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3D打印原理是什么
3D打印即快速成型技術的一種，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。下面小編為大家?guī)?D打印原理是什么，希望大家喜歡！
1. 技術原理
3D打印技術與激光成型技術基本上是一樣的。簡單來說，就是通過采用分層加工、迭加成形，逐層增加材料來生成3D實體。稱它為“打印機”的原因是參照了其技術原理，3D打印機的分層加工過程與噴墨打印機十分相似。首先是運用計算機設計出所需零件的三維模型，然后再根據(jù)工藝需求，按照一定規(guī)律將該模型離散為一系列有序的單位，通常在Z向?qū)⑵浒凑找欢ǖ暮穸冗M行離散，把原來的三維CAD模型變成一系列的層片;然后再根據(jù)每個層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，然后系統(tǒng)后自動生成數(shù)控代碼;最后由成型一系列層片并自動將它們連接起來，最后得到一個三維物理實體。
2. 優(yōu)點
一、最直接的好處就是節(jié)省材料，不用剔除邊角料，提高材料利用率，通過摒棄生產(chǎn)線而降低了成本;
二、能做到很高的精度和復雜程度，除了可以表現(xiàn)出外形曲線上的設計;
三、不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機床或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件;
四、它可以自動、快速、直接和精確地將計算機中的設計轉(zhuǎn)化為模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效的縮短產(chǎn)品研發(fā)周期;
五、3D打印能在數(shù)小時內(nèi)成形.它讓設計人員和開發(fā)人員實現(xiàn)了從平面圖到實體的飛躍;
六、它能打印出組裝好的產(chǎn)品，因此它大大降低了組裝成本。它甚至可以挑戰(zhàn)大規(guī)模生產(chǎn)方式。
3. 缺點
任何一個產(chǎn)品都應該具有功能性，而如今由于受材料等因素限制，通過3D打印制造出來的產(chǎn)品在實用性上要打一個問號。
�、購姸葐栴}：房子、車子固然能“打印”出來，但是否能抵擋得住風雨，是否能在路上順利跑起來，仍是一個必須面對的問題;
�、诰葐栴}：由于分層制造存在“臺階效應”，每個層次雖然很薄，但在一定微觀尺度下，仍會形成具有一定厚度的一級級“臺階”，如果需要制造的對象表面是圓弧形，那么就會造成精度上的偏差;
�、鄄牧系木窒扌裕耗壳肮�3D打印機使用的材料非常有限，無外乎石膏、無機粉料、光敏樹脂、塑料等，能夠應用于3D打印的材料還非常單一，以塑料為主，并且打印機對單一材料也非常挑剔。
4.3D打印技術在高分子材料中的應用
1. 高分子原材料的種類
作為3D打印的重要環(huán)節(jié)，材料方面也是起到舉足輕重的作用的，目前常用的3D打印高分子材料有聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯和ABS等。在光固化立體印刷中的齊聚物的種類繁多，其中應用較多的主要包括如聚氨酯丙烯酸樹脂、環(huán)氧丙烯酸樹脂、聚丙烯酸樹脂以及氨基丙烯酸樹脂。
2. 常見應用工藝
目前應用較多的3D打印高分子材料技術主要包括光固化立體印刷(SLA)、熔融沉積成型( FDM)、選擇性激光燒結(SLS)等。
5.光固化立體印刷
光固化3D打印(SLA)工作原理與噴墨打印類似，在數(shù)字信號的控制下，噴嘴工作腔內(nèi)的液體光敏樹脂在瞬間形成液滴，在壓力作用下噴嘴噴出到指定的位置，然后通過紫外光對光敏樹脂固化，固化后逐層堆積，得到成形零件。成形過程如下：首先根據(jù)零件截面的形狀，控制打印噴頭沿X、Y軸運動，在既定截面的相關實體區(qū)域打印實體材料，在支撐區(qū)域打印支撐材料，并在紫外光的照射下進行固化，然后打印平臺沿Z軸下降一定高度，噴頭接著打印固化下一層，如此逐層打印固化直至工件的完成，最后除去工件中的支撐材料即可獲得所需的工件。
光固化3D打印材料由光固化實體材料與支撐材料組成，其中支撐材料根據(jù)其固化方式不同又可分為相變蠟支撐材料和光固化支撐材料。光固化支撐材料通常俗稱光敏樹脂，主要由齊聚物、反應性稀釋劑(活性單體)、光引發(fā)劑以及其它助劑組成。國外由于起步較早，并且3D打印機能夠為光敏樹脂的研究提供實驗器材的支持，因而國外在3D打印光敏樹脂做的較為成熟。目前國外做的最好的就是以色列OBJET公司以及美國的3DSystems公司，這兩個公司占據(jù)了絕大部分3D打印光敏樹脂的市場。但是這些公司把光敏樹脂作為核心技術，成果很少對外公布，并且將這些光敏樹脂與其生產(chǎn)的光固化3D打印機捆綁銷售。
6. 光固化3D打印原理圖
光固化立體印刷制備生物可降解支架材料的高分子原料包括光敏分子修飾的聚富馬酸二羥丙酯(PPF)聚(D，L-丙交酯)(PLA)聚( -己內(nèi)酯)(PCL)、聚碳酸酯、以及蛋白質(zhì)多糖等天然高分子. 為了降低液態(tài)樹脂原料的黏度，還需要加入小分子的溶劑或稀釋劑，常用的如可參與光聚合反應的富馬酸二乙酯(DEF)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)，以及不參與聚合反應的乳酸乙酯，該技術獲得的3D成型材料具有可調(diào)控的孔尺寸孔隙率貫通性和孔分布。
7.熔融沉積成型
熔融沉積成型( FDM) 是采用熱熔噴頭，使得熔融狀態(tài)的材料按計算機控制的路徑擠出沉積，并凝固成型，經(jīng)過逐層沉積凝固，最后除去支撐材料，得到所需的三維產(chǎn)品(圖2 )。FDM技所使用的原料通常為熱縮性高分子，包括ABS、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等.該技特點是成型產(chǎn)品精度高表面質(zhì)量好成型機結構簡單無環(huán)境污染等，但是其缺點是操作溫度較高。
近年來，利用FDM技術制備生物醫(yī)用高分子材料也受到越來越多的重視，尤其是以脂肪族聚酯為原料制備生物可降解支架材料，取得了相當多的進展。材料的性質(zhì)受到壓力梯度熔體流速溫度梯度等影響，聚酯與無機粒子的復合物也能用于熔融沉積成型制備3D支架材料。
8.選擇性激光燒結
選擇性激光燒結(SLS)是采用激光束按照計算機指定路徑掃描，使工作臺上的粉末原料熔融粘結固化。當一層掃描完畢，移動工作臺，使固化層表面鋪上新的粉末原料，經(jīng)過逐層掃描粘結，獲得三維材料。與SLA技術通過紫外光逐層引發(fā)液態(tài)樹脂原料發(fā)生聚合或交聯(lián)反應不同，SLS技是通過激光產(chǎn)生高溫使粉末原料表面熔融相互粘結來形成三維材料。SLS技術常用的原料包塑料陶瓷金屬粉末等。其優(yōu)點是加工速度快，無需使用支撐材料，但缺點是成型產(chǎn)品表面較糙，需后處理，加工過程中會產(chǎn)生粉塵和有毒氣體，而且持續(xù)高溫可能造成高分子材料的降解，及生物活性分子的變形或細胞的凋亡，該技術不能用于制備水凝膠支架。以生物可降解高分子為原料，利用SLS技術，也是制備外部形態(tài)和內(nèi)部結構可控3D醫(yī)用高分子材料的有效途徑。對支架性能產(chǎn)生影響的主要參數(shù)包括顆粒尺寸激光能量激光掃描速率部分床層溫度等。
9.3D打印技術高分子材料的應用行業(yè)介紹
(1)機械制造：3D打印技術制造飛機零件、自行車、步槍、賽車零件等。
(2)醫(yī)療行業(yè)：在醫(yī)學領域，借助3D打印制作假牙，股骨頭、膝蓋等骨關節(jié)技術應用也非常廣，技術越來越成熟。
(3)建筑行業(yè)：工程師和設計師們已經(jīng)接受了用3D打印機打印的建筑模型，這種方法快速、成本低、環(huán)保，同時制作精美，完全合乎設計者的要求。同時又能節(jié)省大量材料。
(4)汽車制造行業(yè)：用3D打印技術為汽車公司制造自動變速箱的殼體。汽車公司會對變速箱進行各種極端狀況下的測試，其中一些零件就是用3D打印方法做的。定型了以后，再開模具，然后按照傳統(tǒng)制造方法批量生產(chǎn).這樣成本就會大大降低。
3D打印技術代表制造業(yè)發(fā)展新趨勢，它和其他一些數(shù)字化生產(chǎn)模式的涌現(xiàn)將推動實現(xiàn)第三次工業(yè)革命�？梢猿浞謶酶叻肿硬牧系某尚图夹g中，制備復雜的一體化高分子材料器件，高分子醫(yī)用行業(yè)將成為3D打印技術帶來發(fā)展機遇，同時高分子材料將為3D打印技術提供輕質(zhì)、高強、耐腐蝕的特點。
10.限制因素
10.1.材料的限制
3D打印胚胎干細胞雖然高端工業(yè)印刷可以實現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印， 但無法實現(xiàn)打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，打印機也還沒有達到成熟的水平，無法支持日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。
研究者們在多材料打印上已經(jīng)取得了一定的進展，但除非這些進展達到成熟并有效，否則材料依然會是3D打印的一大障礙。
10.2.機器的限制
3D打印技術在重建物體的幾何形狀和機能上已經(jīng)獲得了一定的水平，幾乎任何靜態(tài)的形狀都可以被打印出來，但是那些運動的物體和它們的清晰度就難以實現(xiàn)了。這個困難對于制造商來說也許是可以解決的，但是3D打印技術想要進入普通家庭，每個人都能隨意打印想要的東西，那么機器的限制就必須得到解決才行。
10.3.知識產(chǎn)權的憂慮
在過去的幾十年里，音樂、電影和電視產(chǎn)業(yè)中對知識產(chǎn)權的關注變得越來越多。3D打印技術也會涉及到這一問題，因為現(xiàn)實中的很多東西都會得到更 加廣泛的傳播。人們可以隨意復制任何東西，并且數(shù)量不限。如何制定3D打印的法律法規(guī)用來保護知識產(chǎn)權，也是我們面臨的問題之一，否則就會出現(xiàn)泛濫的現(xiàn)象。
10.4.道德的挑戰(zhàn)
3D打印槍械[14]道德是底線。什么樣的東西會違反道德規(guī)律是很難界定的，如果有人打印出生物器官和活體組織，在不久的將來會遇到極大的道德挑戰(zhàn)。
10.5.花費的承擔
3D打印技術需要承擔的花費是高昂的。第一臺3D打印機的售價為1萬5。如果想要普及到大眾，降價是必須的，但又會與成本形成沖突。
每一種新技術誕生初期都會面臨著這些類似的障礙，但相信找到合理的解決方案3D打印技術的發(fā)展將會更加迅速，就如同任何渲染軟件一樣，不斷地更新才能達到最終的完善。
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