淺談3D打印技術

趙 晶

本文分析了當前3D打印的結構作出相對應的解析，解決相對應的問題，從而得出發展趨勢。

在這數字化的信息時代，以數字為主圖形影像為輔而構成的世界，在源源不斷地創造新的產物，無論是新舊時代的演變或是想象中的未來紀元，都在當前扮演著不同的角色，締造著無限未知的可能性。而想要將這些元素一一具現化離不開圖形的繪制、影像的錄制，以便人們得到視覺的沖擊，但這還不能滿足當前人們心中所想要真正意義上的具現化，或許大家沒注意到在這世界的某一區域誕生的新興產物3D打印技術正如同蒲公英一樣開花，隨風播種散落致世界的各個角落悄生萌芽。

1 3D打印的介紹

定義：

快速成形技術中3D打印較為獨特，使用粉末狀塑料或金屬等可粘合性材料，通過建高樓的多層打印方式快速打印，來構造零部件。常用此技術在模具制造、工業設計建造模型，目前正在向產品制造發展，形成“直接數字化制造”。

發展歷程：

在1980年左右時期的美國誕生了3d打印技術，在當時3d打印機構造非常昂貴而且復雜。歷經20多年的發展，技術終于慢慢成熟，形成小型化機器，從二十一世紀至今3d打印機的銷售逐步增大，價格也隨之下降，并從最開始面向制造業等大型工業用戶，漸漸滲透到各行個業，近開始幾年向個人戶家庭等領域消費擴張?，F今，3d打印的產業鏈基本成熟成型逐漸商業模式化。

應用領域：

當前，在軍工、航天、醫學、建筑、汽車、電子、服裝、動漫周邊、珠寶首飾等領域已經得到廣泛應用。

優點：

在高端的定制產品中3d打印技術能夠快速生產，同樣也可以在用電腦建模的基礎上進行生產

幾乎任意復雜的零部件從而脫離模具或工具，將生產效率和制造柔性巨大化。

2 3D打印機的相關應用及組成

（1）軟件應用：3D Slash、Tinker CAD、Free CAD、Sketch UP、Net Fabb、Repetier。

（2）系統運轉模塊：x-y-z運動系統、噴頭結構、數字模塊、成型環境模塊。

（3）機體組成部件：

成型工作缸：在工作缸里面構造零部件，缸的每次下沉所產生的距離就是每層的厚度。零部件構造完成之后，工作缸上升，方便拿取構造完成的零部件同時為下次構造零部件給予時間準備。在滾珠絲桿的驅使下伺服電機控制缸的升降。

送料工作缸：為打印機提供打印機所需要的粉末材料。

余料回收袋：位置分布在成型機殼內，將多余的或廢棄的粉末材料回收。

鋪粉輥裝置：蘊含驅動系統，其作用是用鋪粉輥將粉末材料平整地鋪在工作缸上，并同時將粉末材料碾平結實。

噴頭：在工作的時候釋放黏合劑，黏合在工作缸里面注射構型不同層次的粉末材料，是3D打印機打印成品的重要組成部件。

x-y-z三維傳動系統：工作噴頭在小車的作用下沿著x軸和y軸的方向進行二維平面運動，成型與供料工作缸在機器的驅使下沿著z軸方向進行上升下降運轉。

機身和機殼：機身如同人體骨架為整體搭載結構起到支撐作用從而能夠相關工作，機殼即為保護作用同時能提供相關環境利于機體長時間工作。

（4）運作流程：由電腦應用軟件將文件傳輸到3D打印機中，3D打印機接收指令進行相關步驟的運轉，將已經準備妥當的材料熔融，利用x-y-z三維傳動系統搭載空間結構，由噴嘴噴涂在工作臺上一層一層的疊加，直至指令完成打印完畢才能停止工作。

3 3D打印技術性研究

3D打印是每層在每層前一層的基礎上構造的。所以，基礎的強度和耗材用的量，與平衡有著莫大的關系。假設基礎不結實，那么層與層之間，就會出現孔洞與間隙等一系列問題。特別是在尺寸變化的邊角處最易出現（比如，在一個60mm的平臺基礎上打印一個30mm的物品）。打印切換更小尺寸時，要保正有足夠的基礎結構來支持30mm物品的邊墻站立。導致基礎不牢的原因，通常有這幾個：

（1）邊沿數量不足：明顯增強它的承重基礎是為了打印件增加更多輪廓的外沿。通常打印件里面的中心位置是空心的，而外沿墻的厚薄，對其影響很大。壁厚設置在基本設置的里面，壁厚設置是噴嘴的倍數存在，如果你的噴嘴是0.6mm大小，那么壁厚就需設置在1.2mm至2.4mm之間，如果從剛開始設置1.2mm壁厚，但打印的模型外壁就會出現孔洞，那么就可以適當的覆蓋一層或兩層來改善壁厚，一般合適的壁厚是在1.8mm，這樣的話時間既不會太長，也不會有孔洞出現在打印出來的模型上。

（2）頂層實心層數不足：還有一個比較常見的，致使基礎構造不牢的原因是，實心填充層在打印頂層時數量不足。上壁過薄，無法使它充分支撐上面打造的結構。想要修改這個設置，就需在基本-填充-底層與頂層厚度中設置，假設之前設置的是1.2mm的厚度但還是有這樣的孔洞在模型上，那么就可以把底層與頂層厚度設置在1.2mm至2.4mm，只有這樣才能迫使頂層和底層更加牢靠。

（3）填充率太低：最后需要檢查的設置是填充率，它在“切片設置”下方或者在“填充”標簽頁下，借助滑動條來控制。在頂層填充上面是建造實心頂層的，所以需要借助足夠的填充來支撐這些層。例如，此前的設置填充率是百分之30，試試上升到百分之60，試試是否改善了打印質量。

3D打印件每打一次構造一個層。意味每層都是獨立的個體，噴嘴是可以在平臺的任意位置自由移動，而目前打印件繼續在下方構造中。就會看到噴嘴在前一層表面移動時，留下的痕跡，所以在打印件的表面最容易看到。這種疤痕一般是在噴嘴移動到新的位置過程時所產生的。3D打印頂層表面疤痕如何解決：

（1）擠出塑料過多：第一必須確定的是，當前所用的擠出機，有沒有擠出過多的材料。假設產生過多的耗材，每層做的需要比預設的要厚。這就說明了，當噴嘴在每層表面上移動時，它很有可能會把之前過度擠出的耗材拖拽出來。一定要檢查有沒有擠出過多耗材，在瀏覽檢查其它設置前。

（2）垂直抬升（Z抬升）：假如確認耗材在擠出機擠出的量是合適的量，卻還是碰到在上表面有噴嘴拖拽的痕跡，就必須要看看CURA中的垂直抬升設置。點開這個選項，噴嘴運動時在打印層上面運動前，抬高一定距離。當它達到指定位置時，噴嘴就會復位到原來的高度，準備再次打印。為避免打印件的上表面被噴嘴刮傷，可以向上移動一定的高度。想要開啟這項功能，需點擊工具再打開專家設置最后在耗材回退里有個“回退時Z軸抬起高度”，通常設置在0.5mm左右就行。假設，輸入0.5mm，在移動到一個新位置前，噴嘴將抬升0.5mm抬升只會在回抽動作時發生。

4 3D打印技術現存的問題

目前能完美匹配3D打印特征的領域，相對其他工業還是比較少，就單技術而言技術上的限制很多。

一是材質：材質的種類繁多，對于不同的產品選出相對應合適的材料較為麻煩，更別提生產時所需要的黏合劑。而減法工藝只需要符合產品的材質無需黏合劑，但同時也有不方便的地方，例如產品出現問題3d打印所浪費的材料要比減法工藝輕許多，制作方式便攜不需要回廠重新鑄造。

二是速度：從速度來講，目前的3D打印技術無論從哪個方面都沒辦法與成熟的減法工藝進行比較。因為減法工藝相對比較加法工藝的步驟不繁瑣要簡單一點，不需要考慮其他方面如材料的黏合劑，所以無法快速的呈現在普通民眾眼前。

三是數量：3D打印機是針對個體戶所開發的應用產品，所需要的材料無需進行量產，這是它的優勢同時也是劣勢。因為這一優勢滿足了個體戶的需求但個體戶不滿足需要量產亦或其他個體戶也有這種需求供不應求。時間不許數量不夠，也沒有相關企業及廠商提供人力、物力、財力，反之減法工藝同樣遇到相反的問題；所以目前的3D打印所適應的市場只能用于個體戶少需求的項目或者重點項目強后臺的供應方，如醫療科技、學院科研教學、國防科技等等。就拿2021年3月20日的考古研究來說，為保護三星堆文物采用3D打印技術做出文物模具，以便在銅尊表面覆蓋保護套確保文物正常安全的出土；這是3D打印技術第一次用于考古挖掘，從兩者角度來講都是一種進步。

不論哪種成形方式，都是聚沙成塔的加工方式，其性能對比減法成形有一定差距排除重量方面。不過，這不是主要問題，在這幾點方面上的限制，我是保持積極樂觀態度的看待，隨著今后技術的發展，這些問題遲早會完美解決。而真正影響3D打印發展是所謂的“定制”產出。即便解決了以上問題，3D打印也仍然不過是當代工業的某種加工形式，和所謂的減法加工也沒什么不一樣。就目前而言基本不會出現工業的大變革，在我們現在能看到的這一段時間內，影響不會明顯。所以當前最大的限制就是定制的所需要的資金等于設計成本。

總結：大眾在精神消費的需求下，伴隨著社會的快速發展日益變多。愿意為自已的興趣、愛好花錢，在非生活必需品上花下更多金錢的人慢慢增多?？萍?、游戲、動漫、影視...... 各類多元化角色都擁有為其買單的粉絲，生產售賣相關周邊產品如手辦、模型、生活用具等等，對于動漫周邊產品或紀念物，人們都有一些獨到性的想法，產品的更新速率較快，這就導致對產品模具種類的需求量變大。如果不改變還是用傳統的大批量開模生產的方式去制造這種個性化產品的話，明顯更不合適。

所以，想要更好滿足這種需求的3D打印生產方式，就得在這個領域開辟更多的市場空間。3D打印制作模具獨特性、成本低，適合制作各種周邊這樣具有獨特性需求搞生產少的產品?，F如今就有許多商家不再售賣具體的IP周邊商品，而是根據客戶要求私人定制的模型數據，客戶獲得這些數據后用自家的3D打印機打印出來。隨著3D打印技術更進一步的拓展應用，以上說明更高度的個性化、定制化、精細化IP周邊市場就會隨之打開。

致謝：感謝大學三年任課教師及其指導員的陪伴，在老師的精心指導下讓我充分的學到了有趣的知識，同時感謝協會以及班級同學的互幫互助共同學習，讓我有在良好的學習氛圍中茁壯成長。