淺談3D打印技術(shù)

趙 晶

本文分析了當前3D打印的結(jié)構(gòu)作出相對應(yīng)的解析，解決相對應(yīng)的問題，從而得出發(fā)展趨勢。

在這數(shù)字化的信息時代，以數(shù)字為主圖形影像為輔而構(gòu)成的世界，在源源不斷地創(chuàng)造新的產(chǎn)物，無論是新舊時代的演變或是想象中的未來紀元，都在當前扮演著不同的角色，締造著無限未知的可能性。而想要將這些元素一一具現(xiàn)化離不開圖形的繪制、影像的錄制，以便人們得到視覺的沖擊，但這還不能滿足當前人們心中所想要真正意義上的具現(xiàn)化，或許大家沒注意到在這世界的某一區(qū)域誕生的新興產(chǎn)物3D打印技術(shù)正如同蒲公英一樣開花，隨風播種散落致世界的各個角落悄生萌芽。

1 3D打印的介紹

定義：

快速成形技術(shù)中3D打印較為獨特，使用粉末狀塑料或金屬等可粘合性材料，通過建高樓的多層打印方式快速打印，來構(gòu)造零部件。常用此技術(shù)在模具制造、工業(yè)設(shè)計建造模型，目前正在向產(chǎn)品制造發(fā)展，形成“直接數(shù)字化制造”。

發(fā)展歷程：

在1980年左右時期的美國誕生了3d打印技術(shù)，在當時3d打印機構(gòu)造非常昂貴而且復(fù)雜。歷經(jīng)20多年的發(fā)展，技術(shù)終于慢慢成熟，形成小型化機器，從二十一世紀至今3d打印機的銷售逐步增大，價格也隨之下降，并從最開始面向制造業(yè)等大型工業(yè)用戶，漸漸滲透到各行個業(yè)，近開始幾年向個人戶家庭等領(lǐng)域消費擴張?，F(xiàn)今，3d打印的產(chǎn)業(yè)鏈基本成熟成型逐漸商業(yè)模式化。

應(yīng)用領(lǐng)域：

當前，在軍工、航天、醫(yī)學(xué)、建筑、汽車、電子、服裝、動漫周邊、珠寶首飾等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

優(yōu)點：

在高端的定制產(chǎn)品中3d打印技術(shù)能夠快速生產(chǎn)，同樣也可以在用電腦建模的基礎(chǔ)上進行生產(chǎn)

幾乎任意復(fù)雜的零部件從而脫離模具或工具，將生產(chǎn)效率和制造柔性巨大化。

2 3D打印機的相關(guān)應(yīng)用及組成

（1）軟件應(yīng)用：3D Slash、Tinker CAD、Free CAD、Sketch UP、Net Fabb、Repetier。

（2）系統(tǒng)運轉(zhuǎn)模塊：x-y-z運動系統(tǒng)、噴頭結(jié)構(gòu)、數(shù)字模塊、成型環(huán)境模塊。

（3）機體組成部件：

成型工作缸：在工作缸里面構(gòu)造零部件，缸的每次下沉所產(chǎn)生的距離就是每層的厚度。零部件構(gòu)造完成之后，工作缸上升，方便拿取構(gòu)造完成的零部件同時為下次構(gòu)造零部件給予時間準備。在滾珠絲桿的驅(qū)使下伺服電機控制缸的升降。

送料工作缸：為打印機提供打印機所需要的粉末材料。

余料回收袋：位置分布在成型機殼內(nèi)，將多余的或廢棄的粉末材料回收。

鋪粉輥裝置：蘊含驅(qū)動系統(tǒng)，其作用是用鋪粉輥將粉末材料平整地鋪在工作缸上，并同時將粉末材料碾平結(jié)實。

噴頭：在工作的時候釋放黏合劑，黏合在工作缸里面注射構(gòu)型不同層次的粉末材料，是3D打印機打印成品的重要組成部件。

x-y-z三維傳動系統(tǒng)：工作噴頭在小車的作用下沿著x軸和y軸的方向進行二維平面運動，成型與供料工作缸在機器的驅(qū)使下沿著z軸方向進行上升下降運轉(zhuǎn)。

機身和機殼：機身如同人體骨架為整體搭載結(jié)構(gòu)起到支撐作用從而能夠相關(guān)工作，機殼即為保護作用同時能提供相關(guān)環(huán)境利于機體長時間工作。

（4）運作流程：由電腦應(yīng)用軟件將文件傳輸?shù)?D打印機中，3D打印機接收指令進行相關(guān)步驟的運轉(zhuǎn)，將已經(jīng)準備妥當?shù)牟牧先廴?，利用x-y-z三維傳動系統(tǒng)搭載空間結(jié)構(gòu)，由噴嘴噴涂在工作臺上一層一層的疊加，直至指令完成打印完畢才能停止工作。

3 3D打印技術(shù)性研究

3D打印是每層在每層前一層的基礎(chǔ)上構(gòu)造的。所以，基礎(chǔ)的強度和耗材用的量，與平衡有著莫大的關(guān)系。假設(shè)基礎(chǔ)不結(jié)實，那么層與層之間，就會出現(xiàn)孔洞與間隙等一系列問題。特別是在尺寸變化的邊角處最易出現(xiàn)（比如，在一個60mm的平臺基礎(chǔ)上打印一個30mm的物品）。打印切換更小尺寸時，要保正有足夠的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來支持30mm物品的邊墻站立。導(dǎo)致基礎(chǔ)不牢的原因，通常有這幾個：

（1）邊沿數(shù)量不足：明顯增強它的承重基礎(chǔ)是為了打印件增加更多輪廓的外沿。通常打印件里面的中心位置是空心的，而外沿墻的厚薄，對其影響很大。壁厚設(shè)置在基本設(shè)置的里面，壁厚設(shè)置是噴嘴的倍數(shù)存在，如果你的噴嘴是0.6mm大小，那么壁厚就需設(shè)置在1.2mm至2.4mm之間，如果從剛開始設(shè)置1.2mm壁厚，但打印的模型外壁就會出現(xiàn)孔洞，那么就可以適當?shù)母采w一層或兩層來改善壁厚，一般合適的壁厚是在1.8mm，這樣的話時間既不會太長，也不會有孔洞出現(xiàn)在打印出來的模型上。

（2）頂層實心層數(shù)不足：還有一個比較常見的，致使基礎(chǔ)構(gòu)造不牢的原因是，實心填充層在打印頂層時數(shù)量不足。上壁過薄，無法使它充分支撐上面打造的結(jié)構(gòu)。想要修改這個設(shè)置，就需在基本-填充-底層與頂層厚度中設(shè)置，假設(shè)之前設(shè)置的是1.2mm的厚度但還是有這樣的孔洞在模型上，那么就可以把底層與頂層厚度設(shè)置在1.2mm至2.4mm，只有這樣才能迫使頂層和底層更加牢靠。

（3）填充率太低：最后需要檢查的設(shè)置是填充率，它在“切片設(shè)置”下方或者在“填充”標簽頁下，借助滑動條來控制。在頂層填充上面是建造實心頂層的，所以需要借助足夠的填充來支撐這些層。例如，此前的設(shè)置填充率是百分之30，試試上升到百分之60，試試是否改善了打印質(zhì)量。

3D打印件每打一次構(gòu)造一個層。意味每層都是獨立的個體，噴嘴是可以在平臺的任意位置自由移動，而目前打印件繼續(xù)在下方構(gòu)造中。就會看到噴嘴在前一層表面移動時，留下的痕跡，所以在打印件的表面最容易看到。這種疤痕一般是在噴嘴移動到新的位置過程時所產(chǎn)生的。3D打印頂層表面疤痕如何解決：

（1）擠出塑料過多：第一必須確定的是，當前所用的擠出機，有沒有擠出過多的材料。假設(shè)產(chǎn)生過多的耗材，每層做的需要比預(yù)設(shè)的要厚。這就說明了，當噴嘴在每層表面上移動時，它很有可能會把之前過度擠出的耗材拖拽出來。一定要檢查有沒有擠出過多耗材，在瀏覽檢查其它設(shè)置前。

（2）垂直抬升（Z抬升）：假如確認耗材在擠出機擠出的量是合適的量，卻還是碰到在上表面有噴嘴拖拽的痕跡，就必須要看看CURA中的垂直抬升設(shè)置。點開這個選項，噴嘴運動時在打印層上面運動前，抬高一定距離。當它達到指定位置時，噴嘴就會復(fù)位到原來的高度，準備再次打印。為避免打印件的上表面被噴嘴刮傷，可以向上移動一定的高度。想要開啟這項功能，需點擊工具再打開專家設(shè)置最后在耗材回退里有個“回退時Z軸抬起高度”，通常設(shè)置在0.5mm左右就行。假設(shè)，輸入0.5mm，在移動到一個新位置前，噴嘴將抬升0.5mm抬升只會在回抽動作時發(fā)生。

4 3D打印技術(shù)現(xiàn)存的問題

目前能完美匹配3D打印特征的領(lǐng)域，相對其他工業(yè)還是比較少，就單技術(shù)而言技術(shù)上的限制很多。

一是材質(zhì)：材質(zhì)的種類繁多，對于不同的產(chǎn)品選出相對應(yīng)合適的材料較為麻煩，更別提生產(chǎn)時所需要的黏合劑。而減法工藝只需要符合產(chǎn)品的材質(zhì)無需黏合劑，但同時也有不方便的地方，例如產(chǎn)品出現(xiàn)問題3d打印所浪費的材料要比減法工藝輕許多，制作方式便攜不需要回廠重新鑄造。

二是速度：從速度來講，目前的3D打印技術(shù)無論從哪個方面都沒辦法與成熟的減法工藝進行比較。因為減法工藝相對比較加法工藝的步驟不繁瑣要簡單一點，不需要考慮其他方面如材料的黏合劑，所以無法快速的呈現(xiàn)在普通民眾眼前。

三是數(shù)量：3D打印機是針對個體戶所開發(fā)的應(yīng)用產(chǎn)品，所需要的材料無需進行量產(chǎn)，這是它的優(yōu)勢同時也是劣勢。因為這一優(yōu)勢滿足了個體戶的需求但個體戶不滿足需要量產(chǎn)亦或其他個體戶也有這種需求供不應(yīng)求。時間不許數(shù)量不夠，也沒有相關(guān)企業(yè)及廠商提供人力、物力、財力，反之減法工藝同樣遇到相反的問題；所以目前的3D打印所適應(yīng)的市場只能用于個體戶少需求的項目或者重點項目強后臺的供應(yīng)方，如醫(yī)療科技、學(xué)院科研教學(xué)、國防科技等等。就拿2021年3月20日的考古研究來說，為保護三星堆文物采用3D打印技術(shù)做出文物模具，以便在銅尊表面覆蓋保護套確保文物正常安全的出土；這是3D打印技術(shù)第一次用于考古挖掘，從兩者角度來講都是一種進步。

不論哪種成形方式，都是聚沙成塔的加工方式，其性能對比減法成形有一定差距排除重量方面。不過，這不是主要問題，在這幾點方面上的限制，我是保持積極樂觀態(tài)度的看待，隨著今后技術(shù)的發(fā)展，這些問題遲早會完美解決。而真正影響3D打印發(fā)展是所謂的“定制”產(chǎn)出。即便解決了以上問題，3D打印也仍然不過是當代工業(yè)的某種加工形式，和所謂的減法加工也沒什么不一樣。就目前而言基本不會出現(xiàn)工業(yè)的大變革，在我們現(xiàn)在能看到的這一段時間內(nèi)，影響不會明顯。所以當前最大的限制就是定制的所需要的資金等于設(shè)計成本。

總結(jié)：大眾在精神消費的需求下，伴隨著社會的快速發(fā)展日益變多。愿意為自已的興趣、愛好花錢，在非生活必需品上花下更多金錢的人慢慢增多。科技、游戲、動漫、影視...... 各類多元化角色都擁有為其買單的粉絲，生產(chǎn)售賣相關(guān)周邊產(chǎn)品如手辦、模型、生活用具等等，對于動漫周邊產(chǎn)品或紀念物，人們都有一些獨到性的想法，產(chǎn)品的更新速率較快，這就導(dǎo)致對產(chǎn)品模具種類的需求量變大。如果不改變還是用傳統(tǒng)的大批量開模生產(chǎn)的方式去制造這種個性化產(chǎn)品的話，明顯更不合適。

所以，想要更好滿足這種需求的3D打印生產(chǎn)方式，就得在這個領(lǐng)域開辟更多的市場空間。3D打印制作模具獨特性、成本低，適合制作各種周邊這樣具有獨特性需求搞生產(chǎn)少的產(chǎn)品?，F(xiàn)如今就有許多商家不再售賣具體的IP周邊商品，而是根據(jù)客戶要求私人定制的模型數(shù)據(jù)，客戶獲得這些數(shù)據(jù)后用自家的3D打印機打印出來。隨著3D打印技術(shù)更進一步的拓展應(yīng)用，以上說明更高度的個性化、定制化、精細化IP周邊市場就會隨之打開。

致謝：感謝大學(xué)三年任課教師及其指導(dǎo)員的陪伴，在老師的精心指導(dǎo)下讓我充分的學(xué)到了有趣的知識，同時感謝協(xié)會以及班級同學(xué)的互幫互助共同學(xué)習，讓我有在良好的學(xué)習氛圍中茁壯成長。