什么是 3D 打印？- 类型及其工作原理

什么是 3D 打印？

3D 打印或增材制造是从 CAD 模型或 3D 数字模型构建 3D 对象。

术语“3D 打印”可以指材料在计算机控制下沉积、连接或固化成三维物体的各种过程，其中塑料、液体或粉末颗粒等材料融合在一起，通常是一层一层的。

在 1980 年代，3D 打印技术仅被认为适用于制作功能性或美学原型，当时更合适的术语是快速成型。

自 2019 年以来，3D 打印的精度、可重复性和材料多样性已经提高到一些 3D 打印工艺被视为工业级生产技术的程度，增材制造一词可与 3D 打印互换使用。

3D 打印的主要好处之一是能够生产非常复杂的形状或几何形状，否则这些形状或几何形状是无法手工设计的，包括中空零件或具有内部桁架结构以减轻重量的零件。熔融沉积成型 (FDM) 使用热塑性材料的连续长丝，是截至 2020 年最常用的 3D 打印工艺。

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谁发明了 3D 打印？

最早的3D打印制造设备是名古屋市工业研究所的Hideo Kodama发明了两种增材制造3D模型的方法。

3D 打印是什么时候发明的？

在 Ralf Baker 在 1920 年代制作装饰品的工作（专利 US423647A）的基础上，Hideo Kodama 在激光固化树脂快速成型方面的早期工作于 1981 年完成。他的发明在接下来的三十年中得到了扩展，并于 1984 年引入了立体光刻技术.

3D Systems 的 Chuck Hull 于 1987 年发明了第一台 3D 打印机，它使用了立体光刻工艺。随之而来的是选择性激光烧结和选择性激光熔化等技术的发展。

其他昂贵的 3D 打印系统是在 1990 年代至 2000 年代开发的，尽管这些系统的成本在 2009 年专利到期后急剧下降，从而为更多用户开放了这项技术。

3d 打印机是如何工作的？

3D 打印机的工作原理是通过一个微型喷嘴挤出熔融塑料，然后在计算机控制下精确移动。它打印一层，等待它干燥，然后在上面打印下一层。用于打印模型的塑料显然非常重要。

3D 打印是增材制造系列的一部分，它使用与传统喷墨打印机类似的方法——尽管是 3D 打印。它需要结合顶级软件、粉末状材料和精密工具来从头开始创建一个 3D 对象。以下是 3D 打印机将创意变为现实所采取的几个主要步骤。

3D 建模软件

任何 3D 打印过程的第一步都是 3D 建模。为了最大限度地提高精度（并且因为 3D 打印机无法神奇地猜测您要打印的内容），所有对象都必须在 3D 建模软件中设计。对于传统的制造方法，有些设计过于复杂和细致。

这就是这个 CAD 软件的用武之地。建模允许打印机定制他们的产品到最微小的细节。 3D 建模软件能够实现精确设计，这就是为什么 3D 打印在许多行业中被誉为真正的游戏规则改变者。

这种建模软件对于牙科等行业尤为重要，因为在牙科等行业，实验室正在使用 3D 软件来设计精确适合个人的牙齿矫正器。这对航天工业也很重要，他们使用该软件设计火箭飞船的一些最复杂的部分。

对模型进行切片

创建模型后，就该对其进行“切片”了。由于 3D 打印机无法像人类一样将三个维度的概念概念化，因此工程师需要将模型分层，以便打印机创建最终产品。

切片软件对模型的每一层进行扫描，并告诉打印机如何移动以重新创建该层。切片机还告诉 3D 打印机要“填充”模型。

这种填充为 3D 打印对象提供了内部格子和柱子，有助于塑造和加强对象。一旦模型被切片，它就会被发送到 3D 打印机进行实际的打印过程。

3D 打印过程

当 3D 对象的建模和切片完成后，3D 打印机终于可以接管了。打印机在直接 3D 打印过程中的作用与传统喷墨打印机基本相同，其中喷嘴来回移动，同时逐层分配蜡或类似塑料的聚合物，等待该层干燥，然后添加下一级。它本质上是将数百或数千个 2D 打印件叠加在一起以制作一个 3D 对象。

3D 打印材料

打印机使用多种不同的材料来尽其所能重新创建对象。以下是一些例子：

• 丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS)： 易于成型且不易断裂的塑料材料。制作乐高积木的材料相同。
• 碳纤维长丝： 碳纤维用于制造既需要坚固又需要极轻的物体。
• 导电丝： 这些可印刷材料仍处于实验阶段，无需电线即可用于印刷电路。这是可穿戴技术的有用材料。
• 柔性长丝： 柔性长丝产生可弯曲但坚韧的印刷品。这些材料可用于打印从手表到手机外壳的任何物品。
• 金属丝： 金属丝由精细研磨的金属和聚合物胶制成。它们可以采用钢、黄铜、青铜和铜制成，以获得金属物体的真实外观和感觉。
• 木丝： 这些细丝包含与聚合物胶混合的精细研磨的木粉。这些显然是用于打印看起来像木头的物体，根据打印机的温度，它们看起来可能像较浅或较深的木头。

3D 打印过程需要几个小时才能完成非常简单的打印，例如一个盒子或一个球，而需要数周才能完成更大的详细项目，例如一个全尺寸的房屋。

3D 打印示例

3D 打印包含多种类型的技术和材料，因为 3D 打印几乎用于所有可以想象的行业。将其视为具有各种不同用途的不同行业的集群是很重要的。

举几个例子：

• 消费品（眼镜、鞋类、设计、家具）
• 工业产品（制造工具、原型、功能性最终用途零件）
• 牙科产品
• 假肢
• 建筑比例模型和模型
• 重建化石
• 复制古代文物
• 重建法医病理学证据
• 电影道具

3D 打印技术的类型

3D打印有几种类型，包括：

• 立体光刻 (SLA)
• 选择性激光烧结 (SLS)
• 熔融沉积建模 (FDM)
• 数字光处理 (DLP)
• 多射流融合 (MJF)
• PolyJet。
• 直接金属激光烧结 (DMLS)
• 电子束熔炼 (EBM)

1. 聚合物 3D 打印工艺

让我们概述一些常见的塑料 3D 打印工艺，并讨论每种工艺对产品开发人员、工程师和设计师的最大好处。

2. 立体光刻 (SLA)

立体光刻 (SLA) 是原始的工业 3D 打印工艺。 SLA 打印机的特点是生产具有高细节水平、光滑表面和严格公差的零件。 SLA 零件的高质量表面不仅看起来不错，而且还可以支持零件的功能，例如，测试装配体的配合。

它广泛用于医疗行业。常见应用包括解剖模型和微流体。我们使用来自 3D Systems 的 Vipers、ProJets 和 iPros 3D 打印机来打印 SLA 零件。

3. 选择性激光烧结 (SLS)

选择性激光烧结 (SLS) 将尼龙基粉末熔化成固体塑料。由于 SLS 部件由真正的热塑性材料制成，因此它们经久耐用，适合功能测试，并且可以携带活动铰链和按扣。

与 SL 相比，零件更坚固，但表面更粗糙。 SLS 不需要支撑结构，因此整个构建平台可用于在单个构建中嵌套多个部件。这使其适用于比其他 3D 打印工艺更高的零件数量。许多 SLS 零件用于原型设计，有朝一日将注塑成型。对于我们的 SLS 打印机，我们使用 3D 系统开发的 sPro140 机器。

4. PolyJet

PolyJet 是另一种塑料 3D 打印工艺，但有一个转折点。它可以制造具有多种属性的零件，例如颜色和材料。设计师可以使用该技术制作弹性体或包覆成型零件的原型。如果您的设计是由单一的硬质塑料制成，我们建议坚持使用 SL 或 SLS，这样更经济。

但是，当您对包覆成型或硅橡胶设计进行原型制作时，PolyJet 可以让您无需在开发周期的早期投资模具。这可以帮助您更快地迭代和验证您的设计并节省您的资金。

5. 数字光处理 (DLP)

数字光处理与 SLA 相似，因为它用光固化液态树脂。这两种技术的主要区别在于，DLP 使用的是数字光投影屏幕，而 SLA 使用的是紫外激光。

这意味着 DLP 3D 打印机可以一次映射整个构建层，从而加快构建速度。虽然 DLP 打印常用于快速原型制作，但其较高的吞吐量使其适用于少量塑料零件的生产。

6. 多射流聚变 (MJF)

与 SLS 类似，Multi Jet Fusion 也使用尼龙粉末制造功能部件。 MJF 没有使用激光烧结粉末，而是使用喷墨阵列将助焊剂施加到尼龙粉末床上。然后一个加热元件越过床层来融合每一层。

与 SLS 相比，这会导致更均匀的机械性能并改善表面质量。 MJF 工艺的另一个好处是加快了构建时间，从而降低了生产成本。

7. 熔融沉积建模 (FDM)

熔融沉积建模 (FDM) 是一种流行的用于塑料零件的桌面 3D 打印技术。 FDM 打印机将塑料细丝逐层挤出到构建平台上。这是一种创建物理模型的廉价且快速的方法。

在某些情况下，FDM可以用于功能测试，但由于零件表面相对粗糙，强度不足，技术受到限制。

8. 直接金属激光烧结 (DMLS)

金属 3D 打印为金属部件的构造开辟了新的可能性。我们在 Protolabs 使用的 3D 打印金属零件的工艺是直接金属激光烧结 (DMLS)。它广泛用于将多件式金属组件减少为单个组件或具有内部通道或镂空特征的过轻部件。

DMLS 适用于原型制作和生产，因为零件与使用传统金属制造方法（如机械加工或铸造）制造的零件一样致密。通过创建具有复杂几何形状的金属部件，它还适用于零件设计必须模仿有机结构的医疗应用。

9. 电子束熔炼 (EBM)

电子束熔化是另一种金属 3D 打印技术，它使用由电磁线圈控制的电子束来熔化金属粉末。在组装过程中，打印床在真空条件下被加热。材料加热到的温度由所用材料决定。

您如何使用 3D 打印机？ （一步一步）

许多不同的技术共享相同的基本步骤，我们接下来将介绍这些步骤，但每台 3D 打印机也可能更容易或更难使用，具体取决于其功能。

第 1 步 - 为 3D 打印准备设计

至此，重要的是您已经准备好打印零件并且您已经选择了您的材料。这部分可以是您自己使用 CAD（计算机辅助设计）设计的，也可以是从 3D 扫描中获取的，或者是您从现有设计清单中获取的。

在开始打印之前，您需要将您的设计翻译成 3D 打印机可以理解的“坐标”，并告诉它重要的参数，例如您正在打印的材料。

这被称为“切片”，因为它涉及将 3D 设计切片成您猜到的层。这通常在称为切片或打印准备软件的程序中完成。

第 2 步 - 设置您的打印机

如果您愿意，也可以先执行此步骤。或者您可能根本不需要，例如，如果您定期打印相同类型的部件。

但在开始打印之前，请务必检查您是否加载了正确的材料。还可以选择不同的喷嘴尺寸，较小的喷嘴可提供更详细的打印效果，较大的喷嘴可加快打印时间。

第 3 步 - 将文件发送到打印机

准备就绪后，您需要将文件传送到 3D 打印机。有两种主要方法可以做到这一点。一种是将文件加载到数据存储设备（如 U 盘）上，放入打印机，然后通过打印机接口开始打印作业。

另一种选择是通过本地网络或云将作业远程发送到支持网络的打印机。如果您与 3D 打印机不在同一位置，则远程打印特别有用。

第 4 步 - 3D 打印

现在您可以高枕无忧了！或者，如果您在工作，请在打印机完成工作的同时继续做其他事情。

打印时间取决于打印对象的大小和详细程度以及 3D 打印机类型。一个小组件或粗略的原型可能只需要几个小时。如果您让打印机通宵运行，大多数部件将在第二天准备就绪。如果您需要非常大且详细的打印，您可能需要等待几天。

3D 打印有什么用途？

3D 打印可用于各种行业的休闲和专业用途。它在许多不同的领域和领域都有应用，从医疗保健行业到工程，甚至时尚。

3D 打印越来越多地被视为一种可持续且成本友好的解决方案，用于为不同的制造项目和流程创建原型和工具。传统上，获取原型可能既耗时又昂贵，需要公司依赖外部制造商。 3D 打印使公司能够在内部快速制作对象、工具或原型的单元。

鞋业公司 Camper 就是一个很好的例子。内部 3D 打印使他们能够将将近一个半月的建模和设计过程转变为只需几天的操作。

常见问题。

什么是 3D 打印？

3D 打印或增材制造是从数字文件制作 3D 实体对象的过程。 3D 打印对象的创建是通过增材工艺实现的。在增材工艺中，通过放置连续的材料层直到创建对象来创建对象。这些层中的每一层都可以看作是对象的薄切片横截面。

3D 打印与减材制造相反，减材制造使用例如铣床切割/挖空一块金属或塑料。与传统制造方法相比，3D 打印使您能够使用更少的材料制作复杂的形状。

3D 打印是如何工作的？

3D 打印机的工作原理是通过一个在计算机控制下精确移动的微型喷嘴挤出熔融塑料。它打印一层，等待它干燥，然后在上面打印下一层。用于打印模型的塑料显然非常重要。

3D打印有哪些类型？

3D打印有几种类型：

1. 立体光刻 (SLA)
2. 选择性激光烧结 (SLS)
3. 熔融沉积建模 (FDM)
4. 数字光处理 (DLP)
5. 多射流融合 (MJF)
6. PolyJet。
7. 直接金属激光烧结 (DMLS)
8. 电子束熔炼 (EBM)

究竟什么是 3D 打印？

3D 打印，也称为增材制造，是一种使用计算机创建的设计逐层创建 3D 对象的方法。 3D 打印是一种增材制造工艺，通过这种工艺，可以将材料层叠加起来以创建 3D 部件。

3D 打印贵吗？

3D 打印的成本从 3 美元到数千美元不等。如果没有 3D 模型，很难获得 3D 打印的确切成本。材料、模型复杂性和人工等因素会影响 3D 打印的价格。 3D 打印服务的成本有时会超过入门级 3D 打印机。

你能 3D 打印任何东西吗？

不，3D 打印机不能打印任何材料和形状的东西。 3D 打印机需要材料具有特定属性才能进行 3D 打印，例如 PLA 等热塑性塑料，在加热时会软化而不是燃烧。他们可以在正确的方向和支持的帮助下打印几乎任何形状、结构和对象。

3D 打印是未来吗？

虽然 3D 打印可能还没有接管整个制造业，但分析师预测到 2023 年将有很大的增长，市场价值将达到 327.8 亿美元。分析师预测 3D 打印行业价值将达到 327 亿美元到 2023 年。

3D 打印机能做什么？

设计师使用 3D 打印机快速创建产品模型和原型，但它们也越来越多地用于制造最终产品。使用 3D 打印机制作的物品包括鞋子设计、家具、用于制作珠宝的蜡铸件、工具、三脚架、礼品和新奇物品以及玩具。

您可以在家中使用 3D 打印机制作什么？

实用的 3D 打印创意和家居项目

• 坚固的智能手机或平板电脑支架。这个简单的支架适合各种尺寸的智能手机和平板电脑。
• 电话放大器或扬声器可提高音量。
• 迷你树莓派笔记本。
• 触摸屏 Raspberry Pi。
• Lightning Cable Savers。
• 耳机盒。
• USB 电缆支架。
• 桌面电缆支架。

每小时运行一台 3D 打印机需要多少钱？

3D 打印机的平均功耗约为 125 瓦，因此每小时成本为 1.58 美分（千瓦时价格为 12.69 美分）。

我可以用我的 3D 打印机赚钱吗？

是的，您可以使用 3D 打印机赚钱。而且有很多方法可以做到这一点，无论是销售 3D 打印物品、数字商品，还是在当地提供 3D 打印服务。

3D 打印机可以做食物吗？

是的，一些 3D 打印机确实可以制作糖果、糕点、巧克力、比萨饼和各种菜肴。食物 3D 打印机在厨房中提供更多的自由和创造力，在某些情况下，甚至可以减少食物浪费。

哪个行业使用 3D 打印最多？

航空航天。 波音、空中客车甚至美国宇航局都在利用 3D 打印。以低成本快速生产轻质零件的能力对于航空航天专业人士来说很有价值。

3D打印机不能做什么？

形状无法 3D 打印：

• 与床接触很少的形状，如球体。
• 具有非常精细的羽毛状边缘的模型。
• 大悬垂的 3D 打印件或在半空中打印。
• 非常大的物体。
• 壁薄的形状。

为什么 3D 打印不流行？

一方面，3D 打印机远不能复制复杂的小工具。大多数 3D 打印机一次只能沉积一种或两种材料，因此要制造出像智能手机这样内部包含金属、玻璃、塑料和其他材料的产品并不容易。

3D 打印的优缺点是什么？

我们与包括 Mages 在内的 3D 打印领域的三位专业人士讨论了该技术的优缺点。

• 专业版： 让制作变得简单。
• 缺点： 大批量处理效率低。
• 专业版： 允许使用新形状。
• 缺点： 印刷材料面临挑战。
• 优缺点： 影响工作。
• 专业版： 环保。
• 缺点： 监管挑战。

3D 打印会取代 CNC 加工吗？

随着 3D 打印制造的不断普及，很多人都会问，“3D 打印制造会取代 CNC 加工吗？”好消息是它没有必要。 3D打印和CNC加工在制造业中都有其一席之地。

您需要一台用于 3D 打印机的计算机吗？

使用 3d 打印机不需要电脑。这是因为几乎所有 3d 打印机都有一个 SD 读卡器，用于读取文件并开始打印它们。如果您已经拥有存储文件的 SD 卡，则不再需要计算机来使用打印机。

3D 打印有什么危害？

来自 3D 打印机的 VOC 包括有害化学物质，例如苯乙烯（一种已知的致癌物质）和己内酰胺（一种急性风险分子）。 3D打印机还会发出肉眼无法看到的超细颗粒。

3D 打印机使用什么墨水？

传统的 3D 打印机使用粉末状金属和塑料作为墨水。这些非常适合制造超强钢甚至人造骨骼，但对于制造需要更大柔韧性的生物相容性材料（例如皮肤移植物）来说不是那么好。

制造一台 3D 打印机需要多少钱？

这是一个快速细分。 DIY 打印机的 3D 打印机套件起价约为 200 美元；爱好者打印机的价格从 500 美元到 1,500 美元不等。专业 FDM 3D 打印机起价约为 2,500 美元，大幅面专业 FDM 打印机起价约为 4,000 美元。

3D 打印塑料的强度如何？

它以低成本提供易用性，重要的是，它相当强大。此外，您可以使用 PLA 在低温下打印，无需加热床，但它的抗拉强度为 7,250 psi。

你能 3D 打印金属吗？

金属 3D 打印正在改变我们创建零件的方式。在中小批量生产中，与传统制造工艺相比，零件本身可以更快、更便宜、更省力地制造。

一台 3D 打印机用多少电？

热端温度为 205°C，加热床温度为 60°C 的 3D 打印机的平均功率为 70 瓦。对于 10 小时的打印，这将使用 0.7kWh 大约 9 美分。 3D 打印机使用的电力主要取决于打印机的大小以及加热床和喷嘴的温度。

使用 3D 打印机有多难？

3D打印难学吗？ 3D 打印仍处于起步阶段，因此对用户不是很友好。打印机易碎且挑剔，因此对初学者来说似乎是压倒性的。那些希望创建自己的设计的人还必须花时间学习特定且通常很复杂的软件。