3D打印技術(shù) 課件全套 第1、2章 3D打印技術(shù)的發(fā)展由來(lái)、不同成型方式的3D打印技術(shù)原理 -項(xiàng)目五 工匠戒指的金屬3D打印

3D打印技術(shù)的發(fā)展由來(lái)CONTENT目錄1快速成型技術(shù)2發(fā)展歷史3發(fā)展趨勢(shì)4常用3D打印技術(shù)PART01快速成型技術(shù)21世紀(jì)90年代中后期，美國(guó)產(chǎn)生了一項(xiàng)加工理念全新的先進(jìn)制造技術(shù)，即快速成型技術(shù)，并且很快發(fā)展到日本、歐洲和中國(guó)。它集成了計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、精密機(jī)械、新材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)、激光技術(shù)等現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)?？焖俪尚图夹g(shù)是基于對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的三維立體模型，或采用逐點(diǎn)逐面掃描實(shí)體，來(lái)獲取目標(biāo)原型的幾何結(jié)構(gòu)、形狀和材料等重要信息，然后疊加成型。再經(jīng)過(guò)后處理階段的打磨、清洗、拋光等工藝，使其在結(jié)構(gòu)、外觀和性能等方面均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而能夠達(dá)到自動(dòng)、精確、快速地制造零件的一種現(xiàn)代化、全新化的制造技術(shù)。傳統(tǒng)的去除材料加工方式已不再是該技術(shù)的加工主線，其主要加工理念是基于逐層堆砌方式發(fā)展起來(lái)的，而此種增加材料的加工概念，也被認(rèn)為是近幾十年期間，制造技術(shù)領(lǐng)域的一次具有里程碑意義的突破與改革，其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展速度，很快引起了世界各國(guó)政府的高度重視并受到廣大研究人員的關(guān)注。（一）快速成型技術(shù)簡(jiǎn)介快速成型（RP）技術(shù)經(jīng)過(guò)多年來(lái)不斷地發(fā)展和推廣，產(chǎn)生了一系列超越以往的更為先進(jìn)的成型方法。按照成型方式的不同特點(diǎn)，大體可以分為兩種形式：一種是基于激光的成型技術(shù)，一種是基于熱熔噴嘴的成型方法。基于激光的成型技術(shù)，如：光固化立體光刻造型，又稱為光固化快速成型工藝(StereoLithogrphyApparatus,SLA)、迭層實(shí)體制造工藝(LaminatedObjectManufacturing,LOM)、選擇性激光燒結(jié)制造技術(shù)(SelectiveLaserSintering,SLS)等；基于噴射的成型方法，如：熔融沉積成型工藝(FusedDepositionModeling,FDM)、三維立體印刷工藝(ThreeDimensionPrinting,3DP)等。（二）快速成型技術(shù)分類PART023D打印技術(shù)的發(fā)展歷史198419881989C．R．Dechard博士發(fā)明了選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)，利用離強(qiáng)度激光將尼龍、蠟、ABS、金屬和陶瓷等材料粉來(lái)燒結(jié)，直至成形。Scott

Crump發(fā)明了另外一種3D打印技術(shù)——熔融沉積成型(FDM)技術(shù)，利用蠟、ABS、PC、尼龍等熱塑性材料來(lái)制作物體，隨后也成立了一家名為Stratasys的公司。

Charles

Hull發(fā)明了將數(shù)字資源打印成三維立體模型的技術(shù)，1986年，Chuck

Hull發(fā)明了立體光刻工藝，利用紫外線照射將樹脂凝固成形，以此來(lái)制造物體，并獲得了專利。隨后他離開了原來(lái)工作的U{tra

Violet

Products，開始成立一家名為3D

Systems的公司，專注發(fā)展3D打印技術(shù)，1988年，3DSystems開始生產(chǎn)第一臺(tái)3D打印機(jī)SLA-250，體型非常龐大。3D打印（3D

printing），即快速成型技術(shù)的一個(gè)分支，其實(shí)質(zhì)是增材制造技術(shù)，被譽(yù)為是第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)蓬勃發(fā)展，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、工業(yè)制造等多個(gè)方面有著廣泛的應(yīng)用。1993麻省理工大學(xué)教授EmanuaI

Sachs創(chuàng)造了三維打印技術(shù)(3DP)，將金屬、陶瓷的粉末通過(guò)粘接劑粘在一起成形。1995年，麻省理工大學(xué)的畢業(yè)生Jim

Bredt和TimAnderson修改了噴墨打印機(jī)方案，變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末床，而不是把墨水?dāng)D壓在紙張上的方案，隨后創(chuàng)立了現(xiàn)代的三維打印企業(yè)Z

Corporation。

19963DSystems、Stratasys、Z

Corporation分別推出了型號(hào)為Actua

2100、Genisys、2402的三款3D打印機(jī)產(chǎn)品，第一次使用了“3D打印機(jī)”的稱謂。2005Z

Croooration推出了世界上第一臺(tái)離精度彩色3D打印機(jī)——Speum

2510，同一年，英國(guó)巴恩大學(xué)的Adrian

Bowyer發(fā)起了開源3D打印機(jī)項(xiàng)目RepRap，目標(biāo)是通過(guò)3D打印機(jī)本身，能夠制造出另一臺(tái)3D打印機(jī)。2008年，第—個(gè)基于RepRap的3D打印機(jī)發(fā)布，代號(hào)為“Darwin”，它能夠打印自身50%元件，體積僅—個(gè)箱子大小。

2010年11月，第一臺(tái)用巨型3D打印機(jī)打印出整個(gè)身軀的轎車出現(xiàn)，它的所有外部組件都由3D打印機(jī)制作完成，包括用Dimension

3D打印機(jī)和由Stratasys公司數(shù)字生產(chǎn)服務(wù)項(xiàng)目RedEyeon

Demand提供的Fortus3D成型系統(tǒng)制作完成的玻璃面板。2011世界上第一架3D打印飛機(jī)由英國(guó)南安營(yíng)敦大學(xué)的工程師創(chuàng)建完成。9月，維也納科技大學(xué)開發(fā)了更小、更輕、更便宜的3D打印機(jī)，這個(gè)超小3D打印機(jī)重1.5kg，報(bào)價(jià)約1200歐元。

2012年3月，維也納大學(xué)的研究人員宣布利用二光子平板印刷技術(shù)突破了3D打印的最小極限，展示了一輛長(zhǎng)度不到0.3mm的賽車模型。PART033D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)3D打印設(shè)備在軟件功能、后處理、設(shè)計(jì)軟件與生產(chǎn)控制軟件的無(wú)縫對(duì)接等方面還有許多問(wèn)題需要優(yōu)化。例如，成型過(guò)程中需要加支撐，成型過(guò)程中需要不同材料轉(zhuǎn)換使用，加工后的粉末去除方面，都需要軟件智能化和自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高。同時(shí)，隨著3D打印技術(shù)越來(lái)越普遍地運(yùn)用到服裝、設(shè)計(jì)、生活生產(chǎn)當(dāng)中，只有用戶在使用過(guò)程中覺(jué)得簡(jiǎn)易上手，技術(shù)門檻低，復(fù)雜程度低，才能使用戶有更好的使用體驗(yàn)，才能更普遍地推廣這一技術(shù)。而這一系列問(wèn)題都直接影響到設(shè)備的普及和推廣，設(shè)備智能化、便捷化是走向普及的保證。但隨著3D技術(shù)的成熟和應(yīng)用，相信這些問(wèn)題都能被解決，3D打印技術(shù)也會(huì)使我們的生活變得更加美好。隨著智能制造，控制技術(shù)，材料技術(shù)，信息技術(shù)等不斷發(fā)展和提升，這些技術(shù)也被廣泛的綜合應(yīng)用與制造工業(yè)，3D打印技術(shù)也將會(huì)被推向一個(gè)更加廣闊的發(fā)展平臺(tái)。如今3D打印技術(shù)在人們的生活中也非常常見(jiàn)，發(fā)展趨勢(shì)較好，人們已經(jīng)使用該技術(shù)打印出了燈罩、身體器官、珠寶、根據(jù)球員腳型定制的足球靴、賽車零件、固態(tài)電池以及為個(gè)人定制的手機(jī)、小提琴等，有些人甚至使用該技術(shù)制造出了機(jī)械設(shè)備。比如，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的博士生彼得·施密特就打印出了一個(gè)類似于祖父輩使用的鐘表的物品。在進(jìn)行了幾次嘗試之后，他最終用打印機(jī)打印出了塑料鐘表，將其掛在墻上，結(jié)果，鐘開始滴答滴答地走動(dòng)。3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)PART04常用3D打印技術(shù)其中，應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最為成熟的要屬前四種成型技術(shù)。而要想選擇一種成型工藝來(lái)加工一種產(chǎn)品，需要考慮其成型精度、成型周期和成型成本等諸多影響較大的因素。四種典型的快速成型技術(shù)進(jìn)行比較見(jiàn)表1-1。迭層實(shí)體制造工藝(LaminatedObjectManufacturing,LOM)：這是以涂有熱熔粘合劑的紙張層疊、激光切割輪廓來(lái)成型的形式；光固化快速成型工藝(StereoLithogrphyApparatus,SLA)：利用液體光敏樹脂在紫外光照射下能快速固化為固體的方法來(lái)成型；選擇性激光燒結(jié)制造技術(shù)(SelectiveLaserSintering,SLS)：激光選擇性燒結(jié)成型的原料可以是塑料粉末、陶瓷粉末、金屬粉末等；熔融沉積成型工藝(FusedDepositionModeling,FDM)：利用塑料絲熔融后逐層打印成型；三維立體印刷工藝(ThreeDimensionPrinting,3DP)：原料是粉末加樹脂，可打印彩色。3D打印技術(shù)按材料及成型方式不同，可以分為如下不同類型：表1-1-1四種典型的快速成型技術(shù)進(jìn)行比較RP技術(shù)成型精度成型周期材料價(jià)格設(shè)備費(fèi)用材料利用率表面質(zhì)量運(yùn)行成本SLA好短較貴高約100%優(yōu)較貴LOM一般短較低高約50%較差較低SLS一般較短較貴一般約100%一般較貴FDM較差較長(zhǎng)較低較低約100%較差較低THANKThankyouforwatching感謝您的觀看3D打印不同成型方式的3D打印技術(shù)原理CONTENT目錄1FDM熔融沉積成型技術(shù)2SLA光固化打印技術(shù)3光固化（DLP）技術(shù)4SLM激光選區(qū)熔化PART01FDM熔融沉積成型技術(shù)熔融沉積成型（FusedDepositionModeling,以下簡(jiǎn)稱FDM），又叫熔絲沉積成型，是最常見(jiàn)的3D打印工藝之一。FDM主要采用絲狀熱熔性材料作為原材料，通過(guò)噴頭加熱至融化臨界值，呈半流體性質(zhì)，再擠噴出來(lái)，原材料被噴出后沉積在制作面板或者前一層已固化的材料上并開始固化，噴頭按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，通過(guò)材料逐層堆積形成最終的成品。熔融沉積成型工藝的原料一般是熱塑性材料，例如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。每一個(gè)層片都是在上一層上堆積而成，上一層對(duì)當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時(shí)，例如打印傾斜角度較大的結(jié)構(gòu)或者懸空結(jié)構(gòu)時(shí)，上層輪廓就不能給當(dāng)前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計(jì)一些輔助結(jié)構(gòu)來(lái)給后續(xù)層提供定位和支撐。圖1-2-1展示了FDM的成型工藝及打印過(guò)程中的支撐結(jié)構(gòu)。熔融沉積成型的工藝原理熔融沉積成型工作原理及特點(diǎn)圖1-2-1FDM的工藝原理1）成型材料廣泛。FDM工藝的材料基本上是聚合物，成型材料一般為ABS、PLA（聚乳酸）、石蠟、尼龍等，下圖1-2-2是目前桌面3D打印機(jī)最常用的3D打印材料PLA。金屬材料也可以堆積成型，但目前成型的金屬材料精度較低。另外近些年開始有食品級(jí)的材料加入到FDM打印行列，如巧克力、糖果、淀粉等等。甚至包括水泥等建筑材料，讓3D打印房屋成為可能。圖1-2-2PLA線材2）成本低。相比于其他使用激光器的工藝方法，F(xiàn)DM工藝的制作費(fèi)用大大減低，并且熔融沉積成型所用的材料為無(wú)毒、無(wú)味的熱塑性材料，廢棄的材料還可以回收利用。原材料利用率高且無(wú)污染，使成本大大降低。近些年來(lái)，隨著FDM專利的過(guò)期，采用FDM技術(shù)的桌面3D打印機(jī)由于硬件成本低、軟件開源、材料成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸普及開來(lái)。3）熔融快速沉積，成型設(shè)備簡(jiǎn)單、尺寸小，噪音和污染少，可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)無(wú)人值工作。4）支撐易去除。隨著FDM的工藝不斷發(fā)展，在軟件上，支撐的設(shè)置越來(lái)越智能化，打印出來(lái)支撐材料越來(lái)越易于剝離。材料上，已經(jīng)出現(xiàn)了方便去除的水溶性支撐材料。5）維護(hù)成本低。熔融沉積成型工藝中沒(méi)有激光器這個(gè)貴重、精密部件，而且噴頭系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，故易于維護(hù)。6）成品功能性強(qiáng)。工程材料ABS的韌性好，適合于進(jìn)行二次加工，用蠟材料成型的零件模型，可以直接用于熔模鑄造。7）原材料在成型過(guò)程中尺寸穩(wěn)定性好，適合于進(jìn)行裝配。8）材料無(wú)毒性且不產(chǎn)生異味、粉塵、噪聲等污染，適合于辦公室環(huán)境使用。9）操作簡(jiǎn)單，無(wú)須長(zhǎng)期操作經(jīng)驗(yàn)，也無(wú)須專人負(fù)責(zé)操作。FDM工藝的工藝特點(diǎn)和其它主流的3D打印成型工藝，如選擇性激光燒結(jié)以及立體光固化成型相比，熔融沉積成型工藝作為非激光成型制造系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：圖1-2-2PLA線材1）由于工作臺(tái)及速度的限制，F(xiàn)DM工藝只能成型中小型件。不過(guò)近些年來(lái)，中大型的FDM打印機(jī)正不斷的在市場(chǎng)上涌現(xiàn)，速度也在不斷的突破。下圖1-2-3是LocalMotor使用大型FDM打印機(jī)打印出的汽車。

2）由于FDM工藝是由噴頭噴出的具有一定厚度的絲，逐層粘接堆積而成的，因此不可避免地會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階(階梯)效應(yīng)，如下圖1-2-4和圖1-2-5所示，表面有較明顯的條紋，對(duì)于一些對(duì)表面質(zhì)量要求比較高的模型，F(xiàn)DM技術(shù)難以滿足要求，或者需要打磨等相對(duì)比較繁瑣的后處理才能達(dá)到要求。3）需要設(shè)計(jì)和制作支撐材料，打印支撐和處理支撐是FDM工藝?yán)@不開的一個(gè)問(wèn)題。支撐去除后，模型的表面處理，也是FDM工藝需要面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題。雖然水溶性支撐可以解決一部分問(wèn)題，但是水溶性支撐材料較貴，而且打印水溶性支撐會(huì)造成打印時(shí)間增長(zhǎng)，日常保存也相對(duì)復(fù)雜（容易吸水），且目前市面上的大多數(shù)打印機(jī)都是單噴頭打印機(jī)，難以滿足打印水溶性支撐的要求。4）沿成型軸方向的零件強(qiáng)度比較弱，層與層直接粘合力相對(duì)弱。5）成型件的表面有較明顯的條紋，對(duì)模型的外觀有一定的影響。6）某些模型需要另外制作支撐結(jié)構(gòu)，增加了成型時(shí)間和材料費(fèi)用。FDM工藝的工藝特點(diǎn)除以上優(yōu)點(diǎn)外，熔融沉積制造工藝也存在以下缺點(diǎn):圖1-2-3LocalMotor使用大型3D打印機(jī)打印出的汽車圖1-2-4理想表面圖1-2-5臺(tái)階效應(yīng)一個(gè)典型的FDM3D打印過(guò)程包括:三維造型、模型的轉(zhuǎn)化、分層處理、實(shí)體造型、零件后處理。如圖1-2-6所示熔融沉積成型工藝的原料一般是熱塑性材料，例如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。每一個(gè)層片都是在上一層上堆積而成，上一層對(duì)當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時(shí)，例如打印傾斜角度較大的結(jié)構(gòu)或者懸空結(jié)構(gòu)時(shí)，上層輪廓就不能給當(dāng)前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計(jì)一些輔助結(jié)構(gòu)來(lái)給后續(xù)層提供定位和支撐。圖1-2-1展示了FDM的成型工藝及打印過(guò)程中的支撐結(jié)構(gòu)。熔融沉積成型的工藝原理熔融沉積成型的工藝過(guò)程圖1-2-6FDM的過(guò)程三維造型模型的轉(zhuǎn)化分層處理在熔融沉積成型加工前需要對(duì)STL三維模型進(jìn)行疊層方向的離散化處理，稱為分層處理，也稱為分層切片。分層切片就是用一系列平行于XOY坐標(biāo)面的平面截取STL實(shí)體數(shù)據(jù)模型進(jìn)而獲取各層幾何信息，每個(gè)層片包含的信息組合在一起，構(gòu)成整個(gè)實(shí)體模型的數(shù)據(jù)信息，如圖1-2-10所示。通過(guò)對(duì)實(shí)體進(jìn)行分層處理，便可將三維加工問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一系列的二維加工問(wèn)題，使加工工藝簡(jiǎn)化。為了進(jìn)行下一步的模型切片處理，需要將建模模型保存為STL格式的文件。市面上多數(shù)快速成型系統(tǒng)均使用標(biāo)準(zhǔn)的STL(StandardTriangleLanguage,標(biāo)準(zhǔn)三角面語(yǔ)言)數(shù)據(jù)模型來(lái)定義成型的零件，它是一種用許多空間小三角形面片來(lái)逼近三維實(shí)體表面的數(shù)據(jù)模型。常見(jiàn)的三維建模軟件均具備此轉(zhuǎn)化的功能，圖1-2-9可以看到，一個(gè)正方體，可以通過(guò)幾個(gè)三角面的組合構(gòu)成；而任意的形狀，都可以通過(guò)近似表達(dá)，由三角面片組成的3D模型。而三角面數(shù)的多少，決定了模型的分辨率。依據(jù)模型的結(jié)構(gòu)尺寸或者外觀需求，需要使用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)模型進(jìn)行三維造型。三維造型是3D打印最重要的的數(shù)據(jù)獲取方式之一，另外一個(gè)獲取3D數(shù)據(jù)的方式是3D掃描。常用的三維CAD軟件有:Pro/EngineeringWildfire,UGNX,CATIA等，常用的藝術(shù)方面的建模軟件有3DMax、Maya、Rhino、Zbrush等，下圖1-2-7和1-2-8分別是CAD模型及藝術(shù)模型。熔融沉積成型的工藝過(guò)程一個(gè)典型的FDM3D打印過(guò)程包括:三維造型、模型的轉(zhuǎn)化、分層處理、實(shí)體造型、零件后處理。如圖1-2-6所示圖1-2-7使用CAD軟件創(chuàng)建的齒輪模型圖1-2-8藝術(shù)軟件雕刻的犀牛模型圖1-2-9STL模型圖1-2-10模型切片處理零件的實(shí)體造型加工包括兩個(gè)方面的內(nèi)容:一是支撐的施加，二是零件實(shí)體的加工，如圖1-2-11所示。（1）支撐的施加因?yàn)槿廴诔练e快速成型的技術(shù)特征，須對(duì)零件的三維模型設(shè)計(jì)支撐，否則，在FDM加工的過(guò)程中，當(dāng)上面一層的截面尺寸比下面一層的截面尺寸大時(shí)，上面一層截面的多余材料將可能呈現(xiàn)懸空狀態(tài)，從而使此一層的材料發(fā)生坍塌現(xiàn)象，影響FDM產(chǎn)品的精度，嚴(yán)重的會(huì)使零件原型加工失敗。現(xiàn)在絕大多數(shù)切片軟件已經(jīng)可以做到自動(dòng)加支撐，少數(shù)復(fù)雜的模型，也可通過(guò)手動(dòng)添加支撐，提高打印的成功率；（2）零件實(shí)體的加工支撐施加后就可以進(jìn)行零件實(shí)體的加工，從底向上，按照切片得到的路徑，在計(jì)算機(jī)的控制之下，逐層涂覆從而形成產(chǎn)品零件的三維實(shí)體。實(shí)體造型零件后處理FDM工藝的后處理指的是對(duì)加工完的零件進(jìn)行的后期處理。常見(jiàn)的后處理工序包括：去除支撐，去掉零件的支撐結(jié)構(gòu)的材料。打磨、拋光，對(duì)其余零件表面做拋光處理，使零件精度、表面光潔度達(dá)到指定的要求。噴灰，對(duì)零件表面噴一層底色。其他處理,如上色，鉆孔，攻絲，包埋，拼接等等。圖1-2-11模型及其支撐的施加STL文件存儲(chǔ)材料性能的影像噴頭溫度和成型室溫度的影響在熔融沉積制模工藝過(guò)程中，噴頭溫度決定了材料的黏結(jié)性能、堆積性能、絲材流量以及擠出絲寬度。溫度太低則材料黏度加大，擠絲速度變慢，這不僅加重了擠壓系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，極端情況下還會(huì)造成噴嘴堵塞，而且材料層間黏結(jié)強(qiáng)度降低還會(huì)引起層間剝離；溫度太高則材料偏于液態(tài)，擠絲速度變快，無(wú)法形成可精確控制的絲，制作時(shí)會(huì)出現(xiàn)前一層材料還未冷卻，成型的后一層就加壓于其上，從而使前一層材料坍塌和破壞。成型室的溫度也會(huì)影響到成型件的熱應(yīng)力大小，溫度過(guò)高，雖然有助于減少熱應(yīng)力，但零件表面易起皺；溫度太低，零件熱應(yīng)力增大，容易使零件翹曲。此外，擠出冷卻速度過(guò)快，在前一層截面完全冷卻凝固后才開始堆積下一層，這會(huì)導(dǎo)致層間黏結(jié)不牢固，會(huì)有開裂現(xiàn)象。材料性能的變化直接影響成型過(guò)程和成型件的精度，材料在整個(gè)工藝過(guò)程中要經(jīng)過(guò)固體——熔體——固體的兩次相變。在凝固過(guò)程中，熔態(tài)的ABS分子在填充方向上被拉長(zhǎng)，在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生收縮，而取向作用會(huì)使堆積絲在填充方向的收縮率大于該方向垂直的方向的收縮率，這個(gè)收縮會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這個(gè)內(nèi)應(yīng)力容易導(dǎo)致制作件的翹曲變形及脫層現(xiàn)象。由于STL模型只是對(duì)CAD模型的幾何近似，在它與三維CAD數(shù)據(jù)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)存在一定的誤差，一般容易造成裂縫、空洞、懸面、重疊面和交叉面等錯(cuò)誤。如前文所述，STL文件本身是有分辨率的，構(gòu)成的三角面越多，分辨率會(huì)越高，模型越精細(xì)，但帶來(lái)的問(wèn)題是數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)處理速度比較慢。熔融沉積成型技術(shù)性能分析（一）模型制作的影響因素在熔融沉積成型工藝過(guò)程中影響成型件精度的因素有很多，然而，實(shí)踐證明，盡管各種因素對(duì)成型件精度和表面粗糙度都有或多或少的影響，但起主要作用的只有少數(shù)幾個(gè)，下面闡述這幾個(gè)主要因素單獨(dú)或相互作用時(shí)對(duì)成型件精度的影響。擠出速度是指噴頭內(nèi)熔融態(tài)的絲從噴嘴中擠出的速度，單位時(shí)間內(nèi)擠出絲的體積與擠出速度成正比。在與填充速度合理匹配的范圍內(nèi)，隨著擠出速度的增大，擠出絲截面寬度逐步增大，當(dāng)擠出速度逐步增大時(shí)，擠出的絲就會(huì)黏附于噴嘴外圓錐面，就會(huì)導(dǎo)致噴嘴無(wú)法正常工作。填充速度是指掃描截面輪廓速度或填充網(wǎng)格的速度。填充速度比擠出速度快，則材料填充不足，出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象；相反填充速度比擠出速度慢，則會(huì)使熔絲堆積在噴頭上，使成型材料分布不均勻，表面有疙瘩，影響成型件質(zhì)量。擠出和填充速度的影響分層厚度的影響分層厚度是指在成型過(guò)程中每層切片截面的厚度，由此會(huì)造成模型成型后的表面出現(xiàn)臺(tái)階現(xiàn)象，直接影響模型的尺寸誤差和表面粗糙度。對(duì)于FDM技術(shù)而言，分層厚度的存在會(huì)導(dǎo)致不可避免的出現(xiàn)臺(tái)階現(xiàn)象。分層厚度越小，臺(tái)階高度越小，但分層處理和成型時(shí)間也會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)，降低加工效率。成型方向的影響模型成型方向?qū)δＰ偷馁|(zhì)量、材料的消耗和制作時(shí)間等方面都有很大的影響。如果一個(gè)模型擺放不當(dāng)，造成它的斜面和外伸部分過(guò)多，就必然會(huì)出現(xiàn)過(guò)多的支撐結(jié)構(gòu)，這樣既浪費(fèi)了成型時(shí)間和耗材，又會(huì)給后處理帶來(lái)很大的麻煩，增加工作強(qiáng)度。STL格式的處理材料性能的處理噴頭溫度和成型室溫度的處理噴頭的溫度對(duì)于不同的FDM技術(shù)的材料設(shè)置是不同的，由于材料屬于廠商專供，所以設(shè)備在出廠時(shí)，它的噴頭溫度就設(shè)置好，當(dāng)溫度到達(dá)后，傳感器發(fā)出指令，噴頭的溫度就穩(wěn)定下來(lái)了。可以在軟件中對(duì)成型室的溫度進(jìn)行微調(diào)，通常制作比較大的模型時(shí)，會(huì)將成型室的溫度設(shè)置高些，減少模型的熱應(yīng)力，在成型過(guò)程中避免翹曲和開裂現(xiàn)象；制作比較小的模型時(shí)，可以將成型室的溫度設(shè)置低些，避免表面堆絲，可以提高模型的表面粗糙度。對(duì)于尺寸變形，可以在設(shè)計(jì)開始階段通過(guò)在填充反向和堆積方向上的尺寸計(jì)算，來(lái)對(duì)CAD模型的尺寸進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。STL文件的數(shù)據(jù)格式是采用小三角形面片的形式來(lái)逼近三維實(shí)體模型的外表面，因此小三角形數(shù)量越多，面片越小，成型精度越高，文件越大。要保證STL文件的分辨率不低于DM設(shè)備所能達(dá)到的最高精度。曲面3D模型（即常見(jiàn)的工程類CAD文件）轉(zhuǎn)化為STL的一個(gè)重要參數(shù)是弦高，弦高是指三角形的輪廓邊與曲面之間的徑向距離，弦高的大小決定著小三角形的數(shù)量，也就直接影響成型件的表面質(zhì)量。熔融沉積成型技術(shù)性能分析（二）解決的方法由以上分析可知，在FDM工藝過(guò)程中，主要有6個(gè)影響模型精度的因素，下面提出了一些解決方法來(lái)提高模型的精度。擠出速度、填充速度、噴絲寬度這幾項(xiàng)一般都是在成型軟件中設(shè)定好的，多為出廠設(shè)置，一般無(wú)法進(jìn)行修改。但在近年一些開源軟件內(nèi)，這些設(shè)置也開放給用戶，可以做一定的調(diào)整。擠出速度、填充速度和噴嘴寬度的處理分層厚度的處理分層厚度越小，模型表面質(zhì)量越好，但制作時(shí)間延長(zhǎng)。所以分層的厚度應(yīng)該根據(jù)制作模型的質(zhì)量要求來(lái)確定，在滿足模型質(zhì)量的前提下，可以將分層厚度適當(dāng)?shù)卦龃笠恍谱骱玫哪Ｐ捅砻婵梢酝ㄟ^(guò)一些后處理工序，如打磨、拋光來(lái)完成。模型擺放的處理通常模型在XY方向的尺寸精度比Z向更容易控制和保證，所以在選擇模型擺放時(shí)應(yīng)將精度要求高的外輪廓表面盡可能放置在XY平面內(nèi)。另外，STL模型擺放時(shí)應(yīng)盡可能減少支撐的數(shù)量，這樣有利于減少成型時(shí)間，節(jié)省材料，減輕后處理的工作量，提高模型的表面質(zhì)量。對(duì)于一些沒(méi)有強(qiáng)度，剛性等工程特性要求的模型，通過(guò)這種方法不但可以制作形態(tài)較為復(fù)雜的模型，還可以制作超過(guò)成型機(jī)最大成型尺寸的模型，從而打破成型機(jī)本身成型空間的限制。PART02SLA光固化打印技術(shù)一、光固化快速成型的工作原理及特點(diǎn)美國(guó)3DSystem公司研發(fā)的SLA(StereoLithographyApparatus)打印技術(shù)是最早商業(yè)化且占有率最高的快速成型技術(shù)。光固化快速成型工藝，基于離散堆積制造原理，以液態(tài)光敏樹脂為原料，這種液態(tài)光敏樹脂在接受到一定波長(zhǎng)和強(qiáng)度的紫外光照射后，能夠迅速發(fā)生聚合反應(yīng)，分子量急劇增加，材料由液態(tài)變成固態(tài)。其成型原理如圖1-2-12所示。首先將液體光敏樹脂材料充滿儲(chǔ)液槽，然后將托板擱置在樹脂液面下的特定高度位置，接著計(jì)算機(jī)會(huì)控制紫外光源按照物件切片的截面信息射入儲(chǔ)液槽，光源掃描的液態(tài)樹脂會(huì)吸收其他部位不能得到的能量，產(chǎn)生聚合反應(yīng)，進(jìn)而光敏材料由液態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，制件會(huì)形成特定的固化截面。但是儲(chǔ)液槽中還有沒(méi)被紫外光線照射的液體，由于能量不足沒(méi)有產(chǎn)生反應(yīng)，這樣當(dāng)升降架下降一定的高度，這個(gè)高度取決于設(shè)定的固態(tài)截面的厚度，率先固化的材料周圍就會(huì)被液態(tài)狀態(tài)下的樹脂材料包圍，之后刮板會(huì)將受紫外線影響的液態(tài)樹脂刮平，這樣周而復(fù)始進(jìn)行新的固化處理，就會(huì)出現(xiàn)試驗(yàn)演示中的固態(tài)表面逐層堆積，打印結(jié)束后即可得到特定的設(shè)計(jì)原型。最后還需要對(duì)樹脂材料模型進(jìn)行后期處理，后期處理包括去除支撐，酒精清洗，二次光固化，打磨上色等步驟，才能得到設(shè)計(jì)的最終的原型實(shí)體。（一）光固化快速成型的工作原理圖1-2-12光固化快速成型工作原理一、光固化快速成型的工作原理及特點(diǎn)（二）光固化快速成型工藝特點(diǎn)光固化快速成型工藝具有的優(yōu)點(diǎn)：1）可成型任意形狀，而且能夠一次成型。這樣的工藝能實(shí)現(xiàn)原有成型工藝很難處理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的制件；2）出于降低人工成本的角度，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)所需的三維模型，這樣可以減少對(duì)工人技術(shù)水平的要求，并且由于不需要人工監(jiān)控，可以有效的降低成本；3）由于是非接觸加工，不需要任何刀具交換，因此成型制件的表面粗糙度和精度都很高；4）整個(gè)成型過(guò)程沒(méi)有切削、不存在振動(dòng)與噪音，可實(shí)現(xiàn)在辦公室環(huán)境內(nèi)生產(chǎn)；5）成型加工周期短、成本低，傳統(tǒng)工藝幾個(gè)月的工作量，用此工藝技術(shù)幾小時(shí)便可完成，大大提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。光固化快速成型存在的問(wèn)題：1）在產(chǎn)品制造過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，這主要是因?yàn)樵诩庸ぶ圃爝^(guò)程中會(huì)出現(xiàn)物化反應(yīng)。同時(shí)也需要注意的是，特殊懸臂零件需要特定的支撐，若想不影響制件的最終質(zhì)量，需要制定相應(yīng)的支撐工藝；2）產(chǎn)品造價(jià)較高，這主要是因?yàn)檩^高的維護(hù)運(yùn)行成本，這需要通過(guò)研究來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)成本的有效控制；3）成型材料種類單一，性能不佳。材料一般較脆、易斷裂，固化后的性能還不如一般的工業(yè)塑料，因此不宜進(jìn)行切削加工，也無(wú)法抵擋抗力和熱量。4）需要進(jìn)行二次固化。采用光固化快速成型加工的原型，得到的光敏樹脂材料模型還需要繼續(xù)二次固化，二次固化主要是對(duì)沒(méi)有完全固化的樹脂材料進(jìn)行二次固化，否則后序的打磨中會(huì)留下砂紙紋，會(huì)使偏薄的地方變形，或者被酒精浸入后的模型表面會(huì)起皮。三維實(shí)體造型作為加工過(guò)程的數(shù)據(jù)依托，三維實(shí)體設(shè)計(jì)是重中之重，所以需要確認(rèn)三維設(shè)計(jì)的正確性，只有確定設(shè)計(jì)是合理的，才可以進(jìn)行加工制造?，F(xiàn)今比較流行的三維設(shè)計(jì)軟件主要有Solidwork、AutoCAD等。數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模型就是對(duì)CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行近似處理。由于現(xiàn)在的大多產(chǎn)品的構(gòu)造十分復(fù)雜，所以在成型前對(duì)其進(jìn)行近似處理是十分必要的，而STL文件轉(zhuǎn)換就是做近似處理方法時(shí)，最常用的一種轉(zhuǎn)換格式。離散三角化處理的主要軟件是CAD，在經(jīng)過(guò)其處理之后得到的數(shù)據(jù)模型。使用許多小三角形來(lái)逼近CAD三維模型的自由表面，是STL數(shù)據(jù)處理的主線，而近似逼近的精度直接取決于小三角形數(shù)量的多少。也就是說(shuō)精度越高，STL文件呈現(xiàn)的模型越精確，用到的小三角形的數(shù)目就越大。所以，高精度的數(shù)字模型對(duì)成型制件的精度有重要影響，值得研究。分層切片處理光固化快速成型工藝本身是基于分層制造原理進(jìn)行成型加工的，這也是快速成型技術(shù)可以將CAD三維數(shù)據(jù)模型直接生產(chǎn)為原型實(shí)體的原因，所以，成型加工前，必須對(duì)三維模型進(jìn)行分層切片。需要注意的是在進(jìn)行切片處理之前，要選用STL文件格式。另外確定分層方向也是極其重要的，要使STL模型截面與分層定向的平行面達(dá)到垂直狀態(tài)。對(duì)產(chǎn)品的精度要求越高，所需要的平行面就越多。平行面的增多，會(huì)使分層的層數(shù)同時(shí)增多，這樣得到的成型制件的精度也會(huì)隨之增大。同時(shí)需要注意的是盡管層數(shù)的增大，會(huì)提高制件的性能，但是產(chǎn)品的制作周期就會(huì)相應(yīng)的增加，這樣即會(huì)增加相應(yīng)的成本，也會(huì)降低生產(chǎn)效率，增加廢品的產(chǎn)出率。所以實(shí)踐中要在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇相對(duì)合理的分層層數(shù)，來(lái)達(dá)到最合理的工藝流程。設(shè)計(jì)支撐在光固化快速成型加工過(guò)程中，對(duì)于懸臂或是孤立的輪廓等結(jié)構(gòu)模型，常常會(huì)出現(xiàn)翹曲變形等現(xiàn)象。這是因?yàn)樗鼈冊(cè)诔跎谝簯B(tài)樹脂上時(shí)，不受約束力，所以，切片時(shí)模型需要添加支撐。而在設(shè)計(jì)支撐時(shí)，要充分考慮支撐是否容易去除，如若支撐很難去除，則會(huì)對(duì)成型制件的表面質(zhì)量造成影響。目前，常用的支撐類型主要有：點(diǎn)支撐、線支撐、網(wǎng)支撐和十字支撐等等。二、光固化快速成型工藝過(guò)程（一）前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段在快速成型工藝中，數(shù)據(jù)處理是成型加工的第一步，它的主要作用是從得的三維模型中，獲取快速成型機(jī)所需要的控制信息，也就是將模型進(jìn)行分層處理，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度直接反映成型制件的精度。它主要由以下部分組成：光固化快速加工過(guò)程主要包括：前期的三維建模、切片等準(zhǔn)備、中期的光固化成型以及最后的后處理等過(guò)程（三）后處理階段光固化成型完成后，還需要對(duì)成型制件進(jìn)行輔助處理工藝，即后期處理。目的是為了獲得一個(gè)表面質(zhì)量與機(jī)械性能更優(yōu)的零件。此處理階段主要步驟為：1）將成型件取下，去除支撐；2）用酒精清洗模型；3）對(duì)固化不完全的零件進(jìn)行二次固化；4）固化完成后進(jìn)行拋光、打磨和表面處理等工作。特定的成型機(jī)是進(jìn)行光固化試驗(yàn)的基礎(chǔ)設(shè)備。在成型前，需要先將成型機(jī)啟動(dòng)，并將光敏樹脂加熱到符合成型的溫度，一般當(dāng)溫度達(dá)到38攝氏度之后，就打開紫外光激光器。待設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，打開工控機(jī)，輸入特定的數(shù)據(jù)信息，這個(gè)信息主要是根據(jù)所需要的樹脂模型的需求所設(shè)置的。當(dāng)進(jìn)行最后的數(shù)據(jù)處理的時(shí)候，還需要用到RPData軟件，通過(guò)RPData軟件來(lái)制定光化固化成型的工藝參數(shù)，需要設(shè)定的主要工藝參數(shù)有：填充距離與方式、掃描間距、填充掃描速度、邊緣輪廓掃描速度、支撐掃描速度、層間等待時(shí)間、跳跨速度、刮板涂鋪控制速度及光斑補(bǔ)償參數(shù)等。根據(jù)試驗(yàn)的要求，選擇特定的工藝參數(shù)之后，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)在特定的物化反應(yīng)下，使光敏樹脂材料有效固化。根據(jù)試驗(yàn)需求，固定工作臺(tái)的角度與位置，使其處于材料液面以下特定的位置，然后根據(jù)零點(diǎn)位置調(diào)整掃描器，當(dāng)一切按試驗(yàn)要求準(zhǔn)備妥當(dāng)后，就可以開始固化試驗(yàn)。紫外光會(huì)按照系統(tǒng)指令，照射特定薄層，使被照射的光敏材料迅速固化。當(dāng)紫外線固化一層樹脂材料之后，升降臺(tái)會(huì)下降，液態(tài)的光敏樹脂材料就會(huì)流動(dòng)到已固化層的表面，接著刮板會(huì)將液態(tài)樹脂進(jìn)行刮平處理，然后進(jìn)行新的固化處理，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程。如此不斷重復(fù)進(jìn)行固化，根據(jù)計(jì)算機(jī)軟件設(shè)定的參數(shù)達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的模型結(jié)構(gòu)，最終獲得實(shí)體原型。（二）光固化成型加工階段二、光固化快速成型工藝過(guò)程PART03光固化（DLP）技術(shù)光固化（DLP）技術(shù)DLP是“DigitalLightProcession”的縮寫，直接翻譯過(guò)來(lái)就是“數(shù)字光處理”，也就是說(shuō)這種技術(shù)是一種把光經(jīng)過(guò)數(shù)字處理，然后再投射出來(lái)的過(guò)程。它是一套美國(guó)德州儀器公司獨(dú)創(chuàng)的、采用光學(xué)半導(dǎo)體產(chǎn)生數(shù)字式多光源顯示的解決方案。DLP技術(shù)的核心是DMD芯片，DMD芯片最初的構(gòu)想出現(xiàn)在1977年，由德州儀器公司的科學(xué)家LarryHornbeck博士發(fā)明。那時(shí)，這一發(fā)明并不是要用于顯示設(shè)備，而是準(zhǔn)備作為印刷技術(shù)中的成像器。最早的DMD芯片使用的是模擬技術(shù)驅(qū)動(dòng)，反射面是采用一種柔性材料，在當(dāng)時(shí)被稱為“變形鏡器件DeformableMirrorDevice"。1987年，LarryHornbeck博士又開發(fā)出了新一代數(shù)字驅(qū)動(dòng)的DMD器件，并將名稱改為“數(shù)字微鏡器件(DigitalMirrorDevice)。到了1992年，德州儀器成立了數(shù)字成像事業(yè)部。兩年之后，第一臺(tái)DLP投影原型機(jī)誕生。1996年4月，第一臺(tái)商用DLP投影機(jī)正式誕生。投影機(jī)用的DMD發(fā)展到現(xiàn)在，從第一代的848X600的分辨率，400:1的對(duì)比度。到現(xiàn)在，一方面實(shí)現(xiàn)了最高的1920X1080的分辨率，1000:1的對(duì)比度，另一方面，提供了超小的支持煙盒大小投影系統(tǒng)。DLP技術(shù)在不斷的革新中發(fā)展，市場(chǎng)也在不斷的革新中擴(kuò)展。DLP技術(shù)工作原理及工藝特點(diǎn)2.DLP技術(shù)的不足1）由于DMD鏡片偏轉(zhuǎn)誤差會(huì)使光斑尺寸發(fā)生變化，隨著放大倍數(shù)的增大，有效光斑尺寸在總光斑尺寸中比例逐漸減小并最終會(huì)減小至0，限制了光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)。又因?yàn)镈MD芯片尺寸較小，使得DLP型3D打印機(jī)無(wú)法形成較大的投影幅面，很難完成大幅面的打印成型工作。2）DLP型3D打印技術(shù)要求原材料為光敏樹脂，材料種類較少而且性能難以取代現(xiàn)有工程塑料，在應(yīng)用方面受限。而且光敏樹脂類材料中只有一部分能用于3D打印，材料價(jià)格較為昂貴。3）DLP型的3D打印機(jī)雖然對(duì)環(huán)境要求不高，但仍有一些基本的要求。首先，空氣濕度必須在適宜范圍內(nèi)，因?yàn)楸┞对诔睗窨諝庵械臉渲瑫?huì)吸收水分而被稀釋，改變?cè)牧现懈鞒煞值谋壤瑢?dǎo)致成型失敗。其次，要求周圍環(huán)境中不存在紫外光源，一方面，外界環(huán)境中的紫外光會(huì)逐漸讓樹脂固化，造成材料浪費(fèi)。另一方面，設(shè)備中的紫外光存在溢出的可能性，雖然較弱但在長(zhǎng)時(shí)間照射下仍會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害，若疏于防范也會(huì)危害人員健康。DLP技術(shù)工作原理及工藝特點(diǎn)（一）DLP技術(shù)打印原理DLP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高清晰圖像的投影顯示，由于其特殊的顯示原理，圖像對(duì)比度很高，在顯示暗背景時(shí)，幾乎沒(méi)有光從投影系統(tǒng)中出射，這一特點(diǎn)保證了將該技術(shù)應(yīng)用在光固化成型中，光敏樹脂不會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間的工作下，由于溢出光的持續(xù)照射而發(fā)生聚合反應(yīng)，從而確保了DLP技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與掩模板相似的功能并應(yīng)用于3D打印領(lǐng)域。（二）DLP技術(shù)工藝特點(diǎn)3D打印機(jī)軟件將虛擬3D模型轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合打印物體的連續(xù)層。DLP3D打印機(jī)解決方案通過(guò)處理連續(xù)材料層來(lái)生成3D實(shí)物，此實(shí)物由3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型指定。這種技術(shù)通常用于快速創(chuàng)建精細(xì)原型，采用這種技術(shù)，材料各部分的打印工作可在單一流程中完成。3D打印機(jī)的價(jià)格對(duì)于中小規(guī)模企業(yè)而言越來(lái)越合理，通過(guò)此技術(shù)獲得的快速原型設(shè)計(jì)可直接帶入辦公室，不需要再進(jìn)入制造車間。3D打印的兩種常用方法分別是數(shù)字曝光和激光燒結(jié)。將DLP技術(shù)融入3D打印解決方案的高級(jí)原則，對(duì)于這兩種方法均適用，但數(shù)字曝光是在系統(tǒng)方框圖中表示，對(duì)于數(shù)字曝光技術(shù)，3D物體的構(gòu)造方法是逐層疊加紫外線(UV)固化液態(tài)光敏樹脂的連續(xù)薄型水平橫截面或材料層。對(duì)于每一層，來(lái)自DLP數(shù)字微鏡器件(DMD)的紫外光圖像將形成一種圖形，使曝光到紫外光下的樹脂層固化。DLP技術(shù)工作原理及工藝特點(diǎn)（三）DLP技術(shù)優(yōu)勢(shì)和不足1.DLP技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與掃描式技術(shù)3D打印機(jī)相比，DLP型3D打印機(jī)具有幾個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):1）單層固化速度快。通過(guò)單層圖像的投影曝光實(shí)現(xiàn)樹脂的固化并完成打印，不需要掃描過(guò)程。單層打印時(shí)間與分層圖像復(fù)雜程度無(wú)關(guān)，僅與樹脂所需曝光時(shí)間有關(guān)，使得打印過(guò)程進(jìn)一步簡(jiǎn)化。2）打印精度高于一般技術(shù)。DMD芯片微鏡尺寸較小，集成度高，經(jīng)過(guò)投影成像系統(tǒng)后，單個(gè)鏡片光斑尺寸可以控制在100um以下，實(shí)現(xiàn)高精度打印。3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，對(duì)外界環(huán)境要求相對(duì)低。DLP型3D打印機(jī)使用DMD芯片作為核心器件，系統(tǒng)內(nèi)沒(méi)有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，各部分相對(duì)獨(dú)立，方便維護(hù)。光機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)，不會(huì)受到其他干擾，可以提供穩(wěn)定的打印精度。4）易于實(shí)現(xiàn)。3D打印機(jī)內(nèi)使用的DLP投影系統(tǒng)與用于顯示的DLP投影系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是基本一致的，主要區(qū)別在于使用的光源不同。用于3D打印的DLP投影系統(tǒng)的光源多為紫外光，而普通顯示系統(tǒng)多為白光LED或三色LED。若選用固化峰值在可見(jiàn)光波段的光敏樹脂，可以使用普通DLP投影機(jī)作為3D打印系統(tǒng)的核心。而且普通DLP投影系統(tǒng)對(duì)藍(lán)紫光的損耗相對(duì)較低，依然可以選擇藍(lán)紫光波長(zhǎng)的光敏樹脂材料，配合運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)初級(jí)的DLP型打印機(jī)。以DLP技術(shù)為基礎(chǔ)的3D打印技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，目前由于DLP型3D打印機(jī)的投影圖像分辨率高，所以成型精度普遍高于傳統(tǒng)激光掃描型打印機(jī)，而且單層固化時(shí)間短，制作時(shí)間短，在制作小尺寸精細(xì)工件時(shí)，具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)?；贒LP技術(shù)發(fā)展出的3D打印系統(tǒng)由以下幾部分組成:DLP投影系統(tǒng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及具有控制和運(yùn)算能力的主控系統(tǒng)。零件的三維模型需要在主控系統(tǒng)上進(jìn)行切片處理運(yùn)算，將三維模型分割為一系列二維平面圖像，之后控制DLP投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像的投影，與此同時(shí)，控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)完成逐層打印，如此往復(fù)最終實(shí)現(xiàn)實(shí)體零件的制作。DLP投影技術(shù)中使用的數(shù)字微鏡器件(digitalmicromirrordevice,DMD)芯片是該類型3D打印的核心，在選擇芯片型號(hào)時(shí)要根據(jù)打印尺寸、打印精度、打印速度以及光源波長(zhǎng)來(lái)選擇合適的芯片。圖1-2-13和圖1-2-14是2種DLP型3D打印系統(tǒng)的示意圖。以圖1-2-13中上曝光DLP型3D打印系統(tǒng)為例，介紹DLP型3D打印系統(tǒng)的工作流程:首先，液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，主控系統(tǒng)會(huì)對(duì)模型進(jìn)行分層計(jì)算,并根據(jù)精度需求生成對(duì)應(yīng)的分層圖像，之后將分層圖像傳遞給DLP投影設(shè)備，投影設(shè)備會(huì)根據(jù)分層圖像控制紫外光,把分層圖像成像在光敏樹脂液體的上表面，靠近液體表面的光敏樹脂在受到紫外光照射后，會(huì)發(fā)生光聚合反應(yīng)進(jìn)行固化，形成對(duì)應(yīng)分層圖像的已固化薄層。此時(shí)，單層成型工作完畢，接著工作臺(tái)向下移動(dòng)一定距離，讓固化好的樹脂表面上補(bǔ)充未固化的液態(tài)樹脂，而后控制工作臺(tái)移動(dòng)，使得下面補(bǔ)充的液體樹脂厚度和分層精度保持一致，使用刮板將樹脂液面刮平，然后即可進(jìn)行下一層的成型工作，如此反復(fù)直到整個(gè)零件制造完成。DLP3D打印系統(tǒng)圖1-2-13上曝光DLP型3D打印系統(tǒng)圖1-2-14下曝光DLP型3D打印系統(tǒng)DLP3D打印和SLA3D打印的區(qū)別目前光固化3D打印設(shè)備最主要的就是DLP和SLA，當(dāng)然CLIP技術(shù)也是基于上面兩種方式發(fā)展出來(lái)的。那么DLP和SLA這兩款機(jī)器又有什么不同呢？對(duì)于打印較小的模型，DLP更適合，DLP適合打印銳度更高、細(xì)節(jié)小的模型。但是還是有很多人仍舊認(rèn)為SLA精度比DLP高，DLP只是看上去很美，DLP光照不均勻容易導(dǎo)致模型變形不能打印滿尺寸、或者成型四邊效果差等等。其實(shí)這些問(wèn)題只存在于以前的DLP3D，或者使用鹵素光源的DLP3D打印機(jī)。目前最新的DLP技術(shù)完全已經(jīng)突破了這些難點(diǎn)，并且在打印速度和模型畸變控制方面，可以說(shuō)完勝SLA。光固化技術(shù)最重要的就是紫外光，這也是技術(shù)難點(diǎn)。在打印模型時(shí)，我們一般也傾向于選擇使用DLP投影機(jī)，因?yàn)镈LP投影機(jī)的成像效果更好。投影原理一般是將光投射穿過(guò)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的紅藍(lán)綠色輪盤，再射到DLP晶片反射成像。DLP的核心技術(shù)是使用全數(shù)字DDRDMD芯片。下圖1-2-30即為DLP3D打印機(jī)設(shè)備圖。下面圖1-2-16、圖1-2-17和圖1-2-18是DLP3D打印機(jī)打印成果的細(xì)節(jié)圖。從打印結(jié)果來(lái)看DLP技術(shù)的精度是完全可以媲美并且超越SLA技術(shù)的，在細(xì)節(jié)方面完全可以超越SLA

3D打印機(jī)。當(dāng)然SLA成型技術(shù)還是具備一定的自身優(yōu)勢(shì)的，比如大體積的模型的打印還是需要使用SLA打印機(jī)，二者各有優(yōu)缺點(diǎn)。圖1-2-15DLP3D打印機(jī)圖1-2-16耳機(jī)圖1-2-17CPU可以看到清晰的針腳圖1-2-18戒指、十字釘PART04SLM激光選區(qū)熔化SLM激光選區(qū)熔化選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)和選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)是快速成型（RP）技術(shù)的重要組成部分。它是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的快速制造技術(shù)，相對(duì)其他快速成型技術(shù)而言，SLM技術(shù)更高效、更便捷，開發(fā)前景更廣闊，它可以利用單一金屬或混合金屬粉末直接制造出具有冶金結(jié)合、致密性接近100%、具有較高尺寸精度和較好表面粗糙度的金屬零件。SLM技術(shù)綜合運(yùn)用了新材料、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等前沿技術(shù)，受到國(guó)內(nèi)外的高度重視，成為新時(shí)代極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)。如果這一技術(shù)取得重大突破，將會(huì)帶動(dòng)制造業(yè)的跨越式（一）SLM基本原理與特點(diǎn)選區(qū)激光熔化（SLM）的原理示意圖如圖1-2-20所示。首先，通過(guò)專用的軟件對(duì)零件的CAD三維模型進(jìn)行切片分層，將模型離散成二維截面圖形，并規(guī)劃掃描路徑，得到各截面的激光掃描信息。在掃描前，先通過(guò)刮板將送粉升降器中的粉末均勻地平鋪到激光加工區(qū)，隨后計(jì)算機(jī)將根據(jù)之前所得到的激光掃描信息，通過(guò)掃描振鏡控制激光束選擇性地熔化金屬粉末，得到與當(dāng)前二維切片圖形一樣的實(shí)體。然后成型區(qū)的升降器下降一個(gè)層厚，重復(fù)上述過(guò)程，逐層堆積成與模型相同的三維實(shí)體。SLM的優(yōu)勢(shì)具有以下幾個(gè)方面：1）直接由三維設(shè)計(jì)模型驅(qū)動(dòng)制成終端金屬產(chǎn)品，省掉中間過(guò)渡環(huán)節(jié)，節(jié)約了開模制模的時(shí)間；2）激光聚焦后具有細(xì)小的光斑，容易獲得高功率密度，可加工出具有較高尺寸精度（達(dá)0.lmm）及良好表面粗糙度（Rα為30～50μm）的金屬零件；3）成型零件具有冶金結(jié)合的組織特性，相對(duì)密度能達(dá)到近乎100%，力學(xué)性能可與鑄鍛件相比；4）SLM適合成型各種復(fù)雜形狀的工件，如內(nèi)部有復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有個(gè)性化需求的零件，這些零件采用傳統(tǒng)方法無(wú)法制造出。SLM選區(qū)激光熔化基本原理選區(qū)激光熔化（SLM）成形技術(shù)的工作原理與選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）類似。其主要的不同在于粉末的結(jié)合方式不同，不同于SLS通過(guò)低熔點(diǎn)金屬或黏結(jié)劑的熔化把高熔點(diǎn)的金屬粉末或非金屬粉末黏結(jié)在一起的液相燒結(jié)方式，SLM技術(shù)是將金屬粉末完全熔化，因此其要求的激光功率密度要明顯高于SLS。為了保證金屬粉末材料的快速熔化，SLM技術(shù)需要高功率密度速熔化，SLM技術(shù)需要高功率密度激光器，光斑聚焦到幾十微米。SLM技術(shù)目前都選用光束模式優(yōu)良的光纖激光器，激光功率從50W到400W，功率密度達(dá)5×106W/cm2以上。圖1-2-19為SLM技術(shù)成型過(guò)程獲得三維金屬零件效果圖。圖1-2-19SLM技術(shù)圖1-2-20原理示意圖（二）SLM成型高質(zhì)量金屬零件關(guān)鍵點(diǎn)SLM選區(qū)激光熔化基本原理由于成型材料為高熔點(diǎn)金屬材料，易發(fā)生熱變形，且成型過(guò)程伴隨飛濺、球化現(xiàn)象，因此，SLM成型過(guò)程工藝控制較困難，SLM成型過(guò)程需要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：1.材料SLM技術(shù)應(yīng)用中材料選擇是關(guān)鍵。雖然理論上可將任何可焊接材料通過(guò)SLM方式進(jìn)行熔化成型，但實(shí)際發(fā)現(xiàn)其對(duì)粉末的成分、形態(tài)、粒度等要求嚴(yán)格。研究發(fā)現(xiàn)合金材料（不銹鋼、鐵合金、鎮(zhèn)合金等）比純金屬材料更容易成型，主要是因?yàn)椴牧现械暮辖鹪卦黾恿巳鄢氐臐?rùn)濕性，或者抗氧化性，特別是成分中的含氧量對(duì)SLM成型過(guò)程影響很大。球形粉末比不規(guī)則粉末更容易成型，因?yàn)榍蛐畏勰┝鲃?dòng)性好，容易鋪粉。具備良好光束質(zhì)量的激光光源良好的光束質(zhì)量意味著可獲得細(xì)微聚焦光斑，細(xì)微的聚焦光斑對(duì)提高成型精度十分重要。由于采用細(xì)微的聚焦光斑，成型過(guò)程采用50-200W激光功率即可實(shí)現(xiàn)幾乎所有金屬材料的熔化成型，并且可有效減小掃描過(guò)程的熱影響區(qū)，避免大的熱變形；細(xì)小的聚焦光斑也是能成型精細(xì)結(jié)構(gòu)零件的前提。精密鋪粉裝置在SLM成型過(guò)程中，需保證當(dāng)前層與上一層之間、同一層相鄰熔道之間具有完全冶金結(jié)合。成型過(guò)程會(huì)發(fā)生飛濺、球化等缺陷，一些飛濺顆粒夾雜在熔池中，使成型件表面粗糙。而且一般飛濺顆粒較大，在鋪粉過(guò)程中，飛濺顆粒直徑大于鋪粉層厚，導(dǎo)致鋪粉裝置與成型表面碰撞。碰撞問(wèn)題是SLM成型過(guò)程中經(jīng)常遇到的不穩(wěn)定因素。因此，不同于SLS技術(shù)，SLM技術(shù)需用到特殊設(shè)計(jì)的鋪粉裝置，如柔性鋪粉系統(tǒng)、特殊結(jié)構(gòu)刮板等。SLM工藝對(duì)鋪粉質(zhì)量的要求是：鋪粉后粉床平整、緊實(shí)，且盡量薄。2.氣體保護(hù)系統(tǒng)由于金屬材料在高溫下極易與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，氧化物對(duì)成型質(zhì)量具有非常大的消極影響，使得材料潤(rùn)濕性大大下降，阻礙了層與層之間；熔道之間的冶金結(jié)合能力。SLM成型過(guò)程須在具有足夠低的含氧量保護(hù)氣氛圍中進(jìn)行，根據(jù)成型材料的不同，保護(hù)氣可以是氧氣或成本較低的氮?dú)狻LM成型過(guò)程涉及幾個(gè)自由度軸或電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，特別是鋪粉裝置采用傳送帶方式帶動(dòng)，導(dǎo)致成型室內(nèi)密封性有一定的難度。3.合適的成型工藝如上所述，SLM成型過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生飛濺、球化、熱變形等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會(huì)引起成型過(guò)程不穩(wěn)定、成型組織不致密、成型精度難以保證等問(wèn)題。合適的成型工藝對(duì)實(shí)現(xiàn)金屬零件SLM直接快速成型十分重要，特別是激光功率與掃描速度的比值，決定了材料是否熔化充分。能量輸入大小決定了粉末的成型狀態(tài)，包括氣化、過(guò)熔、熔化、燒結(jié)等，只有獲得優(yōu)化的能量輸入條件，配合合理的掃描間距與掃描 （三）影響SLM成型質(zhì)量的因素SLM選區(qū)激光熔化基本原理國(guó)外研究工作者總結(jié)發(fā)現(xiàn)，影響SLM成型效果的影響因素達(dá)到130個(gè)之多，而其中有13個(gè)因素起決定作用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可將影響SLM成型質(zhì)量的因素分為6大類，包括：材料（成分、松裝密度、形狀、粒度分布、流動(dòng)性等），激光與光路系統(tǒng)（激光模式、波長(zhǎng)、功率、光斑直徑、光路穩(wěn)定性），掃描特征（掃描速度、掃描方法、層厚、掃描線間距等），環(huán)境因素（氧含量、預(yù)熱溫度濕度），幾何特性（支撐添加、幾何特征、空間擺放等），機(jī)械因素（粉末鋪展平整性、成型缸運(yùn)動(dòng)精度、鋪粉裝置的穩(wěn)定性等）?？疾霺LM成型件的指標(biāo)，主要包括致密度、尺寸精度、表面粗糙度、零件內(nèi)部殘余應(yīng)力、強(qiáng)度與硬度6個(gè)因素，其他特殊應(yīng)用的零件需根據(jù)行業(yè)要求進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)檢測(cè)。圖1-2-21中列出了SLM成型過(guò)程的主要缺陷（球化、翹曲變形、裂紋）、微觀組織特征和目前SLM技術(shù)所面臨的最大挑戰(zhàn)。成型效率、可重復(fù)性、可靠性（設(shè)備穩(wěn)定性），這三個(gè)挑戰(zhàn)也是RM行業(yè)其他快速直接制造方法所面臨的最大挑戰(zhàn)。在上述影響SLM成型質(zhì)量的因素中，有些不需要再進(jìn)行深入研究，因?yàn)樗鼈冊(cè)谒械目焖俪尚凸に囍芯哂型瑯拥挠绊?，如掃描線間距和鋪粉裝置的穩(wěn)定性。然而，另外一些變量需要根據(jù)材料不同而作出調(diào)整，在沒(méi)有相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)存在的情況下，需要從實(shí)驗(yàn)上去推斷這些影響因素對(duì)SLM方法直接成型金屬質(zhì)量的影響。本書根據(jù)前期的加工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了試驗(yàn)過(guò)程中一些細(xì)節(jié)因素對(duì)成型質(zhì)量的影響也非常大，具體包括如下幾個(gè)方面：（三）影響SLM成型質(zhì)量的因素SLM選區(qū)激光熔化基本原理激光與光路激光模式波長(zhǎng)激光功率光斑直徑光路穩(wěn)定性材料成分密度形狀粒度

效率

可重復(fù)性

穩(wěn)定性零件性能致密度尺寸精度表面粗糙度殘余應(yīng)力硬度強(qiáng)度微觀組織特征相組成晶粒大小組織缺陷球化翹曲裂紋機(jī)械因素鋪粉層厚鋪粉平整性鋪粉機(jī)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性等掃描因素掃描速度掃描方式加工層厚掃功線間距環(huán)境因素氧含量預(yù)熱溫度濕度幾何特征支撐添加方式零件幾何特征空間擺放圖1-2-21影響SLM的因素1）鋪粉裝置的設(shè)計(jì)原理、鋪粉速度、鋪粉裝置下沿與粉床上表面之間的距離、鋪粉裝置與基板的水平度；2）粉末加工次數(shù)、粉末是否烘干及粉末氧化程度；3）加工零件的尺寸（包括X,Y,Z三個(gè)方向）、立體擺放方式、最大橫截面積、成型零件與鋪粉裝置中壓板或柔性齒的接觸長(zhǎng)度。在成型的過(guò)程中，這些細(xì)節(jié)因素如果控制不好，成型的零件質(zhì)量降低，甚至成型過(guò)程中需要停機(jī)，實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性、可重復(fù)性得不到保證。選區(qū)激光熔化成型技術(shù)的發(fā)展使得網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與制造成為現(xiàn)實(shí)。連接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度不再受制造工藝的束縛，可設(shè)計(jì)成滿足強(qiáng)度、剛度要求的規(guī)則網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重。EADS為A380門支架（Doorbracket）的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用網(wǎng)狀拓?fù)鋬?yōu)化后在保持原有強(qiáng)度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)40%減重。除此之外，采用選區(qū)激光熔化成型技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)海綿、骨頭、珊瑚、蜂窩等仿生復(fù)雜網(wǎng)狀強(qiáng)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造，達(dá)到更顯著的減重效果。圖1-2-22為門支架的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。SLM技術(shù)發(fā)展展望圖1-2-22門支架（Doorbracket）的優(yōu)化結(jié)構(gòu)1.網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)制造與蜂窩夾層板這種典型的二維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相比，三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性更強(qiáng)，比剛度和比強(qiáng)度、吸能性能經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)可以優(yōu)于傳統(tǒng)的二維蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，圖1-2-23為三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)以及點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)。受到制造手段的限制，傳統(tǒng)制造方法難以實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量、高性能制造，而基于粉床鋪粉的SLM技術(shù)較為適宜制造這類復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。制備不同材料、不同結(jié)構(gòu)特征的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是目前SLM技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。2.三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造SLM技術(shù)發(fā)展展望a）三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)b）點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有良好的綜合性能。目前，制備方法有很多種，例如粉末冶金、鑄造法、熔滲法和自蔓延高溫合成法等。但是由于陶瓷增強(qiáng)顆粒與金屬基體之間晶體結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)以及金屬／陶瓷界面浸潤(rùn)性差異的影響，采用常規(guī)方法容易導(dǎo)致成型過(guò)程中增強(qiáng)顆粒局部團(tuán)聚或界面裂紋。選區(qū)激光熔化制備過(guò)程中溫度梯度大（7×106K/s，冷卻凝固速度快，可使金屬基體中顆粒增強(qiáng)項(xiàng)細(xì)化到納米尺度且在金屬基體內(nèi)呈彌散分布，可以有效約束金屬基體的熱膨脹變形，克服界面裂紋。此外，選區(qū)激光熔化成型可以在材料制備的同時(shí)完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，實(shí)現(xiàn)材料-結(jié)構(gòu)的一體化制造。3.陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化制造THANKThankyouforwatching感謝您的觀看3D打印了解MakerbotReplicator23D打印機(jī)

Makerbotreplicator23D打印機(jī)屬于桌面級(jí)FDM打印機(jī)，本任務(wù)將結(jié)合原理知識(shí)，詳細(xì)介紹Makerbotreplicator23D打印機(jī)的工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及材料等。任務(wù)描述任務(wù)實(shí)施CONTENT目錄1FDM桌面級(jí)中幾種基本的機(jī)型23D打印機(jī)介紹33D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及原理介紹43D打印機(jī)控制系統(tǒng)介紹53D打印機(jī)材料介紹PART01FDM桌面級(jí)中幾種基本的機(jī)型Reprap（replicatingrapidprototyper）項(xiàng)目是2005年由英國(guó)巴斯大學(xué)的機(jī)械工程高級(jí)講師AdrianBowyer博士創(chuàng)建的，它具有一定程度的自我復(fù)制能力，能夠打印出大部分其自身的（塑料）組件。開發(fā)者采用2-1-2為市面上最常見(jiàn)的兩種reprap機(jī)型。1.ReprapFDM桌面級(jí)中幾種基本的機(jī)型圖2-1-1ReprapPrusaMendeli3圖2-1-2RepRapPrusaMendelRepRap研究結(jié)果中最引人注目的是一個(gè)成功的Delta設(shè)計(jì)，Rostock打印機(jī)也在一些先驅(qū)者的帶動(dòng)下日趨成熟。如今常見(jiàn)的外形接近三角形柱體的Delta式3D打印機(jī)，俗稱為三角洲打印機(jī)，圖2-1-3、圖2-1-4和圖2-1-5是一些常見(jiàn)的三角洲打印機(jī)設(shè)備圖。目前主流的成熟的delta機(jī)型有rostock、rostockmini、kossel。2.Delta機(jī)型（俗稱三角洲或者叫并聯(lián)臂）FDM桌面級(jí)中幾種基本的機(jī)型圖2-1-3Rostock

圖2-1-4Rostockmin圖2-1-5kossel（2）makerbotMakerbotReplicator是美國(guó)Makerbot公司于2014年1月CES大會(huì)上發(fā)布的MakerBot第五代產(chǎn)品之一，如圖2-1-7所示。MakerBotReplicator在可打印體積上比第四代大11%，并加入了無(wú)線和以太網(wǎng)功能，融合了云計(jì)算技術(shù)，不僅支持移動(dòng)APP應(yīng)用程序，也能通過(guò)APP應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)打印的遠(yuǎn)程監(jiān)控。（1）UltimakerUltimaker是由三位來(lái)自荷蘭的年輕Maker共同開發(fā)的，Ultimaker的速度很快，可打印更大的尺寸，同時(shí)還是一個(gè)開源項(xiàng)目，圖2-1-6即為Ultimaker機(jī)器設(shè)備圖。3.框架型FDM桌面級(jí)中幾種基本的機(jī)型圖2-1-6Ultimaker圖2-1-7makerbotreplicatorPART02Makerbotreplicator23D打印機(jī)介紹

美國(guó)MakerBot公司推出的MakerBotReplicator2是典型的FDM型3D打印機(jī)，也是目前世界上銷量第一的3D打印機(jī)。同第一代Replicator相比，它的最大構(gòu)建體積增大了近37%，打印精度從上一代的270微米提升到了100微米。更重要的意義在于，它將3D打印機(jī)從愛(ài)好者圈跳出，進(jìn)入更廣泛、主流的大眾消費(fèi)領(lǐng)域。MakerBotReplicator2能夠打印的物品大小為28.5×15.3×15.5厘米，與第一代產(chǎn)品相比打印物品尺寸更大。X與Y軸定位精度為11微米，Z軸定位精度為2.5微米，噴嘴直徑為0.4毫米，最高打印分辨率為100微米，中等分辨率為270微米，低等分辨率為340微米，推薦噴頭移動(dòng)速度為40毫米/秒。所使用的材料為1.75毫米的源自玉米的聚乳酸（PLA）材質(zhì)，這種材質(zhì)與ABS材質(zhì)相比在硬度和收縮性上有明顯優(yōu)勢(shì)，在打印尺寸較大的物品時(shí)，能夠避免邊緣固化快造成的翹邊現(xiàn)象。圖2-1-8是MakerBot

Replicator2個(gè)人桌面3D打印機(jī)，圖2-1-9是和MakerBot

Replicator2使用的PLA材料的示意圖。Makerbotreplicator23D打印機(jī)介紹圖2-1-8MakerBotReplicator2個(gè)人桌面3D打印機(jī)圖2-1-9MakerBotReplicator2使用的PLA材料Makerbotreplicator23D打印機(jī)介紹

另外，MakerBot

Replicator2支持脫機(jī)打印，用戶只需要將.stl文件轉(zhuǎn)化成.x3g文件拷入SD卡中，然后將SD卡插入打印機(jī)即可實(shí)現(xiàn)打印。機(jī)身控制面板有4*20液晶屏提示操作與設(shè)置（包括初始設(shè)置、燈光控制、溫度查看、打印時(shí)長(zhǎng)等），比較直觀。圖2-1-10展示的是MakerBot

Replicator2機(jī)器的

LED燈。

在硬件方面，MakerBot

Replicator2通過(guò)兩個(gè)1/16步進(jìn)電機(jī)控制打印頭的位置移動(dòng)，底板的高度由機(jī)身底部的步進(jìn)電機(jī)控制，底板采用了可以重復(fù)利用的有機(jī)玻璃底板，模型也很容易從底板上拿下。圖2-1-11展示的是MakerBot

Replicator2

正在打印中。

在機(jī)身正面板的右下角，“MakerBotReplicator2”白色字樣非常醒目，左下角是醒目的危險(xiǎn)警示提醒標(biāo)識(shí)，在型號(hào)上方是這款3D打印機(jī)的控制面板，采用4方向?qū)Ш芥I位設(shè)計(jì)，左側(cè)配以背光液晶顯示屏，操縱簡(jiǎn)單易用。圖2-1-10MakerBotReplicator2LED燈圖2-1-11MakerBotReplicator2打印中圖2-1-12MakerBotReplicator23D打印機(jī)外觀1.打印精度高3D打印機(jī)的打印效果主要是由打印層的高度大小來(lái)決定，打印層高度越小，就意味著更高的分辨率和更好的打印質(zhì)量。Replicator2的打印層高度最小能控制在100微米，這就意味著它可以打出光滑而無(wú)需后期打磨的模型，這樣的打印能力充分保證了個(gè)人的創(chuàng)意和想法可以呈現(xiàn)在世人面前。2.充足的創(chuàng)造空間MakerBotReplicator2桌面3D打印機(jī)最大可以打印體積為6700立方公分的模型作品。和上一代的Replicator相比，MakerBotReplicator2的可打印體積增加了37％以上，再加上打印速度方面的提高，可以通過(guò)它打印更大的設(shè)計(jì)作品，或是一次同時(shí)打印多個(gè)設(shè)計(jì)，極大的提升了工作效率。3.優(yōu)化的PLA耗材PLA是Replicator2的最佳耗材，它經(jīng)過(guò)Makerbot的精心改良，能極大的提升打印時(shí)的精密度和穩(wěn)定性。由于PLA耗材在打印時(shí)對(duì)溫度的要求不高，所以3D打印產(chǎn)品在打印時(shí)常見(jiàn)的翹邊和變形現(xiàn)象得到了根本性的控制。更重要的是，與傳統(tǒng)ABS耗材相比，PLA是一款真正意義上的環(huán)保型耗材，它不僅可以降低32%左右的設(shè)備耗電，同時(shí)還可循環(huán)再生，不污染環(huán)境。4.高度精密的鋼制外殼一臺(tái)好的3D打印機(jī)只有同時(shí)具備耐用和堅(jiān)固兩大要素，才能提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的打印環(huán)境。Replicator2采用了高度精密的鋼制外殼來(lái)控制打印腔內(nèi)的溫度、濕度，并以此滿足各種專業(yè)的需求。MakerBotReplicator23D打印機(jī)的主要特點(diǎn)：PART03Makerbotreplicator23D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及原理介紹圖2-1-13和圖2-1-14兩圖刻畫了MakerBotReplicator2的機(jī)械結(jié)構(gòu)，標(biāo)號(hào)從小到大分別為：1.傳動(dòng)定位系統(tǒng)；2.LCD顯示屏；3.鍵盤；4.Z軸螺桿；5.構(gòu)建平板；6.構(gòu)建平臺(tái)；7.進(jìn)料導(dǎo)管；8.擠出機(jī)電纜；9.擠出機(jī)；10.MakerbotPLA耗材；11.卷軸支架。工作原理以及各機(jī)械部件MakerbotReplicator23D打印機(jī)使用PLA（綠色環(huán)保生物降解塑料材料聚乳酸Polylacticacid）材料，三維模型可以保存成.stl.obj.thing格式，然后使用MakerWare軟件，將保存的.stl.obj.thing格式文件模型轉(zhuǎn)換為MakerbotReplicator23D打印機(jī)可以使用的代碼，再通過(guò)USB接口或者SD卡傳遞給3D打印機(jī)，最后MakerbotReplicator23D打印機(jī)通過(guò)加熱PLA細(xì)絲，并由噴頭噴出，一層一層的堆積成型。圖2-1-13MakerBotReplicator2機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖2-1-14MakerBotReplicator2機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖（二）MakerBotReplicator2機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.框架如圖2-1-15所示，Replicator2使用黑色面板鋼架，有效地降低了機(jī)器運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)和噪音。圖2-1-15MakerBotReplicator23D打印機(jī)圖2-1-16MakerBotReplicator23D打印機(jī)XY龍門2.XY龍門Marketbot公司的Replicator2吸取了Ultimaker的經(jīng)驗(yàn)，讓擠出機(jī)在XY平面上移動(dòng)，使得打印效率和成品率有效提升，如圖2-1-16所示，這個(gè)組件結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，這可以大大減少維護(hù)時(shí)間。（二）MakerBotReplicator2機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3擠出機(jī)

擠出機(jī)是最關(guān)鍵的部分。Replicator2和Replicator1在擠出機(jī)上使用了相同的組件，而是在噴嘴上略有變化。另外，Replicator2加了第二臺(tái)風(fēng)扇鼓風(fēng)機(jī)，可以更好地打印PLA。4.平臺(tái)

Replicator2擁有一個(gè)比Replicator1大37％的丙烯酸平臺(tái)，使用該平臺(tái)，只能打印PLA耗材。此外，Replicator2的平臺(tái)上有一個(gè)彈簧加載的快速釋放裝置，使其更容易取出打印物品。也有三個(gè)基床整平，使其更快，更容易校準(zhǔn)Z軸高度的螺絲，及一個(gè)有助于建成這個(gè)過(guò)程的控制面板。5.打印噴頭

MakerBotReplicator2采用了銅質(zhì)材料的打印噴頭，最高精度為100微米，能夠精確還原3D模型。圖2-1-17展示的是MakerBotReplicator2打印機(jī)噴頭噴嘴。圖2-1-17MakerBotReplicator2打印機(jī)噴頭噴嘴（金屬色錐形結(jié)構(gòu)）6.步進(jìn)電機(jī)和金屬絲杠

機(jī)身通過(guò)一根黑色的電線與打印噴頭連接，固定在一根金屬絲杠上，可以左右滑動(dòng)，通過(guò)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制打印噴頭在X軸與Y軸方向的移動(dòng)，如圖2-1-18和圖2-1-19所示。在機(jī)身內(nèi)部，有一個(gè)與底板連接的三個(gè)垂直金屬絲杠，中間的一根帶有螺紋，這是控制底板高度位置的Z軸，在打印中通過(guò)Z軸上下移動(dòng)來(lái)讓打印噴頭一層一層的進(jìn)行打印。圖2-1-19MakerBotReplicator2金屬絲杠圖2-1-18MakerBotReplicator2步進(jìn)電機(jī)

MakerBotReplicator2采用了透明亞克力材料的模型固定板，可以隨意拆卸，底板無(wú)需加熱，隨機(jī)還附贈(zèng)了幾張固定模型的藍(lán)色紙膠帶，模型可以打印在紙膠帶上，這樣不僅很容易將模型取下，而且經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單清潔就可以繼續(xù)打印，非常方便。如圖2-1-20和圖2-1-21所示。圖2-1-20亞克力底板圖2-1-21亞克力底板粘上藍(lán)色紙膠帶PART04Makerbotreplicator23D打印機(jī)控制系統(tǒng)介紹1.RAMPS

RepRapArduinoMegaPololuShield簡(jiǎn)稱RAMPS，如圖2-1-22所示。。2.UItimakerEIectronics圖2-1-23是UltimakerElectronics板，它是用于Ultimaker的主控板，與RAMPS采用同樣的設(shè)計(jì)原理，同樣是基于Arduino主控片的一種擴(kuò)展片。Makerbotreplicator23D打印機(jī)控制系統(tǒng)介紹圖2-1-22RAMPS圖2-1-23UltimakerElectronics（一）主流的3D打印機(jī)主控板介紹3.SanguinololuSanguinololu的設(shè)計(jì)初衷是低成本一體化的Reprap控制板解決方案。圖2-1-24Sanguinololu圖2-1-25Melzi4.MelziRepRap的一個(gè)理念是“自己動(dòng)手”。但有時(shí)使用者只是想直接上手使用RepRap主控電路板，這樣能使他們能夠?qū)Ｗ⒂跈C(jī)器的其他方面，或僅僅他們更熟悉的是軟件或機(jī)械設(shè)計(jì)方面。5.PrintrboardPrintrboard是由Printrbot團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的，如圖2-1-26所示。printrboard繼承了原有的RepRap主控板的功能，同時(shí)消除了部分缺點(diǎn)。圖2-1-26PrintrboardReplicator2打印機(jī)的“大腦”是升級(jí)后的新版MarkerBotMightyBoard主板，完全定制的3D打印機(jī)電子平臺(tái)。MarkerBot的前兩代3D打印機(jī)——Cupcake和Thing-O-MATIC，使用的電子系統(tǒng)來(lái)自于廣泛流行的RepRap開源3D打印項(xiàng)目。前兩代電子系統(tǒng)雖然能夠正常完成工作，但是每臺(tái)打印機(jī)需要多安裝9塊單獨(dú)的電路板，外加ATX主板電源的電腦接口。MarkerBot公司為Replicator打印機(jī)設(shè)計(jì)了一塊MightyBoard主板。這一新的單主板平臺(tái)，能夠輕松控制整臺(tái)設(shè)備，賦予了Replicator2更好的性能和可靠性。MightyBoard主板可驅(qū)動(dòng)5個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為兩個(gè)擠出機(jī)供電，加熱打印床，并讀取SD卡，MightyBoard主板如圖2-1-27所示。它可以通過(guò)背光的LCD面板和類似電子游戲的控制面板，讀取這些數(shù)據(jù)信息。LCD屏顯示打印過(guò)程中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并監(jiān)測(cè)信息，在不使用電腦的情況下就能完全掌控3D打印機(jī)，并且可以使用SD卡插槽，直接從控制面板載入模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行打印。同時(shí)MightyBoard主板還有以下額外的強(qiáng)大功能：1）Pizeo蜂鳴器；2）調(diào)試LED和額外的I/O引腳；3）訪問(wèn)I2C和UART；4）安全控制硬件—擠出機(jī)；5）額外FET開發(fā)；6）兼容Arduino；7）電位器設(shè)定電機(jī)電流。Makerbotreplicator23D打印機(jī)控制系統(tǒng)介紹圖2-1-27MightyBoard主板（二）Makerbotreplicator23D打印機(jī)控制系統(tǒng)介紹PART05Makerbotreplicator23D打印機(jī)材料介紹1.不同技術(shù)下的材料在3D打印領(lǐng)域，3D打印材料在3D打印機(jī)中扮演著舉足輕重的角色，成品的出現(xiàn)等同于3D打印材料的有序疊加。3D打印材料之于3D打印機(jī)如同血液對(duì)于人體的重要性，3D打印材料促進(jìn)或者制約著3D打印技術(shù)的發(fā)展。促進(jìn)指的是3D打印材料的性能好、種類多，則對(duì)3D打印技術(shù)發(fā)展起良性作用；制約指的是3D打印材料的性能差、種類有限，則成為3D打印技術(shù)發(fā)展的瓶頸。那么，常見(jiàn)的3D打印材料有哪些？目前，3D打印材料的總量不止200余種，然而對(duì)于3D打印發(fā)展而言，這些材料還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。3D打印材料根據(jù)3D打印成型技術(shù)的不同，種類也不盡相同。3D打印線材是3D打印材料的一種，主要用于FDM機(jī)型也就是熔融層積成型技術(shù)機(jī)型之中，由于是擠出成型，所以制作該機(jī)型材料是需要將其制作成線狀的耗材，這些線狀的耗材被業(yè)內(nèi)外稱之為線材。線材的種類有很多，PLA、ABS、木材、PC等等，這些不同線材在打印時(shí)呈現(xiàn)不同的性能，如圖2-1-28即為一種3D打印線料。另外，不同機(jī)型對(duì)線材的兼容性也不盡相同。FDM機(jī)型還可使用食材或者混凝土材料，這些材料比較特殊，也是采用擠出的方式讓材料成型。Makerbotreplicator23D打印機(jī)控制系統(tǒng)介紹圖2-1-283D打印材料2.標(biāo)準(zhǔn)的Replicator2的打印材料標(biāo)準(zhǔn)的Replicator2只能打印聚乳酸（polylacticacid,PLA）材料，聚乳酸的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾方面：

1）聚乳酸（PLA）是一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源（如玉米）所提取的淀粉原料制成。2）當(dāng)焚化聚乳酸（PLA）時(shí)，其燃燒熱值與焚化紙類相同，是焚化傳統(tǒng)塑料（如聚乙烯）的一半，而且焚化聚乳酸不會(huì)釋放出氮化物、硫化物等有毒氣體。3）聚乳酸（PLA）除了有生物可降解塑料的基本的特性外，還具備有自己獨(dú)特的特性。傳統(tǒng)生物可降解塑料的強(qiáng)度、透明度及對(duì)氣候變化的抵抗能力皆不如一般的塑料。4）聚乳酸（PLA）薄膜具有良好的透氣性、透氧性及透二氧二碳性，它也具有隔離氣味的特性。病毒及霉菌易依附在生物可降解塑料的表面，會(huì)有安全及衛(wèi)生的疑慮，然而，聚乳酸是唯一具有優(yōu)良抑菌及