3D打印机类型/手办制作/FDM 3D打印机介绍/光固化3D打印机选购

2021-05-01 09:01

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本文原则和宗旨:由于很多朋友对于3D打印机相关知识和选购有很大兴趣,结合本人对于3D打印机的踩坑与选购经验,避免大家走同样的弯路,不要花冤枉钱买了不适合自己的3D打印机,只买符合自己需求的Thinkpad笔记本。如果看完文章仍然有疑问,可以在评论区留言,我会及时一一回复!

3D打印是激发喜欢简单易用的交互式技术的人们的最新事物。 实际上,自1983年以来,工程师和科学家就一直在使用这种惊人的设备。那时,名叫Charles(Chuck)Hull的美国工程师发明了第一台3D打印机。 他称其为SLA机器,代表立体光刻设备。

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本文重点介绍当今使用的最常见10种3D打印机类型:

  1. Stereolithography (SLA) 立体光刻
  2. Digital Light Processing (DLP) 数字光处理
  3. Fused deposition Modeling (FDM) 熔融沉积建模
  4. Selective Laser Sintering (SLS) 选择性激光烧结
  5. Selective Laser Melting (SLM) 选择性激光熔化
  6. Electronic Beam Melting (EBM) 电子束熔化
  7. Laminated Object Manufacturing (LOM) 叠层物体制造
  8. Binder Jetting (BJ) 活页夹喷射
  9. Material Jetting (MJ) 物料喷射
  10. LCD

一. 3D打印机的主要组成部分

在开始研究各种3D打印机类型和打印方法之前,我们将花一点时间列出这些机器的主要组件,这将帮助你更好地理解打印过程。

3D打印机中的主要组件及其用途如下:

  • 3D打印机框架:将机器固定在一起
  • 3D打印机头移动机制:相对于打印床在所有方向上移动
  • 3D打印机头:喷嘴可沉积细丝或涂上颜色和液体粘合剂
  • 3D构建平台或构建床:打印机中用于打印对象的部分
  • 3D打印机步进电机(至少4个):用于精确定位和速度控制
  • 3D打印机电子产品:用于驱动电机,加热挤出机等
  • 3D打印机固件:用于控制3D打印机各个方面的永久性软件
  • 3D打印机软件:不是实际打印机的一部分,但在打印过程中仍需要

二. 3D打印分类

许多3D打印机使用支持复杂几何形状的各种物质。 支撑材料对于3D打印过程至关重要,与实际的基础材料一样重要。 没有在构建过程中的支持,就不会有成功的结果。 与过去的旧物理支撑结构相比,这些材料提供了更好的解决方案。 一旦完成打印,用户只需从完成的零件中去除所有支撑物质即可。

一些3D技术使用的支撑材料在放入化学浴后会溶解。 其他人将使用周围的粉末将所有东西固定在适当的位置。 还有一些使用凝胶状物质的物质。

光固化式

1)LCD

目前桌面级别的光固化3D打印机基本都是LCD的。

推荐款式

创想三维

ANYCUBIC

2)光刻技术(SLA)

SLA是一个快速的原型制作过程。那些使用这项技术的人对准确性和精确性很重视。它可以在短短几个小时内从3D CAD数据(计算机生成的)文件中生成对象。这是一种3D打印流程,因其精美的细节和准确性而广受欢迎。使用该技术的机器可产生独特的模型,图案,原型和各种生产零件。他们通过将液态光敏聚合物(一种特殊类型的塑料)一次转换为固态3D对象来实现此目的。首先将塑料加热以使其变成半液体形式,然后在接触时硬化。打印机使用紫外线激光在X和Y扫描镜的引导下构造这些层中的每一层。在每个打印周期即将来临之前,重新涂布机的刮刀会在整个表面上移动,以确保每一薄层树脂均匀地分布在整个对象上。打印周期以这种方式继续进行,从下至上构建3D对象。

完成后,有人从打印机上取下3D对象,然后小心地将其从平台上拆下。 3D零件通常将具有化学浴,以去除任何多余的树脂。通常的做法是在紫外线烤箱中对物体进行后固化。这是为了使成品更坚固,更稳定。然后,根据零件的不同,可能要经过手工打磨过程并进行一些专业的喷漆。 SLA印刷已成为各种行业的首选经济选择。其中一些包括汽车,医疗,航空航天,娱乐,以及用于创造各种消费产品的产品。

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3)数字光处理(DLP)技术

DLP是3D打印技术中最古老的一种,它是由拉里·霍恩贝克(Larry Hornbeck)于1987年发明的。它与SLA类似(请参见上文),因为它也适用于光敏聚合物。打印机使用的液态塑料树脂进入半透明的树脂容器中。但是,两者之间有一个主要区别,那就是光源。 SLA使用紫外线,而DLP使用更传统的光源,通常是弧光灯。此过程可产生令人印象深刻的打印速度。当光线充足时,树脂会很快变硬(我们所说的是几秒钟)。与SLA 3D打印相比,DLP可以为大多数零件缩短打印时间。之所以更快,是因为它可以一次显示整个图层。使用SLA印刷时,激光必须抽出每层,这需要时间。

DLP打印技术的另一个优点是它坚固耐用,每次都能生成高分辨率模型。使用更便宜的材料甚至复杂而细致的物体也很经济。这不仅可以减少浪费,而且还可以降低打印成本。

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热融化式

1)熔融沉积建模(FDM)技术

FDM是斯科特·克鲁普(Scott Crump)开发的3D打印工艺,然后在1980年代由Stratasys Ltd.实施。它使用生产级的热可塑性材料来打印其3D对象。它在生产功能性原型,概念模型和制造辅助设备方面很受欢迎。这项技术可以创建准确的细节,并具有出色的强度重量比。

在FDM打印过程开始之前,用户必须使用特殊软件将3D CAD数据(3D模型)切成多层。切片的CAD数据进入打印机,然后打印机一次在构建平台上构建对象层。它只需加热,然后将热塑性长丝通过喷嘴挤出,然后吹到底座上即可。打印机还可以挤出各种支撑材料以及热塑性塑料。例如,作为支撑上层的一种方式,打印机可以在下面添加特殊的支撑材料,然后在打印过程之后溶解。与所有3D打印机一样,全部打印所需的时间取决于对象的大小及其复杂性。

像许多其他3D技术一样,完成的对象也需要清洁。 FDM原始零件可以在某些对象上显示相当明显的分层线。这些显然需要在打印后进行手工打磨和整理。这是获得具有均匀表面的光滑最终产品的唯一方法。 FDM成品既实用又耐用。这使其成为在广泛的行业中广泛使用的工艺,包括机械工程和零件制造商。宝马与知名食品公司雀巢一样使用FDM 3D打印。

更多FDM机型,详见,请移步下文:

https://zhuanlan.zhihu.com/p/357953993zhuanlan.zhihu.com图标

常见的款式:

创想三维

2)层压物体制造(LOM)技术

加利福尼亚的一家名为Helisys Inc.(现为Cubic Technologies)的公司首先开发了LOM,将其作为一种有效且价格合理的3D打印方法。美国设计工程师Michael Feygin(3D打印技术的先驱)最初获得了LOM的专利。

LOM是一种快速成型系统,可以通过加热和加压将塑料或纸层融合或层压来工作。计算机控制的刀片或激光将物体切割成所需的形状。完成每个打印层后,平台将向下移动大约1/16英寸,为下一层做准备。然后,打印机将新材料拉过基材,并通过加热辊将其粘附在基材上。这个基本过程会不断重复,直到完成3D零件。

它可能不是当今最流行的3D打印方法,但LOM仍然是最快的方法之一。这也许也是创建3D原型的最经济的方法。其原因是由于所用材料(纸张和塑料)的成本低。这也是可以创建相当大的3D打印对象的过程。今天,那些继续使用LOM打印机的人包括建筑师,艺术家和产品开发人员。

3)粘结剂喷射(BJ)技术

麻省理工学院(MIT)最早发明了BJ 3D打印。您可能还会听到其他名称提到的这项技术,包括:

  • 粉床印刷
  • 喷墨3D打印
  • 落粉
  • 活页夹喷射(BJ)。这是最受欢迎的名称,也是我们用来引用它的名称。

BJ是一种3D打印过程,它使用两种类型的材料来构建对象:基于粉末的材料(通常是石膏)和粘合剂。顾名思义,“粘合”剂是一种强力粘合剂,可将粉末层粘合在一起(粘合)。打印机喷嘴以类似于常规2D喷墨打印机的液体形式挤出粘合剂。完成每一层后,构建板会略微降低以容纳下一层。重复此过程,直到对象达到其所需的高度。

BJ打印中使用的四种流行材料包括:

  • 陶瓷
  • 金属制品
  • 塑胶制品

使用BJ打印无法获得超高分辨率或过于粗糙的3D对象,但是还有其他优点。例如,这些打印机使您可以全色打印零件。为此,您只需将彩色颜料添加到粘合剂中,通常包括黑色,白色,青色,黄色和品红色。这项技术仍在进步,因此希望将来会有更多伟大的事情出现。在撰写本文时,BJ 3D打印的一些应用包括快速成型,以及在航空航天,汽车和医疗行业的各种用途。

光融化式

1)选择性激光烧结(SLS)技术

一位美国商人,发明家和老师卡尔·德卡德博士(Carl Deckard)在1980年代中期开发了SLS技术并申请了专利。这是一种3D打印技术,它使用大功率CO2激光将颗粒融合在一起。激光烧结粉末金属材料(尽管它也可以利用其他材料,例如白色尼龙粉末,陶瓷甚至玻璃)。运作方式如下:

每次连续进行激光扫描时,构建平台或床都会逐渐降低。此过程会一次重复一层,直到达到对象的高度。在构建过程中,有其他粉末的未烧结支撑物围绕并保护了模型。这意味着3D对象在构建过程中不需要其他支撑结构。打印后,有人会手动清除未烧结的粉末。 SLS生产耐用,高精度的零件,并且可以使用多种材料。对于功能齐全的最终用途零件和原型,这是一项完美的技术。在速度和质量方面,SLS与SLA技术非常相似。主要区别在于材料,因为SLS使用粉末状物质,而SLA使用液体树脂。正是由于各种各样的可用材料,使得SLA技术在打印定制对象方面如此受欢迎。

2)选择性激光熔化(SLM)技术

SLM于1995年首次亮相。它是位于德国最西部城市亚琛的弗劳恩霍夫研究所ILT的一项德国研究项目的一部分。与SLA一样(请参见上文),SLM也使用高功率激光束来形成3D零件。在打印过程中,激光束将各种金属粉末熔化并融合在一起。看这个的简单方法是分解基本过程,如下所示:

粉末状材料+热量+精度+分层结构=完美的3D对象。

当激光束撞击材料的薄层时,它会选择性地将粒子连接或焊接在一起。在完成一个完整的打印周期后,打印机会将新的一层动力材料添加到前一层。然后,对象会降低单层厚度的精确数量。打印过程完成后,将有人从对象中手动清除未使用的粉末。 SLM和SLS之间的主要区别在于SLM完全熔化了粉末,而SLS仅部分熔化了粉末(烧结物)。通常,SLM最终产品往往具有更强的强度,因为它们具有更少的空隙或没有空隙。

SLM打印的常见用途是具有复杂结构,几何形状和薄壁的3D零件。航空航天业在其一些开创性项目中使用了SLM 3D打印。这些通常是那些专注于精确,耐用,轻便的零件的零件。不过,这是一项昂贵的技术,因此并不实用,因此在家庭用户中并不受欢迎。 SLM现在在航空航天和医疗骨科行业中相当普遍。投资SLM 3D打印机的人员包括研究人员,大学和金属粉末开发人员。还有其他一些人,尤其是热衷于探索金属增材制造的全部范围和未来潜力。

3)电子束熔化(EBM)技术

瑞典一家名为Arcam AB的公司于1997年创立了EBM®。这是一种3D打印技术,类似于SLM(请参见上文),因为它使用了粉末床融合技术。两者之间的区别在于电源。上面的SLM方法在稀有或惰性气体室内使用高功率激光。另一方面,EBM在真空中使用强大的电子束。除了电源,两者之间的其余过程非常相似。 EBM的主要用途是3D打印金属零件。它的主要特征是能够自由设计地实现复杂的几何形状。 EBM还生产出难以置信的坚固且致密的零件。

这是EBM的其他一些令人印象深刻的功能:

  • 3D打印过程不需要额外的辅助设备
  • 使用原材料提高了效率
  • 缩短交货时间,从而使零件更快地投放市场
  • 可以根据各行各业的需求制造功能完备,耐用的零件
  • 打印过程像大多数其他过程一样开始,因为用户必须首先创建3D模型或计算机生成的数字文件。

4)材料喷射(MJ)Polyjet和蜡铸造技术

您还将听到称为“蜡铸”的“材料喷射”。与其他3D打印技术不同,MJ没有一个发明人。实际上,直到最近,它还是一种技术,而不是实际的打印过程。这是珠宝商使用了几个世纪的东西。蜡铸造一直是传统工艺,用户可以生产高质量,可定制的珠宝。之所以在这里提到它,是因为引入了3D打印。由于这项技术的出现,蜡模铸造现在是一个自动化的过程。如今,MJ 3D打印机生产高分辨率零件,主要用于牙科和珠宝业,

对于像大多数珠宝商一样想要尝试各种类型的石膏的珠宝商,MJ现在是他们领先的3D技术。在撰写本文时,市场上有一些高质量的专业蜡3D打印机。它们的工作方式如下:

将3D模型(CAD文件)上传到打印机后,所有系统都可以使用。打印机以受控的层数将熔化的(加热的)蜡添加到铝制构建平台中。它使用在整个构建区域上均匀扫过的喷嘴来实现此目的。一旦加热的材料落到构建板上,它就会开始冷却并固化(紫外线有助于固化各层)。随着3D零件的堆积,类似凝胶的材料有助于支持更复杂几何形状的打印过程。与3D打印中的所有支持材料一样,手动或使用强力喷水之后也很容易将其删除。零件完成后,您可以立即使用它,而无需进一步的后固化。

三. 3D打印过程概述

掌握了基本原理后,对于家庭用户而言,3D打印过程将不再困难。 虽然3D打印机,打印材料,打印对象和3D打印软件都可以有所不同,但是从设计到最终产品的过程也遵循类似的过程。 简而言之是:

  1. 访问3D建模应用程序或3D扫描仪
  2. 为要在3D打印中打印的对象创建虚拟设计(3D模型)
  3. 将设计保存为计算机辅助设计文件,或简称为CAD
  4. 将其CAD文件切片,然后再将其发送到打印机
  5. 将切片的CAD文件上传到3D打印机
  6. 打印机读取2D文件中的每个切片以创建三维对象

四. 总结

3D打印机和打印技术一直在进步。 如此一来,随着设备和工艺变得越来越令人印象深刻,价格将继续下降。 如果您已从上至下阅读本指南,那么您将对不同的3D打印机及其工作原理有一个很好的基本了解。 您还将了解打印机使用的各种材料及其支持的行业。希望这篇文章对你的3D打印选购有帮助!

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参考:

1. 森山:3D打印机分类及原理
2. 铼赛智能:科普:常见3D打印技术DLP,SLA,LCD,FDM对比

我是 @山下有泽,专注于提升生活品质的产品的博主,对3D打印机领域略有了解,也帮助很多朋友买到适合自己的3D打印机,希望我的文章对你有帮助!