【3D打印机原理】层叠截面、支撑结构、材料选择

通过活用IT技术，如今的开发人员可以更深入地探讨产品设计，实现新的开发。与此同时，更细致地对相关数据进行验证的需求也越来越多。3D打印机便是满足这一需求的工具之一。最近，3D数据经常在设计阶段就已登场，利用3D打印机的情况也越来越多。

制造的最终的目的是创造实物。因此，设计中总会有一些在计算机上无法重现的现象，必须通过试验等方式加以确认。此时，能够在短时间、以低成本制作出试制品等实物（立体模型）的3D打印机是一个重要工具（见下表）。现在，作为制作夹具、模具及低产量部件的手段，3D打印机的应用范围还在不断扩大。这一次，笔者就来介绍一下3D打印机的概要。



表：主要的3D打印机

层叠截面

3D打印又称“3D积层造型”，顾名思义，是一种以截面形状的集合体来表现立体模型的方法。也就是把片状的截面形状一层一层叠在一起，最终制成立体模型（图1）。其造型方法多种多样，各种方法的区别在于使用的材料和成型后处理方式的不同。

“3D打印”的名称源于其使用喷墨打印机喷嘴的方法。与一般打印机一样，3D打印机也是使用喷嘴制作截面形状，有从喷嘴直接喷射立体模型材料（光硬化性树脂、蜡），以及喷射粘合剂使粉末材料固化这两种方法。

Objet、基恩士（KEYENCE）及Solidscape生产的设备以及3D Systems的“ProJet”系列等采用的是前一种方法（图1-a）。Objet和基恩士的产品在打印立体模型和支撑部分（将在下一篇中介绍）时均使用光硬化型树脂，让紫外线（UV）灯与喷墨喷嘴同步扫描成型面，以使喷射出的树脂硬化。Solidscape的产品打印立体模型和支撑部分均使用蜡。ProJet的立体模型材料使用光硬化型树脂或蜡，支撑材料使用蜡。

而3D Systems的“ZPrinter”采用的则是后一种方法（图1-b）。要先喷洒一层粉末材料，在需要成形的区域喷射粘结剂，使其固化粘结，在完成一层的造型后，再喷洒下一层的粉末、胶水，如此重复直至完成造型。


图1：3D打印机的主要几种工作方式通过将造型为截面形状的薄片不断层叠的方法制作立体模型。使用喷墨喷嘴的方法包括直接喷射模型材料和支撑材料的方法（a），以及向粉末材料需要造型的部分喷射粘结剂的方法（b）。直接喷射模型材料的方法使用光硬化性树脂或蜡。使用粉末材料时，未硬化的粉末将发挥支撑作用。此外还有不使用喷墨喷嘴、利用内置加热器的可动式喷嘴喷射热可塑性树脂的方法（c）等。
除此之外，也有不使用喷墨喷嘴的方法，那就是Stratasys采用的熔融沉积成型法（FDM）（图1-c）。这是一种使热可塑性树脂从可动式喷嘴挤出的方法，具体为，使细长的线状材料在加热的喷嘴内熔化，同时使喷嘴按照一定轨迹运动、挤出熔丝以完成造型。Solido的产品采用的是把涂抹了粘结剂的膜状材料裁成截面，逐层重叠的方法。

要想灵活使用3D打印机，就必须事先了解支撑结构。由于是采用将截面逐层堆叠这一工作方式，因此必须要有支撑结构为模型部分提供支撑（图2）。从易用性的角度出发，使用者必须事先了解去除支撑物的麻烦程度。基本上，3D打印机都使用不同的材料作为模型材料和支撑材料，以便轻松去除支撑材料。激光扫描光硬化型树脂液面位置的RP（快速成型）装置的立体模型与支撑部分采用相同材料。因此，为了方便去除，需要采用缩小立体模型与支撑部分的边界面等方法。

图2：必须使用支撑结构的理由 因为是自下而上一层层堆叠截面，所以，在制作有悬空部分和有从中间开始出现的形状时，就需要利用支撑结构提供支撑。

喷射模型材料的3D打印方式在造型时，要选择与模型材料不同的材料作为支撑材料。Objet的产品采用凝胶状材料作为支撑材料，造型后可以用水冲掉。Stratasys的部分产品使用的是可溶于碱性溶液的支撑材料，而3D Systems的ProJet则是使用可溶于酒精的支撑材料。

作为新方法，基恩士2011年11月推出的“Agilista”成为了业界关注的焦点。该产品使用的支撑材料用自来水即可冲掉（图3）。只需将造型品泡在水里就能去除支撑部分，因为无需施加太大的力，所以模型的微细部分被破坏的危险性也很小。

实际操作时，先用指尖除掉支撑材料较厚的部分再泡入水中，可以缩短处理时间。泡在水里时，轻轻涮洗、或用流水冲刷都可缩短支撑部分溶解的时间。用于去除支撑材料的水可重复使用。各地政府的废水处理规定各不相同，废水不可以无条件排放，要视最终浓度等而定。

图3：可溶于水的支撑部分 基恩士的“Agilista”使用水溶性树脂（颜色为乳白色）作为支撑材料（a）。因为只需泡在自来水中即可溶解，所以无需施加太大的力即可去除微细部分的支撑材料（b）。

另一方面，粉末硬化式3D打印不需要另行制作支撑部分，而是用没有作为立体模型硬化的粉末来发挥支撑作用。只要拿起做好的立体模型，未硬化的粉末就会掉落。结构复杂的部分和附着在表面的残留粉末只需使用压缩空气吹掉即可。

3D打印使用的材料主要是光硬化型树脂，或高温可以熔化的热可塑性树脂（或蜡）。现在，市场上有着各个生产商供应的强度、韧性、透明性、颜色各不相同的种类丰富的材料。

其中，Objet的产品可以制作出由特性不同的材料混合而成的立体模型。该产品配备了多个喷头，每个喷头可以喷射不同的树脂（图4）。这样一来，就能为衬垫部分采用橡胶状材料，为要求强度较高的结构部分采用硬质材料。而且，还能在使用透明材料的部件中，配置使用有色材料的部件，在需要观察内部的场合发挥作用。还可以通过混合多种材料为模型赋予新特性。Objet将其称之为“数字材料”。

而ZPrinter是一款只使用一种材质、但可以自由改变颜色的3D打印机。像彩色打印机一样，通过使用多种颜色的有色粘结剂，最多可以表现数十万种颜色。制成立体模型后，表面无需着色，而且复杂的部分也可以准确着色。除此之外，该装置还能够在立体模型的表面印制标注等。

就材料的颜色而言，Stratasys的产品也可使用具有相同物理性质的多种颜色的材料。高级机型除了ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚树脂）类材料之外，还可以使用聚碳酸酯（PC）、聚亚苯基砜（PPSF）等高强度、高耐热性树脂。

图4：使具有不同特性的多种材料一体成型 Objet的高端机型能够使混杂了特性不同的多种材料的立体模型一体成型。除了为立体模型的不同部位采用不同种类的树脂之外，还可以在相同位置喷射不同特性的树脂使其混合，制造具有新特性的模型。

从设计到生产现场

选择3D打印机时，要针对设想的用途，从最大造型尺寸、可以实现的精度（最小积层厚度和分辨率）、可以使用的材料（特性）等方面考虑。

图5：在模具试制中的应用 Stratasys的FORTUS系列除了ABS树脂以外，还可以使用高强度、高耐热性的PC树脂及PPSF树脂。使用这些树脂可以制作出注射成型、冲压成型模具的试制品。

例如，需要用肉眼观测管道中的液体流动时，最好选用透明材料。如果是制作用于试验的试制品，那就要注重强度和韧性等特性。除了最大造型尺寸之外，其他两方面仅从产品目录上的规格很难拍板，因此，最好委托企业或服务商（造型代工商）等制作具有代表性形状的立体模型，对效果进行确认。要想实现高精度，就必须拥有“沿哪个方向设置截面效果更好”等技术经验，而且，对于去除支撑材料需要花费的工夫等很多方面，只有实际用过才清楚。

不过，虽说必须要明确使用目的，但过多约束3D打印机的用途也并非上策。最近，使用3D打印机制作的立体模型作为夹具、模具试制品的例子也越来越多（图5）。通过调查设计、制造等各部门对于3D打印机有哪些需求，或许还能发现出乎意料的应用方法，扩大3D打印机的使用范围。（日经技术在线！ 供稿）

好信息，顶一下

日经在线是3D systems在做广告么~感觉在普及3D打印相关知识的感觉

学习了，扫盲中

支撑是在模型设计时就设计好的吗，就是说模型和支撑是一个实体吗

flysong 发表于 2013-12-12 16:09
支撑是在模型设计时就设计好的吗，就是说模型和支撑是一个实体吗

支撑结构是在切片过程中软件计算生成的，在打印过程中和模型材料一起逐层堆积而成。