第十一章3D打印11-1簡(jiǎn)述3D打印的工作原理。3D打印技術(shù)因其成型系統(tǒng)種類和成型材料不同，成型原理也各有不同。但其基本原理都是一樣的，那就是“分層制造，逐層疊加”，類似于數(shù)學(xué)上的積分過程。其工作原理是將物體的三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行逐層切片，得到各層的二維輪廓信息，并自動(dòng)生成加工路徑；然后逐層打印對(duì)象，層與層之間用不同方式進(jìn)行粘合，疊加后形成完整物體。11-2簡(jiǎn)述3D打印的顯著特點(diǎn)。相比傳統(tǒng)制造技術(shù)，3D打印技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）不受零件結(jié)構(gòu)限制，可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀產(chǎn)品的自由制造。（2）能夠快速將設(shè)計(jì)概念轉(zhuǎn)化為功能原型，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)估與功能驗(yàn)證。（3）深度賦能定制化產(chǎn)品，滿足用戶個(gè)性化體驗(yàn)與價(jià)值創(chuàng)造。（4）能夠在保證性能的前提下顯著減輕部件重量，實(shí)現(xiàn)輕量化制造。11-3正向設(shè)計(jì)3D打印模型的建模軟件有哪些？正向建模是一個(gè)將概念構(gòu)想創(chuàng)建為三維實(shí)體的過程。正向設(shè)計(jì)流程一般是設(shè)計(jì)者對(duì)要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，得出結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用三維建模軟件建立實(shí)體模型。常用三維建模軟件包括NX、SolidWorks、CATIA、3DMax和Rhino。該類建模軟件的特點(diǎn)是利用一些基本幾何元素，通過平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸、布爾運(yùn)算等系列特征來構(gòu)建復(fù)雜的三維實(shí)體。11-4常見的3D打印主流工藝包括什么？根據(jù)《增材制造工藝分類及原材料》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，3D打印工藝分為材料擠出、立體光固化、粉末床熔融、薄材疊層、材料噴射、黏結(jié)劑噴射和定向能量沉積七大類。其中，材料擠出工藝是應(yīng)用最普遍的一種類型，其核心是通過噴嘴擠出熱塑性線材來實(shí)現(xiàn)原型制作，代表性技術(shù)是FDM技術(shù)。立體光固化工藝主要是通過光聚合作用固化液態(tài)樹脂來獲得成型件，其代表性技術(shù)包括SLA技術(shù)、DLP技術(shù)和CLIP技術(shù)。通過選擇性熔化燒結(jié)粉末材料來實(shí)現(xiàn)零部件成型的工藝是粉末床熔融工藝，其代表性技術(shù)主要是SLS技術(shù)和SLM技術(shù)。鑒于以上三種成型工藝應(yīng)用相對(duì)普遍，在此重點(diǎn)對(duì)材料擠出工藝、立體光固化工藝和粉末床熔融工藝進(jìn)行總結(jié)。11-5簡(jiǎn)述FDM技術(shù)的工作原理與特點(diǎn)。熔融沉積成型技術(shù)，簡(jiǎn)稱FDM技術(shù)，是材料擠出工藝的代表性技術(shù)。在計(jì)算機(jī)控制下，線材由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中受熱熔化至半流體狀態(tài)擠壓而出，有選擇性地涂覆于工作平臺(tái)（X-Y），經(jīng)快速冷卻后形成第一層截面。第一層截面成型后，工作臺(tái)下降一定高度（Z），由噴頭繼續(xù)涂覆，經(jīng)層層堆積后形成實(shí)體模型。隨著高度的持續(xù)增加，分層輪廓面積和形狀不斷發(fā)生變化，當(dāng)變化較大時(shí)，前一層輪廓不足以支撐當(dāng)前輪廓截面，此時(shí)就需要設(shè)計(jì)添加輔助結(jié)構(gòu)—支撐，以便模型的順利成型。FDM技術(shù)的關(guān)鍵是將噴頭中噴出的材料溫度控制在稍高于凝固點(diǎn)1~5℃的狀態(tài)。通俗講，即保持材料始終處于熔融狀態(tài)。過高或過低的溫度均不利于模型的成型。溫度過高，易出現(xiàn)成型精度低、產(chǎn)品變形等問題；溫度過低，則會(huì)直接導(dǎo)致熔化材料堆積于噴頭，使噴頭處于堵死狀態(tài)，成型失敗。11-6簡(jiǎn)述SLA技術(shù)的工作原理。SLA技術(shù)與FDM技術(shù)之間有什么區(qū)別？立體光固化工藝是一種利用激光器發(fā)射激光促使光敏樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)從而完成模型固化的成型技術(shù)。3D打印機(jī)使工作平臺(tái)處于液槽中的一個(gè)確定深度，由計(jì)算機(jī)控制激光器發(fā)出激光，激光聚焦后形成的光斑根據(jù)零件分層輪廓信息逐點(diǎn)掃描，使光敏樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)而固化，形成第一個(gè)物理薄層。此時(shí)，刮刀刮過零件表層，刮平表面黏度較大的樹脂溶液。隨后，工作臺(tái)下降一定高度，使激光形成的光斑重新照射在樹脂上，形成新的薄層。如此循環(huán)，直至零件成型。隨后，將零件輕輕取出，利用電鍍、噴漆、著色等方法進(jìn)行表面再處理，得到最終產(chǎn)品。SLA技術(shù)與FDM技術(shù)之間的區(qū)別對(duì)比維度SLA技術(shù)FDM技術(shù)工作原理激光束或紫外光斑逐點(diǎn)掃描光敏樹脂表面，使特定區(qū)域固化成型。將熱塑性線材在噴頭內(nèi)加熱熔融擠出，逐層堆積冷卻固化。使用材料液態(tài)光敏樹脂固態(tài)熱塑性線材成型質(zhì)量可打印出細(xì)節(jié)豐富、表面光滑的高精度零件，層紋不明顯，適合展示模型和精細(xì)零件。成型件可見明顯的階梯紋，表面比較粗糙，需進(jìn)行打磨處理才能獲得較好的表面質(zhì)量。機(jī)械性能樹脂通常較脆，長(zhǎng)期暴露在紫外線下可能老化變脆性能更接近傳統(tǒng)塑料，具有良好的強(qiáng)度和韌性，適用于功能測(cè)試和承重件后處理打印后需用酒精清洗殘留樹脂，需進(jìn)行二次固化才能達(dá)到最佳性能。主要是移除支撐結(jié)構(gòu)，以及對(duì)表面進(jìn)行打磨、拋光等。應(yīng)用領(lǐng)域手板驗(yàn)證、珠寶鑄造、齒科牙模、精密零件、動(dòng)漫手辦。概念驗(yàn)證、功能測(cè)試、教育創(chuàng)意、低成本零件、簡(jiǎn)易工裝夾具11-7簡(jiǎn)述3D打印的完整工藝過程。以FDM技術(shù)為例，介紹3D打印工藝流程，主要體現(xiàn)為前處理、原型制作和后處理三個(gè)階段。（1）前處理1）進(jìn)行三維建模并輸出STL文件，獲取數(shù)據(jù)源。2）將模型載入切片軟件完成模型文件的校驗(yàn)與修復(fù)。3）從模型精度、強(qiáng)度、支撐施加及成型時(shí)間等方面確定模型擺放方位。4）確定分層參數(shù)，執(zhí)行切片功能，并對(duì)模型文件進(jìn)行存儲(chǔ)。（2）原型制作1）開啟設(shè)備，連接計(jì)算機(jī)，載入打印模型。2）對(duì)設(shè)備歸零預(yù)熱，并執(zhí)行打印命令。3）成型結(jié)束，取出模型。（3）后處理1）利用工具去除支撐，打磨模型，使模型獲得較高的表面質(zhì)量。11-83D打印時(shí)需要考慮哪些工作參數(shù)？3D打印需要考慮的參數(shù)主要包括層厚、壁厚、填充率、支撐和工作溫度。（1）層厚不同層厚具有不同效果。層厚越小，精度越高，成型時(shí)間越長(zhǎng)；反之精度越低，成型時(shí)間越短。對(duì)于精度要求不高的模型，推薦層厚值為0.25mm；對(duì)于精度要求較高的模型，推薦層厚值為0.1mm。（2）壁厚壁厚與模型強(qiáng)度直接相關(guān)。壁厚越大，強(qiáng)度越高，成型時(shí)間越長(zhǎng)；反之強(qiáng)度越低，越容易開裂。對(duì)于強(qiáng)度要求不高的模型，建議壁厚設(shè)置為2mm；對(duì)于強(qiáng)度要求較高的模型，壁厚可設(shè)置為4mm。（3）填充率填充率與強(qiáng)度成正比，填充率越大，強(qiáng)度越高，材料消耗越多，模型就越重；反之填充率越低，強(qiáng)度越低。一般情況下，填充率不建議采用100%或10%以下填充，推薦值在15%~20%之間。（4）支撐按照添加方式的不同，支撐分為外部支撐和內(nèi)部支撐。外部支撐是坐落于平臺(tái)上的支撐，內(nèi)部支撐是坐落于模型本體上的支撐。為保證模型的順利成型，必要時(shí)選擇完全支撐，即同時(shí)設(shè)置內(nèi)外支撐。（5）工作溫度對(duì)于PLA材料，要求平臺(tái)板溫度控制在60℃左右，噴嘴溫度控制在180~220℃之間；對(duì)于ABS材料，要求平臺(tái)溫度控制在100℃左右，噴嘴溫度控制210~250℃之間。11-9簡(jiǎn)述3~4項(xiàng)工作參數(shù)對(duì)模型性能產(chǎn)生的影響。（1）層厚層厚是決定模型表面質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。層厚越小，成型層越多，成型質(zhì)量越光滑，細(xì)節(jié)表現(xiàn)力越強(qiáng)，但成型時(shí)間也會(huì)顯著延長(zhǎng)。層厚越大，層紋越明顯，模型表面會(huì)呈現(xiàn)“階梯效應(yīng)”，但成型速度會(huì)更快。一般情況下，較小的層厚會(huì)使層與層之間的結(jié)合更為緊密，可能會(huì)略微提升Z軸的抗拉強(qiáng)度。（2）工作溫度工作溫度是影響模型性能的核心參數(shù)。溫度過高，可能會(huì)導(dǎo)致材料降解、拉絲或零件變形。溫度過低，則會(huì)使材料熔融不充分，層與層之間無法牢固粘結(jié)，導(dǎo)致層間結(jié)合力弱，模型易從層紋處開裂，機(jī)械強(qiáng)度大幅下降。合適的打印溫度能夠確保材料順暢擠出并與前一層良好融合，同時(shí)減少拉絲和翹邊現(xiàn)象。（3）填充率填充率直接決定成型件內(nèi)部的實(shí)心程度。填充率越大，成型件越堅(jiān)固，但耗材越多、打印時(shí)間越長(zhǎng)。填充模式直接影響成型件的各向異性強(qiáng)度和抗沖擊性能。例如，蜂窩形狀的填充模式通常能以較低的密度提供優(yōu)異的強(qiáng)度重量比。11-10試述3D打印技術(shù)未來發(fā)展的趨勢(shì)及面臨的挑戰(zhàn)。（1）3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1）從快速原型向終端產(chǎn)品直接制造轉(zhuǎn)變隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，特別是成型材料在性能上的不斷突破，3D打印技術(shù)開始從快速原型制造向終端產(chǎn)品直接制造發(fā)展。在眾多的3D打印工藝中，以激光近凈成型技術(shù)、選擇性激光熔融、電子束熔煉技術(shù)等為代表的金屬3D打印技術(shù)成為零部件直接制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)鑄造、鍛造等工藝相比，金屬3D打印技術(shù)不僅適合制造形狀復(fù)雜的零件、大型薄壁件、輕量化零件等，還能夠制造鈦合金、鎳基高溫合金等特種合金零件以及個(gè)性化生物零件，在航空航天、汽車制造、核電、造船、醫(yī)療器械等許多領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。2）3D打印成型材料多樣化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化3D打印材料是制約當(dāng)前3D打印產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。3D打印行業(yè)面臨著材料種類少、不能通用、質(zhì)量沒有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)等突出問題。未來3D打印成型材料應(yīng)當(dāng)克服這些問題，朝著多樣化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。首先，材料多樣化。與傳統(tǒng)材料相比，3D打印材料種類依然相對(duì)較少。發(fā)展全新的3D打印材料，例如組織工程材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料以及其他傳統(tǒng)方法難以制作的復(fù)合材料成為當(dāng)前3D打印材料研究中的熱點(diǎn)。其次，材料通用化、開源化。目前3D打印工藝使用的材料大部分是由各設(shè)備制造商單獨(dú)提供，部分廠家甚至將設(shè)備與材料進(jìn)行綁定銷售。不同廠家的材料通用性很差，而且材料成型性能還不十分理想，阻礙了3D打印產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。因此，開發(fā)性能優(yōu)良的3D打印成型材料，并使其系列化、通用化、將能極大地促進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。3）3D打印使產(chǎn)品生產(chǎn)走向個(gè)性化、定制化個(gè)性化制造是3D打印技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)制造技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)之一。3D打印個(gè)性化制造最有前景的領(lǐng)域之一就是醫(yī)學(xué)與醫(yī)療工程，將會(huì)引發(fā)醫(yī)學(xué)革命。這是因?yàn)獒t(yī)療行業(yè)對(duì)于個(gè)性化、定制化具有顯著的需求，而個(gè)性化、小批量和高精度恰好是3D打印技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)。利用3D打印技術(shù)可以制造器官、骨骼等實(shí)體模型，用來指導(dǎo)手術(shù)方案設(shè)計(jì)，也可以直接打印皮膚、血管和心臟等人體器官，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。另外，隨著人們生活水平日益提高，個(gè)性化、多樣化的消費(fèi)需求漸成主流，利用3D打印技術(shù)也可以滿足人們?cè)诩译娖嚨认M(fèi)領(lǐng)域的個(gè)性化定制產(chǎn)品的需求。（2）3D打印技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，在過去30年中，全球3D打印產(chǎn)品和服務(wù)已形成數(shù)十億美元的市場(chǎng)規(guī)模，并將繼續(xù)在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。與此同時(shí)，雖然3D打印產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成一定規(guī)模，但是3D打印技術(shù)距離大規(guī)模普及應(yīng)用還存在一定差距，主要存在以下幾個(gè)問題：1）打印速度較慢。目前3D打印機(jī)的速度較慢，主要