料，但材料售價不高。這類支撐材料需要在打印完成后通過融化、溶解或加壓噴水的方式清理。比起前者，這類技術(shù)往往使用大量的材料用于打印支撐結(jié)構(gòu)。可溶解的支撐材料需要高強度、腐蝕性化學(xué)物質(zhì)進行特殊處理和清潔措施。噴水清理方法需要進水口和排水口，為此您工作場所的預(yù)算成本可能要增加幾千元。這種處理采用勞動密集型方式，并可能導(dǎo)致精致的部件細節(jié)被損壞，因為噴水清理是通過加壓的方式清除支撐材料。此外，卡在凹槽處的支撐材料可能由于噴不到而無法清理干凈。能最快、最有效地清理支撐材料的，是采用蠟作為支撐材料的3D打印機，通過融化方式進行清理�？扇诨�的支撐材料只需要一臺專門的整理烘箱就能進行快速、批量清潔，使用最少的勞動力，且不對物體表面施壓，故不會對脆弱的細節(jié)處造成損壞。即使是卡在凹槽內(nèi)的支撐材料也可以被清理掉，這就能順利打印復(fù)雜的幾何形狀，實現(xiàn)最大的設(shè)計自由。蠟支撐材料的清理不需要使用化學(xué)用品，且清理掉的蠟材料可以與普通垃圾放置在一起，無需特殊處理。
請注意：一些受歡迎的3D打印機在打印過程中會將昂貴的構(gòu)建材料融入支持材料，共同進行支撐，這就增加了打印過程中消耗材料的總成本。這些打印機通常還會產(chǎn)生大量的過程損耗，因此在打印同一組部件的情況下，會比其他打印機使用更多的材料。
最小細節(jié)分辨率
分辨率是3D打印機的最令人困惑的指標(biāo)之一，應(yīng)謹(jǐn)慎使用。分辨率可能寫成每英寸點數(shù)（DPI）、z軸層厚、像素尺寸、束斑大小和噴嘴直徑等等。盡管這些參數(shù)有助于比較同一類3D打印機的分辨率，但是很難用來比較不同的3D打印技術(shù)。最好的比較策略是親自用眼睛去鑒定不同技術(shù)打印出來的部件成品。查看鋒利的邊緣和拐角清晰度、最小細節(jié)尺寸、側(cè)壁質(zhì)量和表面光滑度。使用數(shù)字顯微鏡會有助于部件成品的鑒定，因為這種廉價設(shè)備可放大并拍攝微小的細節(jié)便于比較。對3D打印機進行鑒定測試時，至關(guān)重要的是打印部件能準(zhǔn)確地呈現(xiàn)設(shè)計效果。根據(jù)鑒定測試方式，對最小細節(jié)質(zhì)量進行妥協(xié)，降低測試結(jié)果的準(zhǔn)確度。
準(zhǔn)確度
3D打印通過層層疊加的方式制造部件，將材料從一種形式處理成另一種形式，從而創(chuàng)造出打印部件。處理過程中可能會出現(xiàn)變數(shù)，如材料收縮——在打印過程中，必須進行補償以確保最終部件的準(zhǔn)確度。粉末材料的3D打印機通常使用粘合劑，打印過程中擁有最小的收縮變形度，因而成品準(zhǔn)確度往往較高。塑料3D打印技術(shù)一般通過加熱、紫外線光或二者共用來處理打印材料，這就增加了影響準(zhǔn)確度的風(fēng)險因素。其他影響3D打印準(zhǔn)確度的因素還包括部件尺寸和幾何形狀。有些3D打印機提供不同程度的打印準(zhǔn)備工具，可以為特定的幾何形狀細調(diào)準(zhǔn)確度。制造商宣稱的準(zhǔn)確度一般是指特定測試部件的測量值，實際情況會因部件的幾何形狀而有所不同，所以有必要先確定您應(yīng)用領(lǐng)域的準(zhǔn)確度要求，然后使用該應(yīng)用涉及的幾何形狀進行測試打印。
材料屬性
了解預(yù)期的應(yīng)用和所需材料的特性，對于選擇3D打印機來說很重要。每種技術(shù)各有所長也各有所短，都應(yīng)作為選擇個人3D打印機的考慮因素。對宣傳中聲稱的可用材料數(shù)量應(yīng)謹(jǐn)慎考察，因為并不能保證所有的可用材料都能實現(xiàn)真正需要的使用性能。至關(guān)重要的一點：作出購買決定前，務(wù)必在預(yù)期應(yīng)用中進行測試，對打印部件進行評估。官方發(fā)布的詳細參數(shù)中不會介紹隨著時間的推移和使用環(huán)境的改變，部件的穩(wěn)定性如何。如果沒有充分考慮和測試這一點，可能會造成實際使用的限制。
對于概念建模應(yīng)用來說，實際的物理特性可能沒有部件成本和模型外觀那么重要。概念模型主要用于可視化效果的溝通，可能使用后很快就被丟棄。驗證模型可能需要模擬最終產(chǎn)品的效果，需要實現(xiàn)與最終生產(chǎn)材料接近的功能特征�？焖偕�產(chǎn)應(yīng)用的材料可能需要具有可鑄性或耐高溫。最終使用零部件一般需要在較長的時間內(nèi)保持牢固。
每種3D打印技術(shù)都受限于具體的材料類型。對于個人3D打印，材料大致可分為非塑料、塑料、蠟這幾類。您應(yīng)該以哪類材料最符合價值和應(yīng)用范圍要求為依據(jù)，來選購3D打印機。與單臺3D打印機相比，多種技術(shù)的結(jié)合可提高打印靈活性，擴展應(yīng)用領(lǐng)域。通常，比起使用一臺昂貴的系統(tǒng)設(shè)備，組合使用二臺不太貴的3D打印機雖然預(yù)算相同，但是可以實現(xiàn)更高的價值，提供更大的應(yīng)用范圍和打印能力。
非塑料材料常使用石膏粉與可打印的粘合劑，部件成品緊密而堅硬，可以通過浸潤變得非常牢固。這類部件可以表現(xiàn)優(yōu)秀的概念模型，在沒有彎曲性要求的情況下提供一定程度上的功能測試。明亮的白色基本材料，結(jié)合獨家的全彩色打印能力，可以制造出逼真的視覺模型，而無需額外的繪畫或后期處理。
塑料材料可以柔軟可以堅硬，有些還具有高耐溫性。透明塑料材料、生物相容性塑料材料、可鑄性塑料材料均有銷售。不同技術(shù)制造的塑料部件性能差異很大，這在廠家公布的規(guī)格上可能并不顯而易見。一些3D打印機制造的部件會隨著時間的推移或環(huán)境的不同而持續(xù)改變特性和尺寸。例如，用來標(biāo)識塑料耐熱性的常見規(guī)格參數(shù)是“熱變形溫度（HDT）”。雖然HDT是一種衡量指標(biāo)，但是它并不能預(yù)測在實際應(yīng)用中超過HDT時材料的可用性。有些材料可能當(dāng)溫度略高于規(guī)定的HDT時就出現(xiàn)功能特性的急劇退化；而某些材料的性能退化緩慢，從而擴大了塑料的適用溫度范圍。另一個例子是濕度對部件的影響。部分3D打印的塑料成品是防水的，而部分塑料成品則是多孔的，會因吸收水分，導(dǎo)致部件膨脹而改變尺寸。多孔部件顯然是不適合高濕度應(yīng)用或加壓應(yīng)用環(huán)境，可能需要進一步的勞動密集型后期處理，方能適用于這些環(huán)境。
3D Systems公司的新型“混合”3D打印機結(jié)合了經(jīng)過驗證的光固化（SLA®）性能和個人3D打印機的易用性。這類3D打印機提供較廣的塑料材料范圍，單臺3D打印機可實現(xiàn)ABS、聚丙烯和聚碳酸酯塑料打印�？梢院唵�、快速和經(jīng)濟地進行材料更換，一臺3D打印機可實現(xiàn)廣泛的塑料應(yīng)用。特別注意：聲稱支持眾多打印材料的技術(shù)，常常在材料轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生廢料。這類3D打印機中有些帶有多個打印頭，更換材料時必須完全清理干凈，而清理的過程中就會產(chǎn)生昂貴的廢料。
色彩
有三大類彩色3D打印機：可選顏色的打印機，但同一時間只能打印一種顏色；基本色打印機，可以在一個部件上打印幾種顏色；全彩打印機，可以在單個部件上打印數(shù)千種顏色。目前只有3D Systems公司的ZPrinter® 3D打印機能實現(xiàn)全彩打印。它可以達到與3D打印模型一致的顏色，包括彩色文檔打印機能呈現(xiàn)在紙張上的390,000種顏色以及幾乎無限的色彩組合，因此能打印出令人難以置信的逼真模型。除了能在正確的位置顯示相應(yīng)的逼真色彩外，ZPrinter可以直接在模型上打印照片、圖形、標(biāo)志、紋理、文本標(biāo)簽、有限元分析結(jié)果等，可以生產(chǎn)出以假亂真的模型。
4. 總結(jié)
3D打印技術(shù)能夠造福整個創(chuàng)作過程，從最初的概念設(shè)計到最終的產(chǎn)品制造，以及這之間的所有步驟。不同的應(yīng)用會有不同的需求，了解這些應(yīng)用需求是選擇3D打印機的關(guān)鍵。相比單系統(tǒng)，多系統(tǒng)能實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，將有助于為您的機構(gòu)定義理想的3D打印能力，因此確定您的打印需要，將3D打印應(yīng)用于整個設(shè)計到生產(chǎn)過程中，可以縮短上市時間，提高產(chǎn)品性能，精簡生產(chǎn)流水線，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和客戶的滿意度。

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