——3D打印機(jī)的技術(shù)原理分析與設(shè)計(jì)產(chǎn)品技術(shù)分析報(bào)告——3D打印機(jī)3D打印機(jī)，即快速成形技術(shù)的一種機(jī)器，它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)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(gòu)造物體的技術(shù)。發(fā)展歷史水?dāng)D壓在紙張上的方案。3D打印帶來了世界性制造業(yè)革命，以前是部件設(shè)計(jì)完全依賴于生產(chǎn)工藝能否實(shí)現(xiàn)，而3D打印機(jī)的出現(xiàn)顛覆這一生產(chǎn)思路，使得企業(yè)在生產(chǎn)部件的時(shí)候不再考慮生產(chǎn)工藝問題，任何復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)均可以通過3D打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)。它無需機(jī)械加工或模具，就能直接從計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域建筑設(shè)計(jì)業(yè)米可安置在廢棄集裝箱內(nèi)。一位83歲的老人由于患有慢性的骨頭感染，因此換上了由3D打印機(jī)“打印”出來的下顎骨，這是世界上首位使用3D打印產(chǎn)品做人體骨骼的案例。據(jù)國外媒體報(bào)道，在不久的將來外科醫(yī)生們或許就將可以在手術(shù)中現(xiàn)場利用打印設(shè)備打印出各種尺寸的骨骼用于臨床使緊鑼密鼓地測試之中。音樂行業(yè)為一個(gè)表演項(xiàng)目，它還一邊播放古典音樂一邊相應(yīng)地打印出可視化的音樂作品。3D打印機(jī)可以根據(jù)零件的形狀，每次制做一個(gè)具有一定微小厚度和特定形狀的截面，然后再把它們逐層粘結(jié)起來，就得到了所需制造的立體的零件。每個(gè)截面數(shù)據(jù)相當(dāng)于醫(yī)學(xué)上的一張CT像片；整個(gè)制造過程可以比喻為一個(gè)"積分"的過是"分層制造、逐層疊加"。這種工藝可以形象地叫做"增長法"或"加法"。首先得通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）或計(jì)算機(jī)動畫建模軟件建模，再將建成的三維模把三維模型“切片”系統(tǒng)金屬等可迅速固化的材料。水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實(shí)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(huán)利用。材料，不僅對固化反應(yīng)速度有要求，對于模型強(qiáng)度以及“打印”分辨率都有直接影響。3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)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由于打印精度高，打印出的模型品質(zhì)自然不錯(cuò)。除了可以表現(xiàn)出外形曲線上的設(shè)計(jì)，打磨、鉆孔、電鍍等方式進(jìn)一步加工。同時(shí)粉末材料不限于砂型材料，還有彈性伸縮、高性能復(fù)合、熔模鑄造等其它材料可供選擇。MakerIII——設(shè)計(jì)師專用3D打印機(jī)iMakerIII3D打印機(jī)系列是專為設(shè)計(jì)師和藝術(shù)家MakerIII3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示Z軸為精度更高的螺桿傳動。步進(jìn)電機(jī)控制螺桿轉(zhuǎn)動，更加精確地提升基板。電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動皮帶與X軸上的齒輪軸。齒輪軸傳導(dǎo)帶動X軸方向皮帶。皮帶上的齒輪控制連桿沿X軸運(yùn)動。Y軸運(yùn)動方式與X軸相同。主電路板采用標(biāo)準(zhǔn)的主電路板采用標(biāo)準(zhǔn)的PC電源接口，所有步進(jìn)電機(jī)控制電路板和噴頭控制電路板所需的控制信號都由主電路板發(fā)出。玻璃纖維的材料，耐高溫材料和導(dǎo)電材料。橡膠件由乙丙橡膠，丁腈膠，天然橡膠，加硫化劑和發(fā)泡劑原料做成。其他材料（彈簧，密封圈……等）與普通打印機(jī)一樣。下面主要介紹一下膠合板和氮化鋼這兩種材料。膠合板MakerIII3D打印機(jī)外部框架主要使用了膠合板這種材質(zhì)。膠合板是由木段旋切成單板或由木方刨切成薄木，再用膠粘劑膠合而成的三層或多層的板狀材料，通常用奇數(shù)層單板，于其結(jié)構(gòu)的合理性和生產(chǎn)過程中的精細(xì)加工，可大體上克服木材的缺陷大大改善和提高木材的物理力學(xué)性能，膠合板生產(chǎn)是充分合理地利用木材、改善木材性能的一個(gè)重要方法。MakerIII3D打印機(jī)大量使用膠合板，膠合板強(qiáng)度大，抗彎性能好，在一些需要承重的結(jié)構(gòu)部位，能夠很好地承重但又減輕打印機(jī)自身的重量，降低制作打印機(jī)的成本。氮化鋼MakerIII3D打印機(jī)中螺桿使用的材質(zhì)是氮化蝕、并具有高強(qiáng)度和良好的切削加工性能，以氮化鋼為主要材料的螺桿綜合性能比較優(yōu)異，應(yīng)用比較廣泛。一般氮化層達(dá)0．4—0．6毫米。但這MakerMakerIII3D打印機(jī)可支持ABS塑料、PLA塑料等，下面以PLA塑料為例。PLA是生物降解塑料聚乳酸的英文簡寫聚乳酸也稱為聚丙交酯(polylactide)，屬于聚酯家族。聚乳酸是以乳酸為主要原料聚合得到的聚合物，原料來源充分而且可以再生,主要中的循環(huán)，因此是理想的綠色高分子材料。聚乳酸的熱穩(wěn)定性好，加工溫度170～230℃,有好的抗溶劑性，可用多種方式進(jìn)行加工，如擠壓、紡絲、雙軸拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的產(chǎn)品除能生物降解外，生物相容(建筑、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、造紙)和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。經(jīng)過溫度高達(dá)210℃的高溫噴頭，噴出直徑為0.04—0.4mm的細(xì)絲。3D打印機(jī)噴頭，配有加熱器、風(fēng)扇、耗材輸入口。通過步進(jìn)電機(jī)控制高溫噴頭沿通過步進(jìn)電機(jī)控制高溫噴頭沿x、y、z軸運(yùn)動，將融化后的PLA塑料絲噴在110℃輸出基板上，將輸出模型的底板固定，然后開始逐層打印。SAL：立體光刻造型技術(shù)、立體光固化成型法另一個(gè)層面。這樣層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。CAD數(shù)字模型直接制成原型，加工速度快，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，無需切削工具與模具?？梢约庸そY(jié)構(gòu)外形復(fù)雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具。使CAD數(shù)字模型直觀化，降低缺陷：SLA系統(tǒng)造價(jià)高昂，使用和維護(hù)成本過高并且要對液體進(jìn)行操作的精密設(shè)備，預(yù)處理軟件與驅(qū)動軟件運(yùn)算量大，與加工效果關(guān)聯(lián)性太高。軟件系統(tǒng)操作使用的文件格式不為廣大設(shè)計(jì)人員熟悉。FDM：中文名稱熔融沉積成型工作臺沿豎直方向移動。這樣擠出的材料與前一個(gè)層面熔結(jié)在一起，一個(gè)層面沉積完成后，工作臺按預(yù)定的增量下降一個(gè)層的厚度，再繼續(xù)熔融沉積，直至完成整個(gè)實(shí)體造型。FDM工藝使用兩種材料：一種是沉積實(shí)體部分的成型材料;另一種是沉積空腔或懸臂部分的支撐優(yōu)勢：這種技術(shù)成型精度更高、成型實(shí)物強(qiáng)度更高、可以彩色成型。缺陷：成型后表面粗糙，目前不適合高精度的應(yīng)用。斷重復(fù)鋪粉、燒結(jié)的過程，直至完成整個(gè)模型成型。以直接燒結(jié)金屬零件，也可以間接燒結(jié)金屬零件，最終成品的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他3D打印技法承受，所以目前應(yīng)用范圍主要集中在高端制造領(lǐng)域，而目前尚未有桌面級SLS3D打印機(jī)開發(fā)的消息，要進(jìn)入普通民用領(lǐng)域，可能還需要一段時(shí)間。技術(shù)原理：該技術(shù)通過使用液態(tài)連結(jié)體將鋪有粉末的各層固化，以創(chuàng)建三維實(shí)體原型。通過將液態(tài)連結(jié)體鋪放在粉末薄層上，逐層創(chuàng)建各部件。與2d平面打印機(jī)在打印頭下送紙注釋并標(biāo)記設(shè)計(jì)更改，以便進(jìn)一步增強(qiáng)模型樣品所傳遞的信息值。優(yōu)勢：成型速度快，成型材料價(jià)格低，適合做桌面型的快速成型設(shè)備。在粘結(jié)劑中添加粉末的去除比較方便，特別適合于做內(nèi)腔復(fù)雜的原型。另外此技術(shù)最大優(yōu)點(diǎn)是能直接打印彩缺陷：強(qiáng)度較低，只能做概念型模型，而不能做功能性試驗(yàn)。料及工藝是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的物質(zhì)技術(shù)條件，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提。設(shè)計(jì)作為學(xué)習(xí)工業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)生，我們都有著天馬行空的想象，希望通過自己的努力實(shí)現(xiàn)。但在從草圖到模型的過程中，我們的設(shè)計(jì)很多的時(shí)候不僅要考慮到它的造型是否美觀，更重要慮到社會環(huán)境與它之間相互的影響。任何一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，只有與選用材料的性能特點(diǎn)及其加工工藝性能相一致，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的目的和要求。當(dāng)我們的設(shè)計(jì)脫離了現(xiàn)有技術(shù)范圍即使再美得令人驚嘆也是無法實(shí)現(xiàn)的。材料作為一個(gè)包括產(chǎn)品一人一環(huán)境的系統(tǒng)，以其自身的特性影響著產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不僅保