1.6 3D 打印的材料选择与对比目前 3D 打印材料主要分为工程塑料和光敏树脂。1工程塑料指被用作工业零件或外壳材料的工业用塑料它是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。新工业革命 Creo 综合建模与 3D 打印● PC 材料真正的热塑性材料具备工程塑料的所有特性。其高强度、耐高温、抗冲击、抗弯曲可以作为最终零部件使用应用于交通工具及家电行业。● PC-ISO 材料一种通过医学卫生认证的热塑性材料被广泛应用于药品及医疗器械行业可以用于手术模拟、颅骨修复、牙科等专业领域。● PC-ABS 材料一种应用最广泛的热塑性工程塑料应用于汽车、家电及通信行业。2光敏树脂即 UV 树脂由聚合物单体和预聚体组成其中加有光紫外光引发剂或称为光敏剂。在一定波长的紫外光250300nm照射下会立刻引起聚合反应完成固化。它一般为液态通常用于制作高强度、耐高温、防水等的材料。● Somos 19120 材料粉红色材质铸造专用材料成型后直接代替精密铸造的蜡模原型避免开模具的风险能大大缩短周期并且拥有灰烬少和高精度等特点。● Somos 11122 材料半透明材质类 ABS 材料抛光后能达到近似透明的艺术效果。此种材料被广泛用于医学研究、工艺品制作和工业设计等行业。● Somos Next 材料白色材质类 PC 新材料该材料韧性较好精度和表面质量更佳制作的部件拥有最先进的刚性和韧性结合。另外 3D 打印常用的材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。3塑料对于细节要求高和耐久性强的产品塑料是一个很好的选择最重要的是用户可以选择任何色彩。4金属如果用户有预算试试金属合金。若要得到更高质量的产品考虑铁、 10 克拉黄金、不锈钢、纯银或其他贵金属。5丙烯酸丙烯酸形式灵活、坚固可用于多种产品。它可以是有色的或透明的满足用户想要的外观。6陶瓷对于艺术品、家居装饰和其他需要手工样式的产品陶瓷材料是一个很好的选择。7尼龙非常适用于有良好灵活性需求的产品尼龙也适用于高品质、高细节的产品。8蜡蜡主要用于珠宝制作和艺术品的复制可以用于创建一个详细的、快速原型规格的模具。9砂岩可以 3D 打印成坚硬的表面纹理或多色外观的产品。10纸纸是生物可降解材料通常是最环保的 3D 印刷材料。1.7 3D 打印的常用术语1 STL 格式 STL 是很多快速原型系统应用的标准文件类型是标准的三角语言。所有的成型机都可以接收 STL 文件格式进行打印。当保存了 STL 文件之后设计的所有表面和曲线都会被取代并转换成网状。网格由一系列的三角形组成代表设计原型中的精确几何含义。这很重要因为使用 STL 文件将对构建高质量模型发挥很大的作用。很多三角形的面可以表现流畅的曲线这需要导出高分辨率的 STL 文件如此一来三角形会变得相当小以至于机器无法察觉。2水密 STL 文件需要水密后才可以进行 3D 打印水密最好的解释就是无孔的有体积固体。用户可能会感到惊讶即使设计的固体已经创建完成也很有可能在模型中仍存在没有被留意的小孔。3 STL 错误一旦要导出 STL 文件格式的设计文件往往会报告“错误”。这些错误并非发生在阶段中而是真实存在于该文件的对象中。像软件编译器会检查编程错误一样 3D 打印机或 STL 浏览器同样可以检查 STL 文件然后才能进行打印。如果机器在创建模型的过程中遇到问题文件就会崩溃并停止创建因为文件截面已损坏从而导致一个失败的打印。所以使用一个好的 STL 文件浏览器很关键。4横截面 STL 文件一旦创建 3D 打印机就会将模型切“片”存为一系列横截面的文件。先用类似激光切割机的方法创造截面然后再组装。我们直接处理整个对象把它们切为片状的横截面截面将与机器打印的厚度完全一致。 3D 打印机的工作就是不断地将横截面层层打印、累积直到模型完成。 5层厚度 3D 打印工艺有各自的规格限制其中最重要的一项就是机器所打印的层的厚度。如果在设计中存在精细到 0.001in 的细节而打印机的精度只有 0.01in那么用户只能跟精心设计的细节说“再见”了因为打印机会自动忽略它。所以对于参数化机器将 3D设计调整到适当的规格是很重要的。6模型材料不同的 3D 打印技术使用不同的材料制作截面塑料、液态树脂、粉状物陶瓷、金属、蜡都可以选择。7支撑材料每种 3D 打印技术都会使用支撑材料来支撑模型的表皮。简单地说就是打印出来的任何几何形体都不是实心的表皮之下同样需要支撑材料。所有的 3D 打印技术都需要支撑材料因此大部分的打印机都会使用模型材料作为支撑材料支撑材料的相关费用和模型本身的费用差不多。1.8 主流 3D 打印机介绍目前全球制造 3D 打印机的企业、科研机构超过数百家 再加上数量众多的 3D 打印爱好者制造出来的 3D 打印机型号无法计算我们只能选择平时关注度比较高的主流机型进行介绍。目前工业级 3D 打印领域有“三巨头”的说法即 3D Systems、 Stratasys 和 EOS三家技术各有特色下面介绍最有特色的 3 个系列。1 3D Systems ZCorp Zprinter 系列 Zprinter 是 3DS 旗下 ZCorp 的代表机型采用三维粉末粘接技术3DP该机型最大的特色是支持彩色打印 Zprinter 650 最高支持 39 万种色彩的输出构建物品尺寸为 254mm×381mm×203mm层厚 0.090.1mm Zprinter 650也是 3D 照相馆中常见的设备。使用 3DP 技术虽然获得了丰富的色彩输出但是也付出了一定的代价。首先依靠粉末粘接的成品强度较差需要进行后续处理才可以获得耐用的成品。其次 3DP 使用粉末粘接表面不够细腻精细度与 SLA 相比有一定的差距所以主要应用在对色彩外观要求较好、对强度要求不是太高的领域。2 Objet 系列 Objet 是一家以色列公司在 2012 年被 Stratasys 收购 Objet 的产品主要采用光固化SLA技术通过感光材料被光照射后固化成型 Objet 工业级的 Connex500支持超过 123 种材质的材料是目前支持材料种类最多的 3D 打印机。Objet 基于 SLA 的 3D 打印机打印速度快而且成型精密、还原度好、表面光滑。Connex500 每层材料的厚度最低 16μm精细程度远远超过目前其他 3D 成型技术。不过目前Objet 使用的主要还是树脂类材料成品强度不高无法直接制作金属类产品而且材料成本相当高普通企业较难接受。3 EOS 系列 EOS 是德国企业主要技术以选择性激光烧结SLS为主 SLS 技术虽然复杂、成本高但是能够制作金属、陶瓷等特殊材质作品所以在工业制造领域的应用非常广。SLS 烧结的成品强度最好不过因为是粉末烧结的原因表面并不是十分光滑一般有较多的后续处理工序技术含量要求较高而且激光烧结除了激光系统之外还有一系列辅助安全设备和设施导致设备成本、维护成本都很高。下面介绍几种使用 FDM 技术的桌面级 3D 打印机。1桌面级 3D 打印机 Reprap提到桌面级 3D 打印机不得不提 Reprap 项目它几乎可以说是绝大部分桌面级 3D 打印机的“始祖”也因为 Reprap 一开始就从源代码、硬件设计全部开源吸引了无数爱好者对 Reprap 进行改造活跃了桌面 3D 打印机社区衍生出了无数的后续机种。现在著名的 Makerbot、 Ultimaker 等都属于 Reprap 后续发展出来的机型。Reprap 采用 FDM 技术 Reprap 的设计理念是制造一台能够自我复制的机器目前Reprap 已经进化到新一代的 ReprapPro Mendel。Mendel 是为了支持多色彩打印设计的目前仅提供单色版本但是在未来会提供扩展组件增加彩色打印头。其主要技术指标如下。● 打印空间 200mm×200mm×110mm● 精度 0.1mm● 打印速度 1 800mm/min● 使用材料 1.75mm ABS/PLA● 支持脱机打印2 Makerbot 大名鼎鼎的 Makerbot 作为桌面级 3D 打印机的领军企业可谓是无人不知、无人不晓早年 Makerbot 彻底开源了 Thing-O-Matic从此也就产生了大量的仿制品。 2012年新发布的 Replicator2 无疑是桌面 3D 打印机的新标杆实际层厚达到了 100μm从目前展示的打印效果来看作品非常细腻 FDM 机型常有的台阶效应已经不太明显也许桌面级FDM 机型在未来真的可能会慢慢得到一些专业领域的认可。Replicator2 的主要技术指标如下。● 打印空间 28.5cm×15.3cm×15.5cm● 层厚高分辨率为 100μm中分辨率为 270μm低分辨率为 340μm● 材料 1.75mm PLA● 支持脱机打印3 Ultimaker原始的 Reprap 为了追求可自我复制在效率和精度上作出了一些牺牲而后续衍生机为了弥补这一点在结构上做了改进除了 Makerbot 之外 Ultimaker 也是一个较为成功的分支。 Ultimaker 来自荷兰从名字上就能看出他们的远大理想 Ultimaker 最大的特色是将挤出机构与喷嘴分离减轻头部重量从而在理论上获得更快的打印速度和更高的打印精度。Ultimaker 的主要技术指标如下。● 打印空间 21cm×21cm×20.5cm● 层厚官方数据为 100μm有部分报告说可以实现 50μm 层厚● 材料 1.75mm PLA● 支持脱机打印采购装配零件包需另购脱机打印模块4 UP UP 系列其实由北京太尔时代出品该公司以前主要做 OEM 出口目前开始以 UP 品牌在国内进行销售。其主要技术指标如下。● 打印空间 140mm×140mm×135mm● 层厚最低 0.15mm最高 0.4mm● 材料 1.75mm ABS/PLA虽然其打印尺寸较小但是相对其他国外品牌来说其性价比优势明显。前面介绍的均为使用 FDM 技术的桌面 3D 打印机 FDM 技术结构简单、成本低、实现方便而且有 Reprap 庞大的开源社区的资源支持非常容易制作但是 FDM 技术本身也有很多不足例如控制逻辑复杂、成型影响因素多、成品精度不足等。目前国外已经开始出现基于光固化技术的桌面级 3D 打印机下面简单介绍两种机型。 1 Form1 Form1 是最早在 Kickstarter 上发起的基于 SLA 技术的桌面级 3D 打印机主要将激光束通过偏振光镜对感光材料平面进行扫描促使材料固化然后层层叠加获得打印成品。由于使用 SLA 技术 Form1 制作的成品细节精致、表面光滑接近所见即所得的效果。其主要技术指标如下。● 打印空间 125mm×125mm×165mm● 层厚 25μm● 材料光敏树脂2 B9Creator Form1 采用偏振光镜方式使用光斑逐点扫描成型区域效率相对较低于是 Kickstarter 上出现了第二个基于 SLA 技术的 3D 桌面打印机——B9Creator。 B9Creator同样使用光固化原理但并不是使用偏振光镜扫描而是直接使用 DLP 技术一次性对整个面照射固化成型效率远远高于偏振光镜。其主要技术参数如下。● 打印空间 每像素 100μm 时 102.4mm×76.8mm×203.2mm 每像素 50μm 时 51.2mm×38.4mm×203.2mm● 层厚 10100μm● 材料光敏树脂本次主要介绍了当前比较常见的 3D 打印机抛开工业级打印机在桌面级市场目前仍然以简单易用、成本低廉的 FDM 技术 3D 打印机为主。虽然是新兴的 SLA 桌面级打印机开始慢慢出现 SLA 技术的 3D 打印机成型精度好、表面光滑但是目前还存在打印尺寸偏小的劣势。此外以光敏树脂作为材料还有成本高、不易保存、具有毒性需要防护等问题。随着新技术不断发展相信未来会有更多、更优秀的桌面级 3D 打印机出现让 3D 打印的世界更加丰富多彩。实战问答 3D 打印机可以打印大尺寸模型吗现在增大了立体模具最大尺寸的 3D 打印机新产品纷纷推出原来需要缩小实物尺寸或分割造型再组装起来的较大立体模型也能用与实物相同的尺寸制成。增大最大造型尺寸即使对于不太大的立体模型而言也有能够同时制作多个模型的好处从而有助于提高单位时间的产量进而降低运用成本。最近美国 Stratasys 公司和以色列欧贝杰公司 Objet合并成立的 Stratasys 公司推出了 3D 打印机新产品“ Objet1000”如下图所示。其最大造型尺寸托盘尺寸扩大到了宽 1 000mm×进深 800mm×高 500mm。Objet1000 是采用从喷嘴喷出光硬化性树脂方式的 3D 打印机与该方式的现有机型中造型尺寸最大的“ Objet Connex500”托盘尺寸为宽 500mm×进深 400mm×高 200mm相比最大造型尺寸的体积增至 10 倍。立体模型的重量最大达到 200kg。美国 3D Systems 公司的新产品“ ProJet 3500 HD Max”的最大造型尺寸本身与现有机型相同为298mm× 185mm×203mm但能够在高精度模式下实现该尺寸的造型如右图所示。“ ProJet 3500”系列备有造型速度及精度不同的多种造型模式以往机型在换成高精度模式后最大造型尺寸会变小。例如在最高精度的 XHD模式 750×750×1600 dpi下以往机型的最大造型尺寸为 203mm×178mm×152mm因此 ProJet 3500HD Max可造型的立体模型体积大约为其两倍。另外它还提高了高精度模式下的处理速度加上最大造型尺寸的扩大高精立体模型的生产效率有了大幅度提高。技术链接全球 3D 打印行业的竞争格局从目前发展最为成熟的 3D 打印机市场来看正在逐渐形成寡头垄断的格局。从市场份额来看欧美市场是目前最大的市场 Stratasys、 3D Systems 等欧美公司是当之无愧的龙头。 3D 打印产业包括上游的打印材料、中游的打印设备、相关外设及其设计软件以及下游的打印终端产品和工业设计服务三大环节。从分布地区来看目前 80%的工业级打印机的需求集中在美国和欧洲以色列占16%的市场份额主要得益于当地公司 Objet 的良好发展亚洲仅占 5%。从制造商角度来看 Stratasys加上最近合并的 Solidscape 和 Objet、 3D Systems 等的出货量占比高达 75%是目前当之无愧的行业龙头。不过中国的销量规模占比 2%也预示了国内企业开始逐渐进入主流供应商行列。下面是工业级 3D 打印机市场份额按制造商分类列表。