3D打印基本原理及特点

3D打印基本原理及特点

1.3D打印原理

3D打印的原理其实并不复杂，其运作原理和传统喷墨打印机的工作原理基本相同。传统喷墨打印机是将计算机屏幕上的一份文件或图形，通过打印命令将这份文件或图形传送给打印机，喷墨打印机即刻将这份文件或图形打印到纸张上。而3D打印是在三维数模驱动下，通过类似于打印机喷头的装置将成型材料喷射出来或者对材料层喷射粘结剂等方式进行层间堆积建造，逐层累积，“打印”出来与三维数模形状尺寸一致的实体。3D打印机与传统喷墨打印机最大的区别在于，它使用的“墨水”是模型建造的原材料或者是对层间材料粘结成型的粘结剂等。3D打印基本原理如图1-1所示。

图1-1 3D打印基本原理

2.3D打印特点

传统的零件加工工艺多为切削加工方法，是一种减材制造，材料利用率较低，有些大型零件其利用率甚至不足10%。材料成型工艺近似于等材制造，可显著提高材料的利用率和生产效率，但是需要特定的工装模具，对于复杂或大型零件，要求的工艺流程长、装备吨位大。而3D打印技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法——部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件，而采用全新的“增长”加工法——用一层层的小毛坯逐步叠加成大工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合。因此，3D打印不必采用传统的加工机床和工模具，只需传统加工方法10%～30%的工时和20%～35%的成本，就能直接制造出产品样品或模具，材料利用率极高，流程短。其特点主要如下：

（1）自由成型制造无须使用工模具而直接制作原型或制件，可大大缩短新产品的试制周期并节省工模具费用；同时成型不受形状复杂程度的限制，能够制作任意复杂形状与结构、不同材料复合的原型或制件。

（2）制造过程快速从CAD数模到原型或制件，一般仅需要数小时或十几小时，速度比传统成型加工方法快得多。随着个人桌面级3D打印机的发展及成本的逐渐降低，许多产品尤其是日用品，可以在家里进行制造，省去了传统获取产品的从设计构思、零件制造、装配、配送、仓储、销售到最终的客户手里的诸多复杂的环节。从产品构思到最终3D打印技术也更加便于远程制造服务，用户的需求可以得到最快的响应。

（3）添加式和数字化驱动成型方式无论哪种3D打印工艺，其材料都是通过逐点、逐层以添加的方式累积成型的。这种通过材料添加来制造产品的加工方式是3D打印技术区别于传统的机械加工方式的显著特征。

（4）突出的经济效益在多品种、小批量、快改型的现代制造模式下，3D 打印技术无须工模具而直接在数字模型驱动下采用特定材料堆积出来，可显著缩短产品的开发与试制周期，节省工模具成本的同时也带来了显著的时间效益。

（5）广泛的应用领域除了制造原型外，该项技术特别适合于新产品的开发、单件及小批量零件制造、不规则或复杂形状零件制造、模具设计与制造、产品设计的外观评估和装配检验、快速反求与复制，也适合于难加工材料的制造等。这项技术不仅在制造业具有广泛的应用，而且在材料科学与工程、医学与生物工程、文化艺术以及建筑工程等领域也有广阔的应用前景。

3.3D打印工艺过程

无论哪种3D打印工艺方法，其打印过程都可分为前处理、打印及后处理三个阶段。前处理主要进行模型设计和打印数据准备及与打印工艺方法相对应的数据处理；打印过程一般都是设备根据设定的制作参数自动进行的；后处理阶段主要包括清洗、去除支撑、打磨及改性处理等。具体细分的话，整个打印过程可划分为七个步骤。

1）计算机辅助设计：用CAD等软件建造一个三维模型。

2）转成STL数据格式：从CAD软件中输出转换成STL数据格式。

3）转到3D打印设备上或经过STL数据处理软件进行切片等处理后再转到3D打印设备上，由计算机控制三维打印机工作。

4）设置3D打印机打印参数和打印前准备：对于怎样为新的打印工作做准备，每一台机器都有它独特的需求。这不仅包括填充聚合物、粘合剂和打印机所

需要的其他材料，而且也需要安装一个托盘作为基础，或者需要使用一种能够建立水溶性支撑结构的材料。

5）建造：让每台机器都做它自己的工作，建造过程几乎是自动的。

6）移出：将打印好的产品从机器里取出来。这时要采取相应的保护措施以避免对人身造成伤害，例如戴上手套来防止高温的表面或者有毒的化学物质的伤害。

7）后期加工：一般3D打印机打印出的产品需要做一些后期处理，包括刷去所有的残留粉末，或是冲洗产品以除去水溶性的支撑结构等。由于一些材料需要时间硬化，刚打印出的产品在这个环节是十分脆弱的，因此后处理操作时需倍加小心以确保刚打印出来的产品不被损坏。