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试图颠覆技术革命 个人3D打印机首测

文章来源: 更新时间:2019-04-28 17:24

  【中关村在线年代的技术如今却成了超前科技的代言词,迅速火便全球,美国《时代》周刊已将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”;英国《经济学人》杂志认为这项技术将与数字化生产模式一起推动实现新的工业革命,将3D打印技术列为第三次技术革命范畴;在新浪微博上,关于3D打印的话题与分享数量非常多,有博主发表线D打印仅存于科幻电影中,就算略有所闻,你也会反问:“这东西很酷,但能干什么?”设计工作室内一台3D打印机的喷嘴正不断地“吐丝”,而后被叠加于塑料板上。两小时不到,一个动漫人物即可成型,每个市价均超过一百元,月销量亦数以百计”,3D打印甚至成为个性化零售领域一块新的市场,那么3D打印是否真的有这么神奇呢?

  “3D打印”这个词是最近几年才开始流行,过去在科研、教学或者制造领域被称为“快速成型技术”,各大高校均在采用这项技术进行教学与实验,清华大学设有激光快速成型中心。随着材料科学的快速发展,快速成型技术正在各个领域均有极大延伸,比如打印建筑物、打印汽车、打印人体器官、打印骨骼,零件、模型更不用说,“3D打印”这个更为形象的叫法快速被大众接受与普及。

  上海交大机械与动力学院习俊通教授:“我并不认为3D打印技术是多么神乎其神的东西”,三维打印技术是由CAD模型直接驱动,快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术,与普通打印机的原理相同,将特殊材料(液体、粉末、塑料丝等)作为耗材,通过立体光刻、熔融沉淀、激光烧结、3维喷射熔化树脂等技术将电脑中的三维设计蓝图变成实物(下文中有技术分析)。

  目前美国的3D打印技术较为领先,应用范围更广,而在国内,今年1月份,华中科技大学材料科学与工程学院副院长史玉升带领的团队成功研制出世界上最大的3D立体打印机,并且凭借这一研究成果入选两院院士评选的“2011年中国十大科技进展”,中国的3D打印正在快速发展,从工业和制造业应用开始朝个人和小型化方向发展,近期,中关村在线办公频道拿到了一台国内领先的个人3D打印机产品,在高校教学、模型制作、零件加工等领域应用前景非常好,让我们有机会零距离去解密这个当下最神奇最酷的打印产品。

  早期一套用于工业设计制造的3D打印设备在10万美金左右,近几年价格降低到2万美金左右,而小型化个人桌面3D打印机售价在1000美金左右,我们拿到的这台UP!3D打印机官方售价9999元人民币,这款国产3D打印机已经在美国等国外地区销售。

  既然3D打印这么神奇,它离我们最近的距离有多远呢?其实,它就在我们身边,本期测试的主角是一台UP!3D打印机,属于小型化个人产品,诞生于2011年,属于国产品牌,它是快速成型技术在小型3D打印应用的产物,主要用于快速个性模型制作、零件加工、教学等多种应用。

  UP!3D打印机采用的就是熔融成型技术,高温加热ABS塑料丝,通过打印头将塑料丝挤出,按照电脑中的3D模型层层堆积而成,在打印过程中,软件可更具需求自动生成支撑物,从而保证打印物品的完整性,打印完成后去掉支撑物即可,用户可选择不同颜色的ABS塑料丝作为原材料打印,我们本次测试使用白色的塑料丝。

  我们测试的这款3D打印机成型平台尺寸为14*14*13.5cm,也就是最大打印物品的尺寸,喷丝直径在0.15-0.4mm,用户可以根据需求进行设置,精度越高,打印耗费时间越长,这款3D打印机以ABS或PLA塑料为原料,打印前准备时间需要15分钟左右,预热时间在3-5分钟,打印头工作温度在260摄氏度左右,平台温度在60-70摄氏度。

  用户在打印设置中选择不同的层厚,也就是不同的精度,打印时间不同,精度越高,打印时间越长。

  对于一些较为复杂的模型,需要建立支撑辅助3D打印顺利完成,UP!三维打印机能够通过软件自动生成模型打印过程中需要的支撑部分,用户在建模过程中无需考虑支撑部分。

  今天我们测试的UP!三维打印机,支持windows与mac平台,在进行测试之前,我们先对其进行驱动安装,目前已有最新中文版驱动程序,安装过程与安装普通打印机驱动区别不大,据了解,驱动程序的核心已经使用了超过10年的时间。

  安装完驱动程序之后,打开打印机电源,将USB线连接电脑与打印机,电脑会自动识别驱动,电脑正确识别完3D打印机之后,我们打开驱动程序确认电脑与打印机是否正常连接。

  在使用之前,我们需要对UP!三维打印机进行初次使用调试,主要包括调整成型平台水平,耗材安装与挤丝。

  在成型平台下方有三颗六角螺丝,在驱动程序的维护界面,将成型平台升至与打印机接近的位置,分别将打印头调整到成型平台的四角与中心,利用肉眼观察打印头与成型平台的距离,调节平台下的螺丝将成型平台调整至相对水平的状态。

  UP!三维打印机的耗材是ABS塑料丝,将塑料丝插入打印头顶部的小孔内,在驱动程序维护选项中选择“挤出”,等待打印头温度上升到260摄氏度左右,打印头会挤出细丝,可以进入打印状态,点击停止退出维护状态。

  在本次测试中,笔者使用的3D模型数据来源于中国传媒大学动画与数字艺术学院游戏设计艺术教研室主任李晋老师,模型原型是一个中国传统的龙头形象,底部是一个类似印章底座的结构,我们暂且称其为“龙头印章”。

  龙头模型的底座尺寸为4.5cm*4.5cm,高度为9cm,设置选项中,层片厚度为0.3毫米,基地厚度为2毫米,填充选择为第二级密度填充,软件计算预计模型重量为40.8克。

  打印完成之后,我们能看到龙头印章被支撑包裹,无需工具就可以把打印过程中留下的支撑部分去掉,较为完美的龙头印章出炉了。

  打印质量评价:经过仔细观察,龙头印章底部四角轻微翘起,原因是打印过程中打印头风扇吹风口处于打开状态,在打印基地时,建议关闭风扇朝下吹的出风口,这样底座的平整度会更好,印章整体由0.3毫米厚的塑料丝层叠构成,在印章侧面能感觉到整齐的螺纹,龙头部分的细节还原较好,犄角的尖端和胡须的尖端会出新轻微的毛刺,毛刺的产生主要是由于支撑的塑料丝与其连接处断开后产生,对模型的整体性没有太大影响,而且可以通过加工让模型更加完美,模型细节的表现令人满意。

  评测总结:利用3D打印机,我们可以快速打印出个性化的模型,而这也正式这款个人3D打印机的使命所在,从打印出的模型精度来看,能够满足模型爱好者、设计公司、小型工厂的快速模型打印需求,然而从易用性、维护以及性能来看,未来仍然有较大的改进空间,比如更加好看的外形、更简单的调试与维护、更快的打印速度、更高的打印精度,适应更多不同颜色不同材料介质打印,无论对于个人3D打印还是工业用3D打印而言,均有较大的发展空间。如今3D打印的概念如此火热,未来发展极有可能会出现井喷,应用在各行各业。

  以上是我们第一次评测3D打印机,本期评测算是抛砖引玉,后续我们还会继续对3D打印机进行深入挖掘,包括不同精度的打印时间以及打印效果,还有打印功耗等更为详细的测试,感受3D打印的魅力所在,推动3D打印在国内的后续发展。

  下面展示一些国内外通过3D打印机打印出来的作品,与大家分享3D打印的魅力所在。

  前面我们大概了解过,3D打印并非什么新概念,是将过去快速成型技术换了一个说法,而根据材料与加工设备的不同,技术上主要有以下几大类:(技术原理内容来源于网络共享资料)

  光固化成形是最早出现的快速成形工艺。其原理是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长(x=325nm)和强度(w=30mw)的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应, 分子量急剧增大, 材料也就从液态转变成固态。光固化成型是目前研究得最多的方法,也是技术上最为成熟的方法。一般层厚在0.1到0.15mm,成形的零件精度较高。多年的研究改进了截面扫描方式和树脂成形性能,使该工艺的加工精度能达到0.1mm,现在最高精度已能达到0.05mm。但这种方法也有自身的局限性,比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。

  光固化工艺的优点是精度较高、表面效果好,零件制作完成打磨后,将层层的堆积痕迹去除。光固化工艺运行费用最高,零件强度低无弹性,无法进行装配。光固化工艺设备的原材料很贵,种类不多。光固化设备的零件制作完成后,还需要在紫外光的固化箱中二次固化,用以保证零件的强度。液漕内的光敏树脂经过半年到一年的时间就要过期,所以要有大量的原型服务以保证液漕内的树脂被及时用完,否则新旧树脂混在一起会导致零件的强度下降、外形变形。如需要更换不同牌号的材料就需要将一个液漕的光敏树脂全部更换,工作量大、树脂浪费很多。一年内液漕光敏树脂必须用完否则将会变质,用户需要重新投入近十万元采购光敏树脂。三十万的端面泵浦固体紫外激光器只能用1万小时,使用两年后激光器更换需要二次投入三十万的费用。振镜系统也是有易损件,再次更换需要十几万元的投入。由于设备的运行费用高,这种设备一般被大型集团或有足够资金的企业采购。

  熔融挤出成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料,如蜡、ABS、PC、尼龙等,以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料挤出,材料迅速固化,并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成,上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加,层片轮廓的面积和形状都会发生变化,当形状发生较大的变化时,上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用,这就需要设计一些辅助结构-“支撑”,对后续层提供定位和支撑,以保证成形过程的顺利实现。

  这种工艺不用激光,使用、维护简单,成本较低。用蜡成形的零件原型,可以直接用于失蜡铸造。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC,PC/ABS,PPSF等更高强度的成形材料,使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点,该工艺发展极为迅速,目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30%

  SLS工艺又称为选择性激光烧结,由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面,并刮平;用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面;材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起,得到零件的截面,并与下面已成形的部分粘接;当一层截面烧结完后,铺上新的一层材料粉末,选择地烧结下层截面。

  SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛,如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂(覆膜砂)、聚碳酸脂(poly carbonates)、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构,因而无需考虑支撑系统(硬件和软件)。SLS工艺与铸造工艺的关系极为密切,如烧结的陶瓷型可作为铸造之型壳、型芯,蜡型可做蜡模,热塑性材料烧结的模型可做消失模。

  LOM工艺称为分层实体制造,由美国Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功。该公司已推出LOM-1050和LOM-2030两种型号成形机。LOM工艺采用薄片材料,如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时,热压辊热压片材,使之与下面已成形的工件粘接;用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框,并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格;激光切割完成后,工作台带动已成形的工件下降,与带状片材(料带)分离;供料机构转动收料轴和供料轴,带动料带移动,使新层移到加工区域;工作台上升到加工平面;热压辊热压,工件的层数增加一层,高度增加一个料厚;再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完,得到分层制造的实体零件。

  研究LOM工艺的公司除了Helisys公司,还有日本Kira公司、瑞典Sparx公司、新加坡Kinergy精技私人有限公司、清华大学、华中理工大学等。但因为LOM工艺材料仅限于纸,性能一直没有提高,以逐渐走入没落,大部分厂家已经或准备放弃该工艺。

  三维印刷(3DP)工艺是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申请了3DP(Three-Dimensional Printing)专利,该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。3DP工艺与SLS工艺类似,采用粉末材料成形,如陶瓷粉末,金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的,而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低,还须后处理。具体工艺过程如下:上一层粘结完毕后,成型缸下降一个距离(等于层厚:0.013~0.1mm),供粉缸上升一高度,推出若干粉末,并被铺粉辊推到成型缸,铺平并被压实。喷头在计算机控制下,按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂,最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉,在成形过程中起支撑作用,且成形结束后,比较容易去除。

  三维印刷(3DP)工艺是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申请了3DP(Three-Dimensional Printing)专利,该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。3DP工艺与SLS工艺类似,采用粉末材料成形,如陶瓷粉末,金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的,而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低,还须后处理。具体工艺过程如下:上一层粘结完毕后,成型缸下降一个距离(等于层厚:0.013~0.1mm),供粉缸上升一高度,推出若干粉末,并被铺粉辊推到成型缸,铺平并被压实。喷头在计算机控制下,按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂,最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉,在成形过程中起支撑作用,且成形结束后,比较容易去除。

  无模铸型制造技术(PCM,Patternless Casting Manufacturing)是由清华大学激光快速成形中心开发研制。该将快速成形技术应用到传统的树脂砂铸造工艺中来。首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型。由铸型CAD模型的STL文件分层,得到截面轮廓信息,再以层面信息产生控制信息。造型时,第一个喷头在每层铺好的型砂上由计算机控制精确地喷射粘接剂,第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂,两者发生胶联反应,一层层固化型砂而堆积成形。粘接剂和催化剂共同作用的地方型砂被固化在一起,其他地方型砂仍为颗粒态。固化完一层后再粘接下一层,所有的层粘接完之后就得到一个空间实体。原砂在粘接剂没有喷射的地方仍是干砂,比较容易清除。清理出中间未固化的干砂就可以得到一个有一定壁厚的铸型,在砂型的内表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇注金属。

  和传统铸型制造技术相比,无模铸型制造技术具有无可比拟的优越性,它不仅使铸造过程高度自动化、敏捷化,降低工人劳动强度,而且在技术上突破了传统工艺的许多障碍,使设计、制造的约束条件大大减少。具体表现在以下方面:制造时间短、制造成本低、无需木模、一体化造型, 型、芯同时成形、无拔模斜度、可制造含自由曲面(曲线)的铸型。

  在国内外,也有其它一些将RP技术引入到砂型或陶瓷型铸造中来的类似工艺。其中较为典型的有:MIT开发研制的3DP(Three Dimensional Printing)工艺、德国Generis公司的砂型制造工艺等。



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