文档介绍：3D打印机原理【3D打印机原理】(一)层叠截面通过活用IT技术,如今的开发人员可以更深入地探讨产品设计、实现新的开发,与此同时,更细致地对相关数据进行验证的需求也越来越多。3D打印机便是满足这一需求的工具之一。最近,3D数据经常在设计阶段就已登场,利用3D打印机的情况也越来越多。制造的最终的目的是创造实物。因此,设计中总会有一些在计算机上无法重现的现象,必须通过试验等方式加以确认。此时,能够在短时间、以低成本制作出试制品等实物(立体模型)的3D打印机是一个重要工具(见下表)。现在,作为制作夹具、模具及低产量部件的手段,3D打印机的应用范围还在不断扩大。这一次,笔者就来介绍一下3D打印机的概要。表:主要的3D打印机3D打印又称“3D积层造型”,顾名思义,是一种以截面形状的集合体来表现立体模型的方法。也就是把片状的截面形状一层一层叠在一起,最终制成立体模型。其造型方法多种多样,各种方法的区别在于使用的材料和成型后处理方式的不同。“3D打印”的名称源于其使用喷墨打印机喷嘴的方法。与一般打印机一样,3D打印机也是使用喷嘴制作截面形状,有从喷嘴直接喷射立体模型材料(光硬化性树脂、蜡),以及喷射粘合剂使粉末材料固化这两种方法。Objet、基恩士(KEYENCE)、Solidscape公司生产的设备以及3DSystems的“ProJet”系列等采用的是前一种方法。Objet和基恩士的产品在打印立体模型和支撑部分时均使用光硬化型树脂,让紫外线(UV)灯与喷墨喷嘴同步扫描成型面,以使喷射出的树脂硬化。而3DSystems的“ZPrinter”采用的则是后一种方法。要先喷洒一层粉末材料,在需要成形的区域喷射粘结剂,使其固化粘结,在完成一层的造型后,再喷洒下一层的粉末、胶水,如此重复直至完成造型。除此之外,也有不使用喷墨喷嘴的方法,那就是Stratasys公司采用的熔融沉积成型法(FDM)。这是一种使热可塑性树脂从可动式喷嘴挤出的方法,具体为,使细长的线状材料在加热的喷嘴内熔化,同时使喷嘴按照一定轨迹运动、挤出熔丝以完成造型。图1:3D打印机的主要几种工作方式通过将造型为截面形状的薄片不断层叠的方法制作立体模型。使用喷墨喷嘴的方法包括直接喷射模型材料和支撑材料的方法(a),以及向粉末材料需要造型的部分喷射粘结剂的方法(b)。直接喷射模型材料的方法使用光硬化性树脂或蜡。使用粉末材料时,未硬化的粉末将发挥支撑作用。此外还有不使用喷墨喷嘴、利用内置加热器的可动式喷嘴喷射热可塑性树脂的方法(c)等。(二)支撑结构要想灵活使用3D打印机,就必须事先了解支撑结构。由于是采用将截面逐层堆叠这一工作方式,因此必须要有支撑结构为模型部分提供支撑(图2)。从易用性的角度出发,使用者必须事先了解去除支撑物的麻烦程度。基本上,3D打印机都使用不同的材料作为模型材料和支撑材料,以便轻松去除支撑材料。因此,为了方便去除,需要采用缩小立体模型与支撑部分的边界面等方法。图2:必须使用支撑结构的理由因为是自下而上一层层堆叠截面,所以,在制作有悬空部分和有从中间开始出现的形状时,就需要利用支撑结构提供支撑。喷射模型材料的3D打印方式在造型时,要选择与模型材料不同的材料作为支撑材料。Objet的产品采用凝胶状材料作为支撑材料,造型后可以用水冲掉。Stratasys的部分产品使用的是可溶于碱性溶液的支撑材料,而3DSystems的ProJet则是使用可溶于酒精的支撑材料。作为新方法,基恩士2011年11月推出的“Agilista”成为了业界关注的焦点。该产品使用的支撑材料用自来水即可冲掉(图3)。只需将造型品泡在水里就能去除支撑部分,因为无需施加太大的力,所以模型的微细部分被破坏的危险性也很小。实际操作时,先用指尖除掉支撑材料较厚的部分再泡入水中,可以缩短处理时间。泡在水里时,轻轻涮洗、或用流水冲刷都可缩短支撑部分溶解的时间*4。另一方面,粉末硬化式3D打印不需要另行制作支撑部分,而是用没有作为立体模型硬化的粉末来发挥支撑作用。只要拿起做好的立体模型,未硬化的粉末就会掉落。结构复杂的部分和附着在表面的残留粉末只需使用压缩空气吹掉即可。3D打印使用的材料主要是光硬化型树脂,或高温可以熔化的热可塑性树脂(或蜡)。现在,市场上有着各个生产商供应的强度、韧性、透明性、颜色各不相同的种类丰富的材料。在2013年6月19~21日举行的“日本第24届设计及制造解决方案展”(DMS展)上,3D打印机展区的企业负责人纷纷表示,“参观者增加到了2012年的两倍”。各电视台详细报道也起到了宣传作用,展区过道上人潮涌动,想看一眼展品颇为不易。包括以个人用户为中心应用范围逐渐扩大的低价格机型以及提高了材料性能和功能的高功能机型在内,一些刚刚上市的新产品也在展会上亮相。造型材料已不仅仅是树脂,还出现了使用纸张的3D