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3D打印

3D打印有两种定义。狭义指“MIT开发的以粉末为基础的制造技术”。广义上指所有的增材制造技术(Additive Manufacturing)。
据Andreas Gebhardt对添加性制造技术的入门书籍Understanding Additive Manufacturing,添加性制造技术有很多种,MIT开发的3D打印技术只是其中一种:
1.     以高分子聚合反应为基本原理:激光立体印刷术(Stereolithography, SLA,有著名的Objet(已和Stratasys合并)和Formlabs为代表), 高分子打印技术(Polymer Printing), 高分子喷射技术(Polymer Jetting), 数字化光照加工技术(Digital Lighting Processing), 微型立体印刷术(Micro Stereolithography)。
2.     以烧结和熔化为基本原理: 选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering, SLS,3D打印行业龙头老大3D System的看家本领,EOS也是杰出代表), 选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting, SLM), 电子束熔化技术(Electron Beam Melting, EBM)。
3.     以粉末-粘合剂为基本原理:三维打印技术(Three Dimensional Printing, 3DP,MIT在90年发明的,Zcorp(已被3D Systems收购)、voxeljet是杰出代表)
4.     熔融沉积造型技术(Fused Deposition Modeling, FDM,著名代表有RepRap项目、MakerBot和Stratasys公司)
5.     层压制造技术(Layer Laminate Manufacturing, LLM)
6.     气溶胶打印技术(Aerosolprinting)
7.     生物绘图技术(Bioplotter)
每一种添加性制造技术的具体原理都不一样,但是主要都是想办法根据电脑数据制造出一层东西,然后在这层东西上面再制造一层东西,如此类推,直至制造出整个立体模型。
主要特点是成品结构复杂性几乎不受限制。
目前主要用于航空工业、汽车工业、专业设计(产品设计和建筑设计的模型制造)、外科(量身定做的矫正牙套、假牙、助听器)等等。

下面来简单介绍一下最常见的FDM、SLA、SLS和3DP。
1. FDM 来源:维基百科

FDM全称Fused Deposition Modelling(熔融沉积造型)。打印头加热,把条形塑料加热软化,按照电脑3D模型作“一笔画”。看看视频可能会更清楚:

MakerBot Thing-O-Matic演示:
                            

MakerBot立体打印机Thing-O-Matic演示一:打印人像                

http://v.youku.com/v_show/id_XMjMxNjgyODAw.html                          
2. SLA 来源:维基百科

SLA全称Stereolithography(立体印刷术)。它用激光选择性地让需要成型的液态光敏树脂发生聚合反应变硬,从而造型。SLA有两大类,一种是Objet为代表的,从下到上打印的。另一种是Formlabs为代表的,从上往下打印的。

Objet打印机原理介绍:                              

Objet三维打印机---缔造快速成型新标准                

http://v.youku.com/v_show/id_XMjEzODM2NjQw.html                          

Formlabs Form 1打印机宣传视频
                          

Formlabs 光固化桌面级3D打印机                

http://v.youku.com/v_show/id_XNDU1NjE1OTk2.html                          
3. SLS 来源:维基百科

SLS全称Selective Laser Sintering(选择性激光烧结)。和SLA类似,SLS使用激光。和SLA不同的是,SLS用的不是液态的光敏树脂,而是粉末。激光的能量让粉末产生高温和相邻的粉末发生烧结反应连接在一起。

3D Systems 选择性激光烧结3D打印机演示:
                          

选择性激光烧结(SLS)工艺演示                

http://v.youku.com/v_show/id_XNDk3NTg4NzEy.html                          
4. 3DP

 来源:Emerald

3DP全称Three Dimensional Printing(三维打印)。这才是真正的3D打印!因为这种技术和平面打印非常相似,连打印头都是直接用平面打印机的。和SLS类似,这个技术的原料也是粉末状的。典型的3DP打印机有两个箱体。如上图所示,左边为储粉缸,右边为成型缸。打印时,左边会上升一层(一般为0.1mm),右边会下降一层,滚粉辊把粉末从储粉缸带到成型缸,铺上厚度为0.1mm的粉末。打印机头根据电脑数据把液体打印到粉末上。(平面打印机的Y轴是纸在动,而3DP的Y轴是打印头在动)液体要么是粘合剂要么是水(用于激活粉末中粉状粘合剂)。

ZPrinter演示:
                            

彩色3D打印机ZPrinter 650打印Minecraft风格的模型全程示范                

http://v.youku.com/v_show/id_XNDk1NDU0NTYw.html                          
想说说那个打印肾脏的TED视频。那个肾脏不具有任何功能。移植到那个男孩身上的是膀胱。膀胱的功能只是储存尿液,不需要很复杂的生物结构,所以目前的技术可以制造。可是,目前还不能制造可以移植的肾脏。





其实,3d打印机虽然品牌众多五花八门,但是本质上的工作原理是一样的,那到底是个什么工作原理呢。

既然是打印嘛,那我们就先看一看传统的,在纸张上打印的喷墨打印机。

 纸张打印机,是不是看不清,没事这个就是让大家感觉一下而已,稍后有X图。

众所周知纸张打印机打印的是平面的图像,而数码图像也就是我们放大之后看到的一个个纯颜色的“像素”点拼合成的玩意,这东西可以看成是用每一个坐标点标记一个颜色值作为存储。
                            像素密集恐惧症请迅速下翻

  • 那么这样就很好理解了,如果我们能搞出个“喷头”,能够在一个平面上自由移动,在这个坐标系喷射出应有的像素,不就完成了打印工作了么。

                        平面直角坐标系
所以这种玩意就出现了,为了大家看得更明白我建模的时候做了一定的简化。
 图  喷墨打印机最直白的工作原理
首先我们最需要的东西就是这个喷头,它需要一个一个的喷“像素”,好的,我们看下喷头一般是怎么回事。
 图  喷墨打印机的喷头

这个纸可以被一个滚轮带下来,也就是完成了Y轴的移动,中间的那位灵动的小喷头左右移动,也就等于完成了X轴的移动,那么这样一来,一个平面的图片就被打印出来了。
但是中间的小喷头是靠什么移动的呢。
 图  同步带(齿带)
对,这个就是学名叫同步带我们一般叫做齿带的东西,这个东西一旦和齿轮配合,就可以做到自由的进行传动,也就是说一般来说,像打印机这种很灵敏的设备,一般都需要齿带作为传动装置。

  • 有人说你说这么多废话干嘛,我要听的是3d打印。稍安勿躁,我们看下,平面打印的载体是纸,那么我们可是要打印立体的东西啊,平面打印用的是喷出来的“颜料”,那么3d打印就一定要用实实在在的材料啊。

好的,法宝来了。
                                一般3d打印常用的“线料”

  • 也就是说我们常见的3d打印机里,打印的材料从墨汁换成了“热塑性塑料”,什么叫热塑性塑料呢,这种塑料一旦加热就变得软塌塌的熔融状态,但是一旦冷却又恢复原样。现在最常见的3d打印材料主要是ABS和PLA,ABS是个极其常见的合成塑料了,本质是A(丙烯睛)、B(丁二烯)、S(苯乙烯),算了忘了就好。PLA又叫聚乳酸,这东西熔点很低,基本在185°C就可以熔融加工,所以也就是最常见的打印材料了,至于为什么这材料是和毛线一样的线材,其实很简单,你要是把一把塑料(粒料)放在灼热的喷头里,不出两分钟就会堵死,这线材才是“细水长流”。


好了,材料也有了,就差载体了,那好啊,我们就来加个小钢板吧。

        我在建模的时候,直接在上图里加上了这么一个小钢板,当然了小钢板就不能像纸那样被滚轮送下去了,所以我们在小钢板的下面也加上一个“同步带”,进行Y轴的传动。

这下好了,平台建立好了,X轴和Y轴都可以自由移动,小喷头可以自由的达到小钢板的任何一个位置了。
那么打印立体的要素就差一个了吧,那就是Z轴。
             空间直角坐标系
                        Z轴来了,也就是上图的螺旋状杠子

  • 我们在可以在X轴来回移动的喷头组合体上,加入了一个机械中的“法宝”,那就是“丝杠”

丝杠这东西,我们也可以理解为就是个大螺丝,和丝杠配合的地方是个螺母,这丝杠一旦被电机带动旋转,那么那个喷头就会自由的上下移动了。

这下好了,我们的喷头已经不是个普通的喷头了,它已经是一个可以在空间中随意移动的喷头了。
我们看下效果图。
            我们刚才组合出来的设备(我为了美观渲染了一抹橙黄)。

  • 其实这就是3d打印机的基本传动构造了,并不是很复杂,本质上只是一个能在三个轴自由移动的喷头而已。


好了,现在我们装上子弹(原材料),看看这东西是怎么工作的。
                                            荷枪实弹的3d打印机
我们发现,所谓3d打印,本质上也就是把热塑性塑料熔化,然后再喷头处喷出更细的“丝线”,然后一层一层的向上喷,一层一层的向上叠加,本质上来说,3d打印仅仅是组合了一层一层的“平面”,使之变为立体。

                                用软件模仿了下3d打印的原理

        这是用低精度3d打印机打印出来的几个物件,可以明显的看出分层叠加和一缕一缕的支撑线,但是在很多情况下这种精度已经绰绰有余了。

我们都知道如果打印一个平面图片,一般搞一个JPG的图片就好了,那么在3d打印中,我们平时都是用什么“文件”来进行打印的呢。

 其实大家刚才看到的那个泛着金属光的打印机,就是用这个东西渲染出来的。

  • 这个是一个工业设计和建筑中都很常用的软件——犀牛(rhino),当然了比较常用的还有solidworks这种零件制造和装配为特长的建模软件。这两个算是比较偏工科的建模软件,如果是艺术性更强一点的还有大家熟知的3dmax玛雅等建模软件,虽然这些软件的建模原理并不完全相同,但是核心也无非就是以面成体,这世界上所有的“体”,本质上都是由面来“堆积”出来的,所以建模软件的工作模式也是如此,几乎全世界的建模软件都有一个最基本的口令,那就是——挤出

                        用一个面在Y轴拉伸所形成的挤出过程
                                    复杂一点的solidworks的装配零件
                        我做的猴赛雷,我是很想有时间把它打印出来的
                       包括这个猴赛雷,在没渲染之前,其实是这样的。
                                                没渲染的猴赛雷

所以说要想完成一个差不多的3d打印作品,首先还是要解决建模这一关的,不过因为我不是艺术类,建模能力还是比不上一些动画大神的,只能说建模一些工业零件和产品外壳还可以。

那么无论是犀牛的3dm格式,还是3dmax 的max格式,或者是directX模式等等,我们都可以用各自的软件将其保存为STL模式,也就是适用于3D打印的模式。
 图  3d打印的常用格式STL
好了,那么下一步就是把STL模式的文件导入驱动软件中,我们就可以开始打印了。
 PLA打印的低精度3d打印的驱动软件,我们可以看到上面打印时的各种参数,当然还有一开始我讲的,我们可以用上面的圆盘来调试X、Y、Z轴的移动,用下面的按钮控制温度,由于在岛国,所以只能照一个日文的了。

                                                        打印开始

其实这个已经是结束时候的样子了,我们可以用这个实物图看看3d打印机的内部,其实和我一开始的建模图差不多,但是可能看起来乱七八糟的线更多一些。

好了,上面就是最基本的低精度3d打印机的工作原理和工作流程了。

但是别着急,还没完,我们再来看一看这世界上其他模式的高精度3d打印机。
就像我们熟知的,现在的平面打印机,除了喷墨以外,还有着激光打印机,静电打印机等等,那么3d打印机也一样,但是别看名字叫的花里胡哨,其实本质上的工作原理还是我刚才说的那样。

我们还是先说下平面的打印机。

比如平面的激光打印机,本质上就是将光束“图像”通过“硒鼓”转化成静电“图像”,然后将一整片墨粉有选择的“固化”,然后转印到纸张上。
                            平面激光打印机工作原理

其实不琢磨这个也可以,简单点说,就是一个是喷头自由移动喷墨固化,一个是激光静电在一大片墨粉的海洋里有选择的固化。

所以其实除了上面说的,分层使用热塑性塑料的3d打印机,还有一种和平面激光打印机原理很相似的高精度3d打印机。
我们对这种打印机还有个名称,叫做SLA。

  • 我们知道墙面说的热塑性塑料其实还有个小伙伴,叫做“热固性塑料”,也就是说这种塑料在平时状态很可能就是液体,一旦经过高温或者强光亦或者是催化剂的作用,就和点豆腐一样的凝固,并且这种塑料不可再次热塑利用,也就是说一生只能保持一个形状了。

                                        SLA3d打印机
我们可以看出来,这种打印机是以激光束有选择的凝固热固性塑料的“海洋”,进行精度更高的打印,但是本质上的工作原理仍然是先X、Y形成平面然后Z轴一层层叠加打印的模式。

  • 当然了还有和这种打印机工作原理非常类似的SLS(Selective Laser Sintering)3d打印机,这种打印机的打印模式又叫——选择性激光烧结。

                                            选择性激光烧结技术
这是一种精度极高的3d打印,只不过是把上面的液体换成了粉末材料,通过激光对粉末的海洋进行选择性的熔融,其实有点类似平面的激光打印机,但是3d造型的本质仍然是上面所说的模式。SLS的打印模式已经可以应用于金属3d打印上了,算是3d打印中的一个极大的进步。

                           采用选择性激光烧结技术打印的金属手枪
                       好了给大家展示下上面说的高精度3d打印机的作品吧。
 我在岛国的实验室的AGILISTA,算是日本非常不错的一个高精度3d打印机了。
            这种打印机的内部构造,可以看出来各种传动装置都精密多了


用高精度3d打印机打印的solidworks零件,这种材质所打印出来的弹簧还具有弹性,这种精度也可以应付一些医疗器械了。
                                                高精度模型


好了,就说这么多了,已经5点了,在知乎上回答了比较多的人文类问题得到大家很多的支持,遇到自己专业的东西自然更希望更好的像大家普及这方面的知识。

其实对于3d打印,有一句话叫做——19世纪的构想,20世纪的基础技术,21世纪的市场。
可以说在工业设计逐渐进步以及建模软件花样翻新的今天,3d打印对于复杂造型的量产和个性化定制以及高分子材料加工都有着不可估量的空间,21世纪的3d打印仍然还会飞速的发展,在一代一代的设计者和制造者的努力下,我相信3d打印真的可以,彻底改变这个世界。