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世紀潮流 3D打印成型技術與成功應用

從早期的針式打印機開始,打印機的類型和款式逐漸豐富,功能也日趨多樣化。上世紀80年代中期,針式打印機開始在公司和家庭中擔任打印任務,隨后噴墨打印 機和激光打印機相繼出現在市場上,而現在,彩色激光打印機也已經陸續進入了家庭。可是無論是那種類型的打印機,都只能在紙張上打印平面文稿或圖片,輸出信 息只能以2D形式表現。

當然對于普通用戶來說,目前的打印機已經可以很好的完成打印工作,但對于設計工作者,特別是工業設計、3D 模型設計等領域,平面圖或是在顯示器中顯示的虛擬3D圖像很難完全出表現出設計的實際效果。所以就像報紙印刷前需要打印樣張以進行校對一樣,這些設計完成 的作品在正式生產前也需要制作模型,但這一過程恰恰是最費時間也最耗費成本的環節。

出現在科幻片中的3D打印機一直是設計工作者夢 寐以求的,盡管類似產品早已應用在地理勘察、偵測領域,但昂貴的價格、簡易的功能限制了其廣泛應用。后來隨著CAD、CAM技術的飛速發展,以及市場需求 的變化,工業設計、柔性制造越來越多的影響到產品周期,能否快速推出新產品直接著廠商的生存狀況。因此3D打印機開始受到廣泛關注,包括手機、運動鞋、甚 至是3D電影行業都對3D打印機極為推崇。

所謂3D打印機就是可以“打印”出真實3D物體的一種設備,功能上與激光成型技術一樣,采用分層加工、迭加成形,即通過逐層增加材料來生成3D實體,與傳統的去除材料加工技術完全不同。稱之為“打印機”是參照了其技術原理,因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。

每一層的打印過程分為兩步,首先在需要成型的區域噴灑一層特殊膠水,膠水液滴本身很小,且不易擴散。然后是噴灑一層均勻的粉末,粉末遇到膠水會迅速固化 黏結,而沒有膠水的區域仍保持松散狀態。這樣在一層膠水一層粉末的交替下,實體模型將會被“打印”成型,打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型, 而剩余粉末還可循環利用。

打印耗材由傳統的墨水、紙張轉變為膠水、粉末,當然膠水和粉末都是經過處理的特殊材料,不僅對固化反應速 度有要求,對于模型強度以及“打印”分辨率都有直接影響。目前的3D打印技術能夠實現600dpi分辨率,每層厚度只有0.01毫米,即使模型表面有文字 或圖片也能夠清晰打印。當然受到噴打印原理的限制,打印速度勢必不會很快,目前較先進的產品可以實現每小時25毫米高度的垂直速率,相比早期產品有10倍 提升,而且可以利用有色膠水實現彩色打印,色彩深度高達24位。

由于打印精度高,打印出的模型品質自然不錯。除了可以表現出外形曲 線上的設計,結構以及運動部件也不在話下。如果用來打印機械裝配圖,齒輪、軸承、拉桿等都可以正常活動,而腔體、溝槽等形態特征位置準確,甚至可以滿足裝 配要求,打印出的實體還可通過打磨、鉆孔、電鍍等方式進一步加工。同時粉末材料不限于砂型材料,還有彈性伸縮、高性能復合、熔模鑄造等其它材料可供選擇。

不過,雖然3D打印機價格在不斷降低,很多廠商、設計院、大學等都開始或準備配備,但產品價格依然較高。3D Systems推出的新款InVision LD入門級桌面型產品價格為1.59萬美元,而Z Corporation出品的中端型號Z510要價10萬美元。好在3D打印機的耗材成本并不夸張,例如打印手機模型,大概花費20美元材料費,比起其它 成型技術成本要低得多。

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