3D打印机的技术原理

工程训练I大作业

3D打印机的技术原理

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2018年03月18日

3D打印机的技术原理

3D打印（3D ），是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。运用该技术进行生产的主要流程是：应用计算机软件，设计出立体的加工样式，然后通过特定的成型设备（俗称“3D打印机”），用液态、粉末、丝状的固体材料逐层“打印”出产品。

3D打印是“增材制造”（）的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。而“增材制造”与之截然不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过叠加材料的方法生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。

国际上喜欢用“”（简称）来表示3D打印技术，国内专业术语是增量制造、增材制造或添加制造。2009年美国成立了F42委员会，将定义为：“3d , .”即：一种与传统的材料去处加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。

目前主流的3D打印技术有：

1、激光粉末烧结成型（1 ）；

2、3三维打印（3 ）；

3、激光光固化（）；

4、熔融沉积造型（）

3D打印机的用途，能够实现哪些功能

3D打印能够发挥的作用，按照产品设计研发的流程来说：3D打印不仅仅可以快速制作设计原型，从最初的概念设计到最终产品制造，3D打印在产品设计制造的各个环节都具备变革性优势。

许多企业在产品设计早期，就会使用3D打印设备快速制作足够多的模型用于评估，不仅节省了时间，而且减少了设计缺陷。随着产品设计研发的进展，他们会采用3D打印反复制作手板模型用于设计沟通、设计验证、装配测试和宣传展示，以实现产品功能改善、生产成本降低、品质更好、市场接受度提升的目标。在产品小批量试制阶段，3D打印为快速打样提供了最佳方案，3D打印出来的样品可以用于宣传展示、市场调查、试销售等。而在产品量产环节，也已经有越来越多的企业在采用3D打印方式来加快交付周期、降低个性化定制价格、改善产品交付质量，以及提高生产效率。

3D打印能够发挥的作用，按照不同应用行业来说：

近年来，3D打印技术发展迅速，通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，该技术已成为现代模型、模具和零

件制造的有效手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学、文化创意等领域得到了一定应用，在工程和教学研究等应用领域也占有独特地位。具体应用领域包括：

1、工业制造：产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证；制作模具原型或直接打印模具，直接打印产品。3D打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D打印的家用器具模型，也被用于企业的宣传、营销活动中；

2、文化创意和数码娱乐：形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影《阿凡达》运用3D打印塑造了部分角色和道具，3D打印的小提琴接近了手工艺的水平；

3、航空航天、国防军工：复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、机构的直接制造；

4、生物医疗：人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等；

5、消费品：珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意作品的设计和制造；

6、建筑工程：建筑模型风动实验和效果展示，建筑工程和施工（）模拟；

7、教育：模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印机已经被用于教学和科研；

8、个性化定制：基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。

什么样的三维数据才能够用于3D打印

3D打印的标准数据格式

（）格式是目前3D打印/增材制造设备使用的通用接口格式，是由美国3公司于1988年制定的一个接口协议，是一种为3D打印/增材制造技术服务的三维图形文件格式，目前已成为3D打印/增材制造的事实上的标准格式。

格式是存储三维模型信息的一种简单方法，它将复杂的数字模型以一系列的三维三角形面片来近似表达。模型是一种空间封闭的、有界的、正则的唯一表达物体的模型，具有点、线、面的几何信息，能够输入给增材制造设备，用于快速制作实物样品。随着增材制造技术的发展和应用，文件格式也得到了各软件公司的广泛支持。在医学、自然科学和工程领域里，技术也得到了广泛的应用。

利用三维扫描仪等三维数字化工具对物理原型进行多方位三维扫描，经过点云数据的预处理与优化，得到物体完整的三维数据模型，对该数据模型进行表面三角形小平面化处理，类似于有限元的网格划分，即用许多空间三角形面片来逼近模型，当三角形面片小到一定程度，其近似性可达到工程允许的精度范围内，其数据文件称为文件，可以直接输入3D打印/增材制造设备，用于3D打印/增材制造。

文件格式化对3D打印/增材制造精度影响

3D打印时，由于要将复杂的三维加工转化为一系列简单的二维加工的叠加，因此，成型精度主要取决于二维（X，Y）平面上的加工精度，以及高度（Z）方向上的叠加精度。从3D打印机本身而言，可