3D列印

維基百科，自由的百科全書

 

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%89%E7%BB%B4%E6%89%93%E5%8D%B0

 

3D列印（英語：3D printing），即快速成形技術的一種，它是一種數位模型檔案為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，透過逐層列印的方式來構造物體的技術。過去其常在模具製造、工業設計等領域被用於製造模型，現正逐漸用於一些產品的直接製造。特別是一些高價值應用（比如髖關節或牙齒，或一些飛機零部件）已經有使用這種技術列印而成的零部件。「3D列印」意味著這項技術的普及。
3D列印通常是採用數位技術材料印表機來實作。這種印表機的產量以及銷量在二十一世紀以來就已經得到了極大的增長，其價格也正逐年下降。^[1]
該技術珠寶，鞋類，工業設計，建築，工程和施工（AEC），汽車，航空太空^[2]，牙科和醫療產業，教育，地理訊息系統，土木工程，槍枝以及其他領域都有所應用。


歷史
早期的3D列印的例子發生在20世紀80年代，雖然那時的3D列印機是大型的，昂貴的，所能製造的產品可能非常有限。^[3]

• 在1980年代，熱溶解積壓成形(Fused Deposition Modeling，FDM)技術由S. Scott Crump開發成功，並在1990年代商業化。^[4]

• 在1980年代中期，SLS被在美國德州大學奧斯汀分校的卡爾Deckard博士開發出來並獲得專利，項目由DARPA贊助的^[5]。1979年，類似過程由RF Housholder得到專利，但沒有被商業化。^[6]

• 在1987年，Chuck Hull發明的Stereolithography(立體光刻工藝)被授予了專利。

• 1995年在麻省理工學院創造了「3D列印」術語，當時的畢業生Jim Bredt和Tim Anderson修改了噴墨印表機方案，變為把約束溶劑擠壓到粉末床，而不是把墨水擠壓在紙張上的方案。該專利隨之而來的是現代的3D列印企業Z公司（Bredt和Anderson創立）和ExOne公司

術語
由於物品透過材料一層層的累積被列印出來，該技術也被稱為累積製造（Additive manufacturing）。


一般原理
3D設計
3D列印的設計過程是：先透過電腦輔助設計（CAD）或電腦動畫建模軟體建模，再將建成的3D模型「分割」成逐層的截面，從而指導印表機逐層列印。
設計軟體和印表機之間協作的標準檔案格式是STL檔案格式。一個STL檔案使用三角面來近似類比物體的表面。三角面越小其生成的表面解析度越高。PLY是一種透過掃描產生的3D檔案的掃描器，其生成的VRML或者WRL檔案經常被用作全彩列印的輸入檔案。

3D模型的分割

列印過程
印表機透過讀取檔案中的橫截面訊息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地列印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而製造出一個實體。這種技術的特點在於其幾乎可以造出任何形狀的物品。
印表機打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的解析度是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分印表機如Objet Connex 系列還有3D Systems' ProJet 系列可以列印出16微米薄的一層。而平面方向則可以列印出跟雷射印表機相近的解析度。列印出來的「墨水滴」的直徑通常為50到100個微米。 用傳統方法製造出一個模型通常需要數小時到數天，根據模型的尺寸以及複雜程度而定。而用3D列印的技術則可以將時間縮短為數個小時，當然其是由印表機的效能以及模型的尺寸和複雜程度而定的。
傳統的製造技術如注塑法可以以較低的成本大量製造聚合物產品，而3D列印技術則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。一個桌面尺寸的3D印表機就可以滿足設計者或概念開發小組製造模型的需要。


完成
目前3D印表機的解析度對大多數應用來說已經足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像影像上的鋸齒一樣），要獲得更高解析度的物品可以透過如下方法：先用當前的3D印表機打出稍大一點的物體，再稍微經過表面打磨即可得到表面光滑的「高解析度」物品。
有些技術可以同時使用多種材料進行列印。有些技術在列印的過程中還會用到支撐物，比如在列印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易於除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。



技術
許多相互競爭的技術是可用的。它們的不同之處在於以不同層構建建立部件，並且以可用的材料的方式。一些方法利用熔化或軟化可塑性材料的方法來製造列印的「墨水」，例如：選擇性雷射燒結（selective laser sintering，SLS）和混合沉積建模（fused deposition modeling，FDM），還有一些技術是用液體材料作為列印的「墨水」的，例如：立體平板印刷（stereolithography，SLA）、分層實體製造（laminated object manufacturing，LOM）。每種技術都有各自的優缺點，因而一些公司會提供多種印表機以供選擇。一般來說，主要的考慮因素是列印的速度和成本，3D印表機的價格，物體原型的成本，還有材料以及色彩的選擇和成本。
可以直接列印金屬的印表機價格昂貴。有時候人們會先使用普通的3D印表機來製作模具，然後用這些模具製作金屬部件。

累積技術	基本材料
選擇性雷射燒結（selective laser sintering，SLS）	熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末
直接金屬雷射燒結（Direct metal laser sintering，DMLS）	幾乎任何合金
熔融沉積成型（fused deposition modeling，FDM）	熱塑性塑料, 共晶系統 金屬、可食用材料
立體平版印刷（stereolithography，SLA）	光硬化樹脂（photopolymer）
數位光處理（DLP）	液態樹脂
熔絲製造（Fused Filament Fabrication，FFF）	聚乳酸（PLA）、ABS樹脂
融化壓模（Melted and Extrusion Modeling，MEM）	金屬線、塑料線
分層實體製造（laminated object manufacturing，LOM）	紙、金屬膜、塑料薄膜
電子束熔化成型（Electron beam melting，EBM）	鈦合金
選擇性熱燒結（Selective heat sintering，SHS）	Thermoplastic powder
粉末層噴頭3D列印（en:Powder bed and inkjet head 3d printing，PP） 世界範圍的快速原型成型技術   奧迪公司（Audi）使用快速成型技術的KUKA機器人來製造的Audi RSQ汽車     印表機 家用印表機 RepRap 2.0 版本 孟德爾(Mendel)印表機 MakerBot Cupcake CNC 印表機 Airwolf 3D AW3D v.4 (Prusa)印表機 有幾個項目和公司努力開發在很多家庭可以負擔得起的價格的適合桌上型電腦使用的3D印表機，其中有許多是相關的。這項工作的推動，並有針對性地DIY/發燒友/早期採用者社群的學術和駭客社群的連結。 RepRap3D印表機是一個在桌面類的執行時間最長的項目。 RepRap項目的目的是產生一個自由和開放原始碼軟體（FOSS）的3D印表機，其規格在GNU通用公共許可證下發行的，並可以列印自己的部分（列印件），以創造更多的機器。截至2010年11月，RepRap可以列印塑料件，並要求電機，電子和一些金屬支撐棒來完成。[來源請求]列印印刷電路板，以及金屬部件的裝置正在研究中。一些公司和個人出售部分建立不同的RepRap設計，開始於2012年的價格約€400 / US$500。[7] 由於RepRap具有的開放原始碼軟體的目的，許多相關的項目都用它的設計中獲取靈感，創造一個生態系統的許多相關的或衍生的3D印表機，其中大部分也是開源設計。這些開源設計的可用性意味著，發明3D印表機的變體很容易。但是，不同的印表機設計的質量和複雜性不同，套件或成品的質量也良莠不齊。這種快速發展的開源3D印表機的正在得到越來越多的關注，無論是已開發國家和發展中國家都在大量客製和設計，因為它可以透過管道在公共領域使用，如Thingiverse製作的適當開源的技術。這項技術也可以協助在可持續發展，這種技術很容易在當地取得資源，因此十分經濟，以滿足他們的需求。 開放原始碼的Fab@Home項目一般使用的印表機，可以使用一個噴嘴做出任何產品，從巧克力到矽密封劑和化學反應物。印表機可以從供應商的工具包項目的設計或組裝的形式，在2012年該地區的價格是2000美元。[7] 許多這些印表機以套件形式提供的，還有一些是完全組裝好的形式。 完全組裝好的Solidoodle2，一個6x6x6英寸的印表機的價格為US$499。印表機套件的價格從400美元為開源SeeMeCNC H-1，500美元的Printrbot，這兩者都是來自以前的RepRap印表機的衍生模型，到超過2000美元的Fab@Home的2.0雙注射器系統。 [編輯] 商用和家用印表機 開發和能超級自訂的的基於RepRap的3D印表機製作了一類新的印表機，適用於住宅及商業用途。最便宜的組裝印表機是Solidoodle 2，而RepRapPro的的DIY套件售價為680美元左右，是最便宜的和最可靠的。還有其他的進階工具包和完全組裝好的機器，是基於RepRap的機器增強型號，能以高速和高清晰度來列印。根據不同的應用，列印解析度和速度的的程度介乎個人印表機和工業印表機之間。印表機的價格和其他訊息的清單被人維護[7]。大部分最近的delta robots已經用於3D列印來進一步的增加製造的速度。[8] [編輯] 應用 模型 (左) 被3D scanner數位化, 掃描的資料經過MeshLab處理, 並且用3D model生成快速原型機器製造樹脂複製品(右) 3D列印的限量版首飾的例子。這個項鏈是由玻璃纖維填充的染色尼龍。它具有的旋轉連結和其他部件都用了相同的製造步驟。攝影: Atelier Ted Noten [編輯] 工業應用 [編輯] 快速成型 主條目：快速成型 在20世紀80年代初以來，工業的3D印表機已經存在，並已廣泛用於快速成型設計和研究目的。這些通常是較大的機器，使用專有的金屬粉末，鑄造介質（如沙子），塑料或磁帶，並用於許多快速原型使用的大學和商業公司。製造工業用3D印表機的公司包括 Objet Geometries，Stratasys，3D System和Z Corporation公司。 [編輯] 快速製造 在快速成型技術的進步所帶來的使用材料用於最終製造的能力。在材料的使用這些技術進步帶來的直接生產成品元件的前景。3D列印技術的優勢在於相對廉價的生產少量的零件快速製造。 民用和愛好者用 本章節需要擴充 (May 2012) 3D列印服務 有些公司提供網上線上的3D列印服務，既對消費者也對工業界開放。人們上傳自己的3D設計到3D列印服務公司網站，設計被透過工業的3D印表機列印後運到客戶。3D列印服務公司的一些例子是Shapeways，Kraftwurx，i.materialise 和 Freedom Of Creation。 MakerBot工業的Thingiverse允許共享的3D列印檔案和作為一個社群資源。 [編輯] 新應用的研究 其他應用程式將包括創造開放原始碼的科學裝置[9] ，或用於其他科學為基礎的應用程式，例如重建的古生物化石，複製古老而珍貴文物，重建骨骼和身體各部位的法醫病理學，和重建嚴重受損的來自於犯罪現場調查的證據。