基于CAD的3D打印技術(shù)心得體會(huì)

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3D打印技術(shù)

一、3D打印的概念

我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫囊话愦蛴C(jī)可以打印電腦設(shè)計(jì)的平面物品，而所謂的3D打印機(jī)與一般打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，一般打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料，打印機(jī)與電腦連接后，通過電腦掌握可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

3D打印技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特別材料進(jìn)行逐層積累黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具、車銑等機(jī)械加工方式對(duì)原材料進(jìn)行定型、切削以最終生產(chǎn)成品不同，3D打印將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)二維平面，通過對(duì)材料處理并逐層疊加進(jìn)行生產(chǎn)，大大降低了制造的簡單度。這種數(shù)字化制造模式不需要簡單的工藝、不需要浩大的機(jī)床、不需要眾多的人力，直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中便可生成任何外形的零件，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延長。

二、3D打印的原理

3D打印并非是新奇的技術(shù)，這個(gè)思想起源于19世紀(jì)末的美國，并在20世紀(jì)80年月得以進(jìn)展和推廣。中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟把它稱作“上上個(gè)世紀(jì)的思想，上個(gè)世紀(jì)的技術(shù)，這個(gè)世紀(jì)的市場”。三維打印通常是采納數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)。這種打印機(jī)的產(chǎn)量以及銷量在二十一世紀(jì)以來就已經(jīng)得到了極大的增長，其價(jià)格也正逐年下降。使用打印機(jī)就像打印一封信：輕點(diǎn)電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數(shù)字文件便被傳送到一臺(tái)噴墨打印機(jī)上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像。而在3D打印時(shí)，軟件通過電腦幫助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，后者會(huì)將連續(xù)的薄型層面堆疊起來，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。3D打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)最大的區(qū)分在于它使用的“墨水”是實(shí)實(shí)在在的原材料。三、3D打印的過程1)三維設(shè)計(jì)階段：先通過計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。

設(shè)計(jì)軟件和打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL文件格式。一個(gè)STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面辨別率越高。PLY是一種通過

掃描產(chǎn)生的三維文件的掃描器，其生成的VRML或者

WRL文件常常被用作全彩打印的輸入文件。

2)打印過程：打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個(gè)實(shí)體。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于其幾乎可以造出任何外形的物品。

打印機(jī)打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的辨別率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計(jì)算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米。而平面方向則可以打印出跟激光打印機(jī)相近的辨別率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個(gè)微米。用傳統(tǒng)方法制造出一個(gè)模型通常需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天，依據(jù)模型的尺寸以及簡單程度而定。而用三維打印的技術(shù)則可以將時(shí)間縮短為數(shù)個(gè)小時(shí)，當(dāng)然其是由打印機(jī)的性能以及模型的尺寸和簡單程度而定的。

傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術(shù)則可以以更快，更有彈性以及更低成本的方法生產(chǎn)數(shù)量相對(duì)較少的產(chǎn)品。一個(gè)桌面尺寸的三維打印機(jī)就可以滿意設(shè)計(jì)者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。

3)完成：三維打印機(jī)的辨別率對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會(huì)比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高辨別率的物品可以通過如下方法：先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再略微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高辨別率”物品。

有些技術(shù)可以同時(shí)使用多種材料進(jìn)行打印。有些技術(shù)在打印的過程中還會(huì)用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時(shí)就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

四、3D打印的技術(shù)

很多相互競爭的技術(shù)是可用的。它們的不

同之處在于以不同層構(gòu)建創(chuàng)建部件，并且以可

用的材料的方式。一些方法利用熔化或軟化可

塑性材料的方法來制造打印的“墨水”，例如：選擇性激光燒結(jié)（selectivelasersintering，SLS）和混合沉積建模（fuseddepositionmodeling，F(xiàn)DM），還有一些技術(shù)是用液體材料作為打印的“墨水”的，例如：立體平板印刷（stereolithography，SLA）、分層實(shí)體制造（laminatedobjectmanufacturing，LOM）。

3D打印的技術(shù)主要包括SLA、FDM、SLS、LOM等工藝，簡潔介紹三種主流技術(shù)：

1)立體光刻造型技術(shù)(SLA)：可以想象一下把一根黃瓜切成很薄的薄片再拼成一整根。先由軟件把3D的數(shù)字模型，“切”成若干個(gè)平面，這就形成了許多個(gè)剖面，在工

作的時(shí)候，有一個(gè)可以舉升的平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)四周有一個(gè)液體槽，槽里面布滿了可以紫外線照耀固化的液體，紫外線激光會(huì)從底層做起，固化最底層的，然后平臺(tái)下移，固化下一層，如此往復(fù)，直到最終成型。

其優(yōu)點(diǎn)是精度高，可以表現(xiàn)精確?????的表面和平滑的效果，精度可以達(dá)到每層厚度0.05毫米到0.15毫米。缺點(diǎn)則為可以使用的材料有限，并且不能多色成型。

2)熔融沉積成型技術(shù)：同樣是需要把3D的模型薄片化，但是成型的原理不一樣。熔融沉積成型技術(shù)，就是把材料用高溫熔化成液態(tài)，然后通過噴嘴擠壓出一個(gè)個(gè)很小的球狀顆粒，這些顆粒在噴出后馬上固化，通過這些顆粒在立體空間的排列組合形成實(shí)物。

這種技術(shù)成型精度更高、成型實(shí)物強(qiáng)度更高、可以彩色成型，但是成型后表面粗糙。

3)選擇性激光燒結(jié)(簡稱SLS)不同材料的粉末為原料：SLS工藝又稱為選擇性激光燒結(jié)。SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用高強(qiáng)度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強(qiáng)度的激光照耀下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分粘接；當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地?zé)Y(jié)下層截面。

選擇性激光燒結(jié)的特點(diǎn)：創(chuàng)造于1989年；比SLA要牢固的多，通常可以用來制作結(jié)構(gòu)功能件；激光束選擇性地熔合粉末材料：尼龍、彈性體、將來還有金屬；優(yōu)于SLA的地方：材料多樣且性能接近一般工程塑料材料；無碾壓步驟因此Z向的精度不簡單保證好；工藝簡潔，不需要碾壓和掩模步驟；使用熱塑性塑料材料可以制作活動(dòng)鉸鏈之類的零件；成型件表面多粉多孔，使用密封劑可以改善并強(qiáng)化零件；使用刷或吹的方法可以輕易地除去原型件上未燒結(jié)的粉末材料。

五、3D打印的材料

（一）工程塑料

指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。

1)PC材料：是真正的熱塑性材料，具備工程塑料的全部特性。高強(qiáng)度，耐高溫，抗沖擊，抗彎曲，可以作為最終零部件使用，應(yīng)用于交通工具及家電行業(yè)。

2)PC-ISO材料：是一種通過醫(yī)學(xué)衛(wèi)生認(rèn)證的熱塑性材料，廣泛應(yīng)用于藥品及醫(yī)療器械行業(yè)，可以用于手術(shù)模擬，顱骨修復(fù)，牙科等專業(yè)領(lǐng)域。

3)PC-ABS材料：是一種應(yīng)用最廣泛的熱塑性工程塑料，應(yīng)用于汽車，家電及通信行業(yè)。

（二）光敏樹脂

即是UV樹脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光（紫外光）引發(fā)劑（或稱

為光敏劑）。在肯定波長的紫外光（250-300納米）照耀下立即引起聚合反應(yīng)完成固化。一般為液態(tài)，一般用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水等的材料。

1)Somos19120材料為粉紅色材質(zhì)，鑄造專用材料。成型后直接代替精密鑄造的蠟?zāi)ぴ停荛_開模具的風(fēng)險(xiǎn)，大大縮短周期。擁有低留灰燼和高精度等特點(diǎn)。

2)Somos11122材料為半透亮?????材質(zhì)，類ABS材料。拋光后能做到近似透亮?????的藝術(shù)效果。此種材料廣泛用于醫(yī)學(xué)討論、工藝品制作和工業(yè)設(shè)計(jì)等行業(yè)。3)SomosNext材料為白色材質(zhì)，類PC新材料，材料韌性較好，精度和表面質(zhì)量更佳，制作的部件擁有最先進(jìn)的剛性和韌性結(jié)合。

（三）全彩色石膏材料材料本身是石膏基粉末，是用粘接劑結(jié)合在一起，同時(shí)用噴墨頭嵌入。使用該材料打印出來的產(chǎn)品堅(jiān)硬，稍脆，但它是唯一一個(gè)可以打印全彩色的材料，打印出來的樣品顏色亮麗，栩栩如生。適用設(shè)備：Zprinter彩色立體打印機(jī)。

（四）尼龍材料

通過激光粉末燒結(jié)技術(shù)，一層層的通過紅外激光將燒結(jié)成型。適用于EOSP塑料尼龍粉末燒結(jié)成型設(shè)備。

（五）鋁材料

尼龍鋁模型是由一種灰色鋁粉及腈綸混合物制作而成。尼龍鋁是一種高強(qiáng)度并且硬挺的材料，做成的樣件能夠承受較小的沖擊力，并能在彎曲狀態(tài)下反抗一些壓力。它的表面是一種沙沙的、粉末的質(zhì)感，也略微有些疏松。

（六）鈦合金

生產(chǎn)最終使用的金屬樣件，質(zhì)量可媲美開模加工的模型。鈦合金模型的強(qiáng)度特別高，尺寸精密，能制作的最小細(xì)節(jié)的尺寸為0.1mm。

（七）不銹鋼

不銹鋼模型是用一種加入了銅成分的不銹鋼粉打印而成。不銹鋼打印在金屬打印上來講算是最廉價(jià)的一種打印形式，既具有高強(qiáng)度，又適合打印大物品。

（八）生物材料：既是細(xì)胞，用于各種生物支架的制作。

六、3D打印成果

1)航模飛機(jī)：據(jù)國外媒體報(bào)道，3D打印機(jī)曾用

于制造一些機(jī)械零部件和小玩具，但是在2022年，美

國弗吉尼亞高校工程系的討論人員采納最新的3D打

印技術(shù)制造了一架無人飛機(jī)，機(jī)翼寬6.5英尺（約合

1.9米），由打印零件裝配構(gòu)成，巡航時(shí)速達(dá)到45英

里（約合72千米）。

討論人員稱，2022年為了設(shè)計(jì)建筑一個(gè)塑料渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)需要兩年時(shí)間，成本大約25萬美元。但是使用3D技術(shù)，設(shè)計(jì)和建筑這架3D飛機(jī)僅用4個(gè)月時(shí)間，成本大約2000美元。這將創(chuàng)建一個(gè)前所未有的飛行教學(xué)平臺(tái)。

2)奇妙的超級(jí)3D打印機(jī)：科學(xué)家研制了一款奇妙的3D打印機(jī)，可用于將來行星登陸時(shí)建筑基地的任務(wù)中。比如，將來在月球基地中生活的宇航員可以使用這款3D打印機(jī)，將月球上巖石或者特別材料“打印”成所需要的工具。至2022年為止，其應(yīng)用范圍幾乎可以將任何固體材料制造成所需的工具，可以允許將來的探險(xiǎn)家建設(shè)外星球基地。

3)骨骼3D打印技術(shù)：美國討論人員利用3D打印機(jī)開發(fā)骨骼打印技術(shù)，造出類似骨骼的材料。討論人員說，它可被用于骨科、牙科治療或開發(fā)治療骨質(zhì)疏松癥藥物。磷酸鈣生物陶瓷材料是整形外科領(lǐng)域一類重要的骨修復(fù)材料，可模擬人體自然骨結(jié)構(gòu)，相宜細(xì)胞和骨組織的長入。討論發(fā)覺，在生物陶瓷粉主要成分磷酸鈣中添加硅和氧化鋅可以使其強(qiáng)度提升一倍。討論人員使用一部從前用于打印金屬材料的3D打印機(jī)制造類骨骼物質(zhì)。它在粉末層上噴出塑料黏合劑，粉末層厚度僅為一根頭發(fā)絲寬度的一半。粉末層層疊加，干燥后達(dá)到要求的支架厚度，然后在1250攝氏度下烘烤2小時(shí)。試驗(yàn)室環(huán)境下的未成熟骨細(xì)胞生長測試顯示，支架上的骨細(xì)胞在移植一周內(nèi)開頭生長。在兔子和老鼠身上的活體試驗(yàn)同樣得到可喜效果。討論人員說，這種類骨骼物質(zhì)可被添加到受損自然骨上，當(dāng)作支架材料，促使細(xì)胞和骨組織生長，而且這種類骨骼物質(zhì)可最終降解，沒有“明顯負(fù)面效果”。他們說，數(shù)年后，醫(yī)生可利用這一技術(shù)定做更換骨組織。

2022年，瑞士討論人員復(fù)制出一名男子的拇指骨骼。德國夫瑯禾費(fèi)界面工程與生物工程討論所討論人員把立體打印技術(shù)與雙光子聚合技術(shù)相結(jié)合，于2022年開發(fā)出血管打印技術(shù)。打印時(shí)，打印機(jī)發(fā)出兩束強(qiáng)激光，焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)同一分子。這個(gè)分子同時(shí)汲取兩個(gè)光子，即所謂的雙光子聚合。經(jīng)過雙光子聚合的分子變成一個(gè)有彈性的固體，討論人員用它來制造高