【南極熊3D打印文化】3DP 三維印刷成型：3D打印的彩色世界

今天為你帶來的是3DP技術。3DP技術由麻省理工學院的Emanual Sachs教授團隊于1993年發(fā)明�；�于這項技術，Sachs教授在3D打印領域里獲得了40多項專利，并開創(chuàng)了一個全新的產(chǎn)業(yè)。這項技術廣泛應用于電子產(chǎn)品的陶瓷部件、金屬模具、醫(yī)療裝置等領域。

3DP成型同樣受到國內(nèi)學者的關注。西安交通大學、天津大學、清華大學、中國科技大學、華中理工大學等國內(nèi)高校對3DP工藝看展了深入研究，并在一些領域形成了自己的特點。

1 3DP技術原理

三維印刷成型（Three Dimensional Printing，3DP），又稱為噴墨粘粉式技術、粘合劑噴射成型，美國材料與測試協(xié)會增材制造技術委員會（ASTMF42）將3DP的學名定為Binder Jetting（粘合物噴射）。3DP技術由美國麻省理工大學的Emanuel M.Sachs和John S.Haggerty等人發(fā)明，1989年提交專利申請，1993年被授權專利。1995年，麻省理工學院把3DP技術授權給Z Corporation公司進行商業(yè)應用。Z Corporation公司在得到3DP技術的授權后，自1997年以來陸續(xù)推出了一系列3DP打印機，后來該公司被3D Systems收購，并被開發(fā)成為了3D Systems的ColorJet系列打印機。

下圖為Z Corp的一款產(chǎn)品，以淀粉摻蠟或環(huán)氧樹脂為粉末原料打印而成。

Zcorp Z860

3DP打印技術使用的原材料主要是粉末材料，如陶瓷、金屬、石膏、塑料粉末等。利用粘合劑將每一層粉末粘合到一起，通過層層疊加而成型。與普通的平面噴墨打印機類似，在粘合粉末材料的同時，加上有顏色的顏料，就可以打印出彩色的東西了。3DP技術是目前比較成熟的彩色3D打印技術，其他技術一般難以做到彩色打印。和許多激光燒結(jié)技術類似，3DP也使用粉床（powder bed）作為基礎，但不同的是，3DP使用噴墨打印頭將粘合劑噴到粉末里，而不是利用高能量激光來融化燒結(jié)。

3DP打印機的內(nèi)部構(gòu)造（圖片來源：南極熊）

3DP設備在控制系統(tǒng)的控制下，噴粉裝置在平臺上均勻地鋪一層粉末，噴粉打印頭負責X軸和Y軸的運動，按照模型切片得到的截面數(shù)據(jù)進行運動，有選擇地進行粘合劑噴射，最終構(gòu)成平面圖案。在完成單個截面圖案之后，打印臺下降一個層厚單位的高度，同時鋪粉輥進行鋪粉操作，接著再次進行下一次截面的打印操作。如此周而復始地送粉、鋪粉和噴射粘合劑，最終完成三維成型件。

3DP粉末粘合成型工藝（圖片來源：南極熊）

2 優(yōu)勢&限制

如今在眾多金屬激光燒結(jié)的3D打印機主導市場的情況下，3DP技術雖然占有市場份額較小，但卻依然在金屬增材制造中扮演著重要角色。然而經(jīng)常有聲音質(zhì)疑，在激光燒結(jié)等技術愈發(fā)成熟的情況下，3DP技術是否還有競爭力。我們認為，3DP技術很好的彌補了一些其他技術的不足，并填補了金屬3D打印的一些空白。

優(yōu)勢

1.  3DP技術色彩豐富，可選擇的材料種類很多，是一種具有24位全彩打印能力的技術。這也是該技術最具競爭力的特點之一。

2.  3DP技術雖然有粉床但是沒有粉床熔融的過程，在成型過程中不會產(chǎn)生殘余應力，因此3DP便可完全通過粉床來支撐懸空結(jié)構(gòu)，而不需要支撐結(jié)構(gòu)（與SLS類似）。

3.  3DP的噴頭可以進行陣列式（2D array）掃描而非激光點掃描，因此打印速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸零件的打印。

4.  沒有激光器，設備價格較為低廉

基于3DP打印技術設備的陣列式噴頭（圖片來源：ExOne）

技術限制

1.  精度和光潔度不理想，多用于制作人偶和概念模型，不適合制作結(jié)構(gòu)復雜和細節(jié)較多的薄型物件。

2.  利用3DP技術打印出的工件只能通過粉末粘結(jié)，粘結(jié)劑的粘結(jié)能力有限，其強度比較低，基本只能做概念原型。

3.  3DP技術中需要經(jīng)歷繁瑣的后處理過程，比如燒結(jié)。因此與很多金屬直接制造成型技術相比可能沒有優(yōu)勢。

3 3DP應用

原型全彩打印（代表公司：ZCorp）

3DP技術在MIT的實驗室實現(xiàn)后便迅速轉(zhuǎn)化為了專利，在90年代被多家公司根據(jù)不同材料獲得使用權。在非金屬材料比較有名的是ZCorp公司（現(xiàn)已被3D Systems收購），主要使用石膏作為原材料。ZCorp產(chǎn)品最大的亮點當屬全彩3D打印機，粘合劑可以被著色，從而制造出多彩的打印模型。

ZCorp公司于2005年推出的世界第一臺彩色3D打印機Spectrum Z510

3DP技術打印的全彩人像      

3DP技術打印的全彩汽車組件（圖片來源：ZCorp）

利用3D Systems的全彩打印技術制成的模型（圖片來源：3ders.com）

金屬直接成形（代表公司：ExOne）

使用3DP打印金屬的技術被ExOne公司商業(yè)化。ExOne是納斯達克上市公司，2005年從有著50余年歷史的精密特種加工和自動化解決方案供應商Extrude Hone公司獨立出來，專注于3D打印業(yè)務。

如今ExOne公司制造的產(chǎn)品材料包括金屬、石英砂和陶瓷等多種工業(yè)材料，其中金屬材料以不銹鋼為主。當利用3DP技術制造金屬零件時，金屬粉末被一種特殊的粘合劑所粘合而成型，然后從3D打印機中取出，放到熔爐中燒結(jié)得到金屬成品。

利用3DP技術制造的金屬零件（圖片來源：ExOne）

砂模鑄造成形（代表公司：VoxelJet）

砂模鑄造成形是一種間接制造金屬產(chǎn)品的方式。利用3DP技術將鑄造用砂制成模具，之后便可用于傳統(tǒng)工藝的金屬鑄造。專門用3DP技術生產(chǎn)模具的公司是德國的VoxelJet，Voxeljet生產(chǎn)的設備能夠用于鑄造模具的生產(chǎn)。

Voxeljet制造的砂模以及利用砂模鑄造成形的金屬零件

利用砂模鑄造成形制作金屬零件流程圖（圖片來源：VoxelJet）

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