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D打印究竟是什么鬼科普貼為你全力掃盲

2019.10.14 来源: 浏览:0次

  D打印可以将电脑里的 D建模文件变成实物,打印进程无需干预而且精度远超手工制作,听起来和用起来都相当炫酷虽然它火了很久,但在大众眼前它们还很神秘考虑到很多人其实用不着,但又有剁手的冲动,那就是来一发科普好了

  本文将从 原理、分类、软件和核心部件、打印进程、精度、可用度 等几方面对 D打印和 D扫描进行简单的科普和扫盲

  原理与技术优势

  D打印是一种通过堆叠薄层制造三维物体的技术它的关键词是薄层堆叠,通过不同原理让原料一层层地成型和堆叠

  虽然听起来高大上,但大概原理只是一个能在XY轴平面上移动的喷头,精确控制原料的位置,打完一层后,平台下移(一般是0.1mm)后再打下一层,直至打印出整个成品

  对比铣床(通过铣刀对材料从外到内进行切削)、熔铸(熔化后倒入模具成型)等传统加工方式, D打印的最大优势是可以制造有复杂内部空间的成品,而且材料利用率接近100%

  D打印的类型

  D打印原理分类及优缺点

  打印精度对比

  根据原料成型原理的不同,本钱从低到高排列,分别是熔积成型、光敏固化、粉末粘接、激光烧结等4种,它们的工作原理以下:

  ˙熔融沉积成型(FDM,全称Fused Deposition Modeling),喷头将丝状热熔性材料加热融化挤喷出来,材料遇到温度更低的打印平台后凝固,通过层层堆积形成最终成品

  ˙光固化成型(SLA,全称Stereolithigraphy Apparatus)通过紫外光等光源照射光敏树脂材料,让其逐层凝固成型,通过层层堆积构成最终成品完整的产品其是最早发展起来、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术

  ˙粉末粘接( DP,全称Three Dimensional Printing and Gluing)通过喷嘴将粘合剂喷喷洒在陶瓷/金属/塑料粉末等材料上,不断重复铺粉、喷涂、粘接的进程,层层叠加而得到成品

  ˙激光烧结 (SLS,全称Selecting Laser Sintering)类似上两种技术的混合体,通过大功率激光照射金属粉末等原料,使其烧结/融接不断重复铺粉、烧结的进程直至完成整个模型成型它才是工业上经常提到的 D打印

  成本最高的激光烧结和粉末粘接技术中,一个桌面机型极少,一个连桌面级产品都还没出现而采用光固化技术的机型,价格一般从20000元起跳,所以现时民用级 D打印机,用的基本都是本钱最低的熔积成型技术,很多厂家甚至已可以把售价控制在2000元左右所以剁手门坎最低的它们才是本篇科普的主角

  控制软件

  除核心的机械部件,打印机还需要最终控制打印头移动的 D建模文件才能工作虽然打印机基本都带显示屏和控制按钮,但打印所需的 D建模文件依旧需要电脑的帮忙中高端产品一般可以连接电脑并有专门的客户端,而低端产品一般省略连接功能,只能通过读取SD卡中的文件进行打印

  D打印机只能读取经过切层处理的 D建模文件(约等于将 D数字模型做了N层切片),可以通过 Dmax、CAD、MAYA等建模软件输出的.stl . w格式文件进行直接转换

  很多厂家站的素材库、建模站都能找到现成的 D建模文件,有软件基础的用户可以自行建模入门用户最喜闻乐见的除手办外,自然还是壳,挂饰等小玩意

  核心部件说明

  D打印的关键词是薄层堆叠,对于熔积成型技术的 D打印机来讲,可以在二维平面移动的打印头负责 薄层 ,可以上下移动的平台负责 堆叠 其核心部件不多,以刚评测完的三纬da Vinci 1.0 AiO为例

  打印头是个可以在XY轨道上精确移动的加热装置,可以加热熔化ABS/PLA材料,内部有压入原料丝的齿轮,背后有散热风扇机器通过皮带传动,打印头可以在X轴上左右移动,而打印头和全部X轴都架在了Y轴上

  打印平台是个带加热功能,可以精确控制上下移动的玻璃板,最高加热温度为90度(避免落到平台的ABS原料因温度太低而没法粘连),动力来源是底部的马达平台边上一般会有校准位置用的定位点,和调剂平台水平姿态(前倾后延等)的螺丝

  原料

  原料方面,主流将ABS树脂和PLA(生物降解塑料聚乳酸)材料,做成固定直径的线材(1.75mm)并捆筒上,价格一般在200元/1kg左右部分厂家会采取盒子封装,并在底部加上芯片,提供原料类型和剩余量记录功能,用起来会方便一点,而代价自然是成本会更高一些

  两种材料都可以被染上不同的颜色,它们的使用区分在熔点上,ABS熔点为220度左右,不透明亚光质感,强度更高,需要平台被加热到90度才能正常成型,但有毒性,使用时会有塑料烧焦的臭味,而且本身热收缩性较大,成品精度会低一点

  PLA熔点在200度左右,加工时的能耗更低,速度更快,其半透明质感更加光亮,平台加热到45就能正常成型,无毒环保几乎无异味,正在慢慢淘汰ABS成为主要的打印原料

  打印进程与保护

  打印前要在平台上涂上固体胶,其作用是作为隔层,方便最后的成品移除打印第一步是加热打印头和平台,耗时因机器功率而异,500W以下的机器一般可以在分钟内完成打印头的加温,但平台却要分钟左右才能从常温升到90度

  随后,打印平台升到最高点就可以开始打印了,进程就是啰嗦过屡次的:线状的打印原料在打印头中被加热融化,以流体的状态流出,在接触打印平台后硬化粘连打印头的移动轨迹会被这些原料 记录 下来,打完一层后,平台下移,机器再打第二层,直至把整个物体打印出来

  原料可以被染色,但熔积成型打印机只能通过中途变换原料的方式,打印出纯色或横向颜色变化的物体所以一般是把成品不同颜色的部分分开打印,最后像模型一样再组装起来

  工作过程中只有XYZ轴 个电机,和打印头的散热风扇的声音,噪音不大但如果用的是ABS树脂,则还需要做额外的透风措施

  桌面打印机一般拆封就能直接使用,但如果使用时间太长、成品和平台总是粘连过紧而需动用铁铲和暴力,则需要自行对打印平台进行调平否则可能会影响成型质量,严重的话,可能会让打印头和平台碰撞而产生变形另外,用久了的打印头也是相当脏的,偶尔还要用铁丝给材料出口 通便

  扫描功能

  现在某些高端型号的入门机开始具有 D扫描功能,可以对实物进行扫描并生成 D建模文件,通过这个文件就可以再复制一个一样的产品

  而 D扫描分为接触和非接触式,前者是用传统的丈量点接触物体搜集空间信息,精度和成本都很高,而且速度奇慢;后者主要使用激光、低频声波等进行间接扫描,速度快但精度一般,一般需要多次扫描进行数据校订

  D扫描进程

  扫描文件

  现时打印机中内置的一般是激光扫描装置被扫描物体放在可旋转的平台上,扫描器发出激光平面打在扫描物体上,接收器根据反射回来光线计算除物体的空间点数据

  不过遗憾的是,即使是万元级打印机自带的扫描功能,基本都处在不可用的状态扫描功能的限制很多,会让光线散射不正常的物资特性,几乎都会影响扫描效果,物体高度太低、色彩太深、色彩种类太多、表面太光滑、凹坑太复杂、内部深度太大等都会影响终究效果

  用它来扫描简单的几何体当然不成问题,但想用它来扫描复杂的手办,乃至高达模型之类的话,那就基本无望了

  另外,多增加 D扫描功能的机型,一般会比原生机型贵 、4000元,这装逼成本太高,故并不建议购买带 D扫描功能的衍生型号

  打印速度 打印精度

  终于说到 D打印机最核心的部份了 D打印的速度远比正常人想象中的慢,不过也很好理解:每一层的打印厚度在0..4mm(挤出的是0.1mm宽的原料丝),那打印1cm高的产品就得打印超过层了

  其打印耗时和打印精度/层厚成正比,而且由于原料出丝速度固定,它们的打印耗时很容易计算作为参考,以精度(层厚)0. mm的时候,打印一个4克重的空心表壳就需要 0分钟了如果打印的是一个手掌大的手办,而且它还有100多克重的话,打印耗时就要突破12小时了囧

  实际打印样品

  打印精度方面,很多人都以为 D打印机的成品可以作为终究产品,但这只针对光固化成型的打印机,其余 种打印机的产品更像是毛坯,如果对外形和精度要求高的话,成品本身还是经过再次打磨

  而更可悲的是,成本最低的熔积成型打印机,在每一层之间有明显的接合痕迹,俗称 台阶效应 ,导致其表面相当粗糙看到入门级熔积成型打印机的作品之后,或许很多用户都会有一定的心理落差

  实际可用度 限制

  虽然 D打印的薄层堆叠原理,可以应对很多复杂的内部结构,但这个也带来了相应的限制:

  横向强度不足:无论是哪种原理的打印机,它们都是纵向的薄层堆叠,所以横向强度会远低于纵向;

  下小上大的物体需要额外的支持机构:受重力影响, D打印也不可能打印出悬空的物体,故需要在悬空物体下方额外打印支架或框架;

  要打印出多种色彩的产品,只能中途变换原料或分开打印的形式进行;

  熔积成型的打印机只能打印出塑料成品,而且成品的硬度有限,只有粉末粘接和激光烧结能打印出陶瓷、金属等真正具有工业用途的用品;

  精度和速度的矛盾:薄层堆叠的薄层越薄,所需的层数和时间就越长,只能通过多喷头同时工作等方式提高速度

  总结

  D打印机还是个新兴产品,虽然熔积成型打印机原理相对简单,但不同品牌和产品线之间的水较深,购买前需要对经常使用参数有简单的了解对于熔积成型打印机,其实可以选的余地不多,万元以下基本都是单打印头设计,同时支持ABS和PLA原料

  打印尺寸,尺寸越大自然价格越高,而万元级打印机的打印尺寸一般在20*20*20cm以下;而精度上,万元以下的 D打印机基本都可达到0.1mm层厚,打印速度(出丝速度)在0..5mm/s之间

  科普的最后,还是建议大家抱着个 大心脏 ,不要对万元级以下的 D打印机抱有太高的期望虽然它们的剁手门槛已跌破2000元,但它们还有很浓的玩具性质,主要用途还是帮助企业和极客测试样品并省却高昂的开模费用,正常用户还需谨慎剁手

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