3D打印机原理

梁嘉琪2013

都是3D打印机，实现方式却有多种。其中，“熔融沉积成型”被广泛应用于从较低价位款式到高精度、高价位的高端款式。近年来，这种方式的打印机不断出现价格跌破20万日元的机型，个人也可负担得起，推动了3D打印机热潮的兴起。

　　熔融沉积成型是通过细细的喷嘴，自上而下挤出加热熔化的材料，一层层叠加成型品切片的方式。其原理与地形的立体模型十分相似。就像是从水平面开始，逐层叠加薄层一样。

　　如果是具备多个喷嘴的机型，通过在同一平面上挤出颜色、材质各异的树脂，逐层沉积，还可以一次性制作出五彩缤纷的成型品。

　　但是，对于像树枝一样向空中伸展的部分，因为下方的空间没有任何支撑，所以通过熔融沉积成型无法实现。这就需要事先利用其他材料，制作用来支撑的底座。这种材料叫做支撑材料，要在成型结束后清除。

　　美国Stratasys的“Mojo”、“uPrint系列”、“Dimension系列”、“Fortus系列”采用的是熔融沉积成型。

　　从设计到教育以及个人爱好品

　　Stratasys的代理商——丸红信息系统公司的制造解决方案事业本部成型解决方案部长青柳充泰说：“这种方式的一大优点，是可以使用一般塑料产品广泛采用的ABS树脂作为成型材料。”“通过使用ABS这种‘真正的塑料’，强度、金属部件的安装等都可以在设计的初期阶段进行确认”。

　　但表面的光滑程度不尽如人意。成型品要想直接作为商品销售，大多需要经过研磨和涂装。

　　能够以低成本制作3D打印机也是熔融沉积成型的魅力所在。3D Systems Japan采用该方式的“Cube”仅售16.8万日元。该公司个人＆专业3D打印机事业部总监小林广美表示，依靠这样的低价格，“不只是中小企业，3D打印机的用途还在向教育、爱好领域拓展”。其活用的事例十分广泛，比方说，在教授数学和物理时，对公式等进行立体化；在大学的机器人研究室，制作多种版本的部件，评价实际运转的效果；按照自己的喜好，自行制作遥控器直升飞机的部件。

　　实现全彩立体

　　除此之外，3D打印机还有使用光固化树脂作为材料的光固化快速成型等若干方式，但大多数方式只能对树脂进行成型。能够使用其他材料，拓展3D打印机可能性的方式，是“粉末沉积成型（喷墨）方式”。

　　这种方式是在平面上均匀撒上一层薄薄的粉末材料，使用粘合剂、激光等方式，使需要的部分硬化。硬化后再撒上粉末，继续硬化，不断重复这样的过程。在成型过程中，未硬化的地方依然为粉末状态，因此，即使下层未经硬化，也可以对上层进行硬化。也就是说，即便成型的是向空中伸展的树枝，也无需使用支撑材料。在完成所有工序后，成型品将从粉块中现身。

　　3D Systems Japan“Projet x60系列”的某些机型具有特殊本领，可以完成全彩成型。材料使用石膏。成形时，石膏粉以0.1毫米的厚度均匀铺开，从上方用喷嘴喷射粘合剂后，粘合剂洒落的部分将会硬化。粘合剂中可以掺入墨水。

　　这与电脑使用的喷墨打印机原理基本相同。只是用石膏粉替代了纸张，在打印完一层后，不是出纸，而是在上方叠加打印新层。适合成型全彩的人形等。因为材料为石膏，所以还可以用来制作铸造用的模具。

　　可以制作既不能切削也不能铸造的部件

　　德国EOS的产品同样使用粉末状材料，但无需粘合剂，是使用激光进行烧结的“激光烧结方式”。也有企业称之为“激光粉末烧结”、“粉末烧结沉积成型”。EOS的“EOSINT M”的特点是使用金属粉末作为材料，能够制作金属成型品。

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EOS的代理商——恩梯梯数据公司的工程师系统营业本部的前田寿彦表示，使用这种打印机，“可以制作既不能切削、也不能铸造的部件”。无需支撑材料，只要在最后清除没有硬化的粉末即可。比方说，利用传统加工方法无法成型的“内部为立体网眼的球体”也可以制作。而且，因为是利用激光加热金属粉末，使之熔化并硬化，所以强度与铸造基本相同。激光烧结的部分还可以接在其他加工方法制作的部件上。

　　上图中的球状金属网眼是人工髋关节的部件。当然，人的个头、身材千差万别。人工髋关节之类的辅助器具需要使用量身定做的唯一部件。有的时候，为了实现需要的功能，还要采用复杂的构造。对于此类用途，能够高精度定制，便于变更、修改成型的3D打印机必将大显身手。

　　丸红信息系统的青柳部长也暗示了其中的可能性：“工业产品在停产之后，还必须在一定期间内，保留维修部件的库存。对于企业而言，相关的库存管理和供应体制的维持是沉重的负担。如果把3D打印机作为基础，那么，即使没有库存，同样可以供应部件。”