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3D列印

3D列印(英語:3D printing),又稱立體列印、增材製造、積層製造(英語:Additive Manufacturing,AM),可指任何列印三維物體的過程。

3D列印(英語:3D printing,又稱立體列印增材製造積層製造(英語:Additive ManufacturingAM),可指任何列印三維物體的過程。3D列印主要是一個不斷添加的過程,在電腦控制下層疊原材料。3D列印的內容可以來源於三維模型或其他電子資料,其列印出的三維物體可以擁有任何形狀和幾何特徵。3D列印機屬於工業機器人的一種。

3D列印」這個詞的原意是指將材料有序沉積到粉末層噴墨列印頭的過程。最近此詞的含義已經擴大到廣泛包括的各種技術,如擠壓燒結過程。技術標準一般使用「增量製造」這個術語來表達這個廣泛含義。

3D列印的術語與方法

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3D列印電腦輔助設計(CAD)模型

早期的增量製造裝置和材料在20世紀80年代發展起來。1981年,名古屋市工業研究所的小玉秀男發明了兩種利用光硬化聚合物的增材製造三維塑膠模型的方法,其紫外線照射面積由掩模圖形或掃描光纖發射機控制。之後在1984年,三維系統公司查克·赫爾Chuck Hull)發明了立體光刻,用紫外雷射固化高分子光聚合物,將原材料層疊起來。Hull稱這一程式可以「通過建立列印目標物體每部分之間的聯絡來列印三維物體」,但該程式已由小玉發明。Hull的貢獻是設計了STL(立體光刻)檔案格式,該格式被廣泛應用於3D列印軟體和電子切片與填充。「3D列印」這個術語最早是指使用標準的傳統噴墨列印機噴頭的流程,到現在為止,大部分3D列印機,特別是3D列印愛好者使用的和針對消費者設計的3D列印機,使用的大都是採用熔融沉積建模法(這是塑膠擠出的特殊應用)。

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針對金屬燒結或金屬熔化(例如選擇性雷射燒結直接金屬雷射燒結雷射選區熔化)技術的增量製造在20世紀80年代和90年代通常採用不同的名稱。儘管大量自動化技術當時已經被運用到幾乎所有金屬加工產品都需要經過的澆鑄製造衝壓加工等程式中(如機器人焊接、電腦數值控制技術(CNC)的應用),只用一件工具或一個噴頭就可以完成從原材料到成品全過程的想法還是只能讓大多是人聯想到金屬切削(而不是增添)的過程,例如數控銑削,數控電火花加工和其他程式。但AM類型的燒結已經開始挑戰這個假設。到了上世紀90年代中期,史丹佛大學卡內基梅隆大學開發出了材料沉積新技術,包括微鑄造和噴塗材料。犧牲材料和支撐材料也變得越來越普遍,讓新的幾何物體可以加工。

「增量製造程式」這個雨傘術語21世紀的頭一個十年逐漸流行,[12]因為各種增量製造程式都在逐漸成熟,金屬切削很快將不再是金屬加工過程唯一可以使用技術。在這個十年中,為了滿足機器製造(金屬切削是其永恆的話題)的需求,「減量製造」應運而生。然而,同時期,3D列印在大多數人心中只是一種聚合物工藝,增量製造這一術語可能更多地應用於金屬加工製造背景下,而不是聚合物,噴墨列印或是立體平板印刷領域。「減量製造」並沒有取代「加工」,而是在切削方法方面對「加工」這一術語進行了補充。

21世紀早期,「3D列印」和「增量製造」在涵義上有所發展,代指所有增量製造技術。儘管這與早期所指代的意義有所區別,但仍反映出3D工作流程在自動化控制下將材料層疊堆積的共同特點。(其他術語通常被視為增量製造的同義詞上義詞,例如「桌面製造技術」、「快速製造技術」(是「快速成型技術」的發展),和「即時製造技術」(模仿了二維按需印刷技術))。在20102020年這10年,發動機托架和大號螺母等金屬部件在分批生產上會有所增加(在加工前或取代加工程式),不再從屬於棒料或金屬板加工。

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建模

3D列印模型可以使用電腦輔助設計軟體包或三維掃描器生成。手動搜集製作3D圖像所需的幾何資料過程同雕塑等造型藝術類似。通過3D掃描,可以生成關於真實物體的形狀、外表等的電子資料並進行分析。以3D掃描得到的資料為基礎,就可以生成被掃描物體的三維電腦模型。

無論使用哪種3D建模軟體,生成的3D模型(通常為.skp.dae.3ds或其它格式)都需要轉換成.STL.OBJ這類印表機可以讀取的格式。

無論是手動還是自動生成3D模型,對一般的消費者來說難度較大。這促進了最近幾年3D列印公司的形成。其中比較有名的有 ShapewaysThingiverseMyMiniFactory Threeding

列印

使用STL格式檔案列印3D模型前需要先進行「流形錯誤」檢查,這一步通常稱為「修正」。對於採用3D掃描獲得的模型來說,STL檔案「修正」尤其重要,因為這樣的模型通常會有大量流形錯誤。常見的流形錯誤包括,各表面沒有相互連接,或是模型上存在空隙等。netfabbMeshmixer,或是CuraSlic3r都是常見的修正軟體。

完成修正後,使用者可以用一種名為「slicer」(意為「切片機」)的軟體功能將STL檔案代表的模型轉換成一系列薄層,同時生成G代碼檔案,其中包括針對某種3D列印機(FDM印表機)的客製化指令。接下來,使用者可以用3D列印客戶端軟體列印G代碼檔案,這種客戶端軟體可以利用載入的G代碼指示3D列印機完成列印過程)。值得注意的是,實際應用中的3D列印客戶端軟體通常會包含「切片機」軟體功能。有多種開源切片機程式可供選擇,如SkeinforgeSlic3rCura,不開放原始碼的切片機程式則有Simplify3DKISSlicer3D列印客戶端軟體則有Repetier-HostReplicatorGPrintrun/Pronterface

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掃描過的棘龍Spinosaurus)顱骨列印為兩種尺寸

需要注意的是還有一款用到3D列印的人們經常使用的軟體叫做G代碼檢視器Gcode viewer)。這個軟體可以檢查印表機噴嘴的行進路線。通過檢查這個,使用者可以自行決定修改GCode列印模型的不同方式(例如以不同姿勢,如站立或平躺)以節省塑料(根據姿勢和噴嘴路線,會用到更多或更少的支撐材料)。G代碼檢視器的例子有Gcode Viewer for BlenderPleasant3D

3D列印機根據G代碼從不同的橫截面將液體,粉末,紙張或板材等材料一層層組合在一起。這些層次與電腦輔助設計模型中的虛擬層次都是相對應的。這些真實的材料層或人工或自動地拼接起來形成3D列印成品。3D列印技術的主要優勢在於,它幾乎可以列印所有形狀的物品。

列印解析度指的是層次的厚度以及長和寬解析度,單位為點/英寸(dpi)或微米(µm)。層厚一般為100微米(250/英寸),但有些印表機,例如OBjet Connex 系列和Project 3D系統,可以列印層厚16微米1600/英寸)的物體[17],橫縱解析度可以與雷射印表機媲美,3D圓點直徑大約為50100微米(510250/英寸)。

現代制模技術根據工藝,模型大小和模型複雜程度的不同,耗費的時間從幾個小時到幾天不等。增量製造系統則可以將一般生產時間縮短到數小時,當然具體生產時間仍然根據印表機型號,模型大小和同時列印模型數量的不同會有較大變化。

傳統的諸如注塑成型等工藝在批次生產聚合物上成本較低,但增量製造速度更快,更靈活,在生產少量物體時較划算。擁有了3D列印機的幫助,設計者和概念開發團隊就可以利用這個只有桌面大小的印表機進行零部件和概念模型的生產了。

完成

儘管3D列印的解析度能滿足許多產品的要求,但仍有上升的空間。方法是:先用標準解析度列印一個比要求稍大的模型,然後用高解析度的削減程式將多餘的材料移除[18]。這樣就能得到更為精確的3D模型。

一些可用於列印的聚合物在完成時可以讓表面光滑,並使用化學氣相過程改善。

有些增量製造技術允許在列印過程中使用多重材料。這些技術能夠同時進行彩色和混色列印,且不一定需要塗漆。

一些列印技術要求內部支撐來在建造懸臂特點。這些支撐必須在列印完成時用機械方法清除或溶解。

所有的商業化的金屬3D列印機都包含了在沉積後切割從金屬基板切去金屬部件的功能。GMAW 3D列印有一種新工藝可以用錘子取出去除部件來修改基材表面。

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