3D打印机基本原理

han88833162 · 发表于 2015-7-31 11:17:20

基础知识

3D打印机的技术原理

? 3D打印机的技术原理

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3D打印（3D printing），是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。运用该技术进行生产的主要流程是：应用计算机软件，设计出立体的加工样式，然后通过特定的成型设备（俗称“3D打印机”），用液态、粉末、丝状的固体材料逐层“打印”出产品。

3D打印是“增材制造”（Additive Manufacturing）的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。而“增材制造”与之截然不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过叠加材料的方法生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。

国际上喜欢用“Additive Manufacturing”（简称AM）来表示3D打印技术，国内专业术语是增量制造、增材制造或添加制造。2009年美国ASTM成立了F42委员会，将AM定义为： “Process of joining mat-erials to make objects from 3d model data, usua-lly layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies.” 即：一种与传统的材料去处加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。

目前主流的3D打印技术有：

o 1、 SLS激光粉末烧结成型（Se1ected Laser Sintering）； o 2、 3DP三维打印（3Dimension http://www.wendangxiazai.com/b-b ... b16c1f6.htmlPrinter）； o 3、 SLA激光光固化（Stereolithography）； o 4、 FDM熔融沉积造型（Fused Deposition Modeling）

3D打印机的用途，能够实现哪些功能 ? 3D打印机的用途，能够实现哪些功能

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3D打印能够发挥的作用，按照产品设计研发的流程来说：

3D打印不仅仅可以快速制作设计原型，从最初的概念设计到最终产品制造，3D打印在产品设计制造的各个环节都具备变革性优势。

许多企业在产品设计早期，就会使用3D打印设备快速制作足够多的模型用于评估，不仅节省了时间，而且减少了设计缺陷。随着产品设计研发的进展，他们会采用3D打印反复制作手板模型用于设计沟通、设计验证、装配测试和宣传展示，以实现产品功能改善、生产成本降低、品质更好、市场接受度提升的目标。在产品小批量试制阶段，3D打印为快速打样提供了最佳方案，3D打印出来的样品可以用于宣传展示、市场调查、试销售等。而在产品量产环节，也已经有越来越多的企业在采用3D打印方式来加快交付周期、降低个性化定制价格、改善产品交付质量，以及提高生产效率。

3D打印能够发挥的作用，按照不同应用行业来说：

近年来，3D打印技术发展迅速，通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，该技术已成为现代模型、模具和零件制造的有效手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学、文化创意等领域得到了一定应用，在工程和教学研究等应用领域也占有独特地位。具体应用领域包括：

o 1、工业制造：产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证；制作模具原型或直接打印模具，

直接打印产品。3D打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D打印的家用器具模型，也被用于企业的宣传、营销活动中；

o 2、文化创意和数码娱乐：形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影《阿凡达》运

用3Dhttp://www.wendangxiazai.com/b-bd24bc24915f804d2b16c1f6.html打印塑造了部分角色和道具，3D打印的小提琴接近了手工艺的水平；

（视频:在漫山遍野的花丛中弹奏3D打印的小提琴，阳光、清新，所使用的3D打印机由德国EOS公司研制开发：http://v.youku.com/v_show/id_XNDYyNjk1OTY4.html

o 3、航空航天、国防军工：复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、机构的直接制造；

o 4、生物医疗：人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等;

o 5、消费品：珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造; o 6、建筑工程：建筑模型风动实验和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模拟;

o 7、教育：模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院

校，3D打印机已经被用于教学和科研;

o 8、个性化定制：基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。

? 什么样的三维数据才能够用于3D打印

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3D打印的标准数据格式STL

STL（Stereo Lithography Interface Specification）格式是目前3D打印/增材制造设备使用的通用接口格式，是由美国3Dsystems公司于1988年制定的一个接口协议，是一种为3D打印/& 增材制造技术服务的三维图形文件格式，目前已成为3D打印/增材制造的事实上的标准格式。

STL格式是存储三维模型信息的一种简单方法，它将复杂的数字模型以一系列的三维三角形面片来近似表达。STL模型是一种空间封闭的、有界的、正则的唯一表达物体的模型，具有点、线、面的几何信息，能够输入给增材制造设备，用于快速制作实物样品。随着增材制造技术的发展和应用，STL文件格式也得到了各CAD/CAM软件公司的广泛支持。在医学、自然科学和工程领域里，STL技术也得到了广泛的应用。利用三维扫描http://www.wendangxiazai.com/b-bd24bc24915f804d2b16c1f6.html仪等三维数字化工具对物理原型进行多方位三维扫描，经过点云数据的预处理与优化，得到物体完整的三维数据模型，对该数据模型进行表面三角形小平面化处理，类似于有限元的网格划分，即用许多空间三角形面片来逼近CAD模型，当三角形面片小到一定程度，其近似性可达到工程允许的精度范围内，其数据文件称为STL文件，可以直接输入3D打印/增材制造设备，用于3D打印/增材制造。

STL文件格式化对3D打印/增材制造精度影响

3D打印时，由于要将复杂的三维加工转化为一系列简单的二维加工的叠加，因此，成型精度主要取决于二维（X，Y）平面上的加工精度，以及高度（Z）方向上的叠加精度。从3D打印机本身而言，可以将X、Y、Z三方向的运动位置精度控制在微米级水平，因而能得到精度相当高的工件。因此，特别在加工复杂的自由曲面及内型腔时，3D打印/增材制造比传统的加工方法表现出更明显的优势。然而影响工件最终精度的因素不仅有3D打印机本身的精度，还有一些其它因素，其中比较重要的是CAD模型的前期处理造成的误差。对于绝大多数增材制造设备而言，开始成型前，必须对工件的三维CAD模型进行STL格式化和切片等前期处理，以便得到一系列的截面轮廓。STL格式己成为3D打印行业事实上的通用标准。在计算机数据处理能力足够的前提下，进行STL格式化时，应选择更小、更多的三角面片，使之更逼近原始三维模型的表面，这样可以降低由STL格式化所带来的误差影响。

相关案例 | r elated cases

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裸机500×335×170；包装尺寸610×420×390

裸机7Kg 包装总重19.3Kg

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宁波均胜——发动机连接管的三维检测

宁波均胜：

宁波均胜投资集团是一家外商投资有限责任http://www.wendangxiazai.com/b-bd24bc24915f804d2b16c1f6.html制公司，主要从事汽车电子零部件制造、房地产开发、项目投资及管理等，是宁波市国家高新区的重点骨干企业。旗下均胜汽车电子有限公司是致力研究生产汽车空气循环管理系统、发动机系统连接管等塑料配件产品。 A. 面临的难题：

为了不断提高产品质量，均胜汽车电子有限公司对所产配件需进行多达上百项大大小小的检测科目，而发动机连接管因结构以及材料性能的约束，无法用传统的三坐标机床进行自然有效地测量检测。发动机连接器质软且极易变形，用三坐标进行测量不仅仅需要依靠昂贵的检具来辅助，而且因为三坐标多为接触式测量，对质软的物件无法

准确测量；空气循环系统在装上检具的情况下，无法测量装配位置状态的形变误差，对产品质量控制后期设计改良，无法提供可靠依据。

连接管实物图

B. 先临三维的解决方案：

先临三维通过一台非接触三维测量系统-光学三维扫描仪和Shiningform XOV三维检测软件成功为宁波均胜进行了产品检测。宁波均胜电子有限公司对解决方案非常赞同，他们表示先临三维的非接触测量系统---光学三维扫描仪能在不接触物件的情况下，快速获取发动机连接管等物件的三维尺寸信息，真实反映产品结构信息，无需在软件中进行繁琐的手动测量，只需与理论的三维数模进行对齐比较就可以快速可靠的检测产品的结构形状，关键尺寸误差等，得到直观、具体的体现，对产品结构设计和后期成型工艺的完善起到有效辅助作用。

三维扫描仪扫描连接管处理得到的STL数据截图

检测报告截图

奔驰房车座椅二次开发：使用三维扫描仪，更短时间设计出更舒适安全的座椅

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奔驰房车座椅二次开发：使用三维扫描仪，更短时间设计出更舒适安全的座椅

中欧汽车：

中欧汽车股份有限公司是中欧国际集团旗下的第八个子公司，公司的生产基地http://www.wendangxiazai.com/b-bd24bc24915f804d2b16c1f6.html（目前国内最大的房车生产基地）。目前正专注于汽车座椅的开发生产。 A. 面临的难题：

为了顺应客户不断提高的品质要求，中欧汽车有限公司需要设计更舒适、更安全可靠的座椅。因此中欧计划对原型座椅进行二次开发，改善舒适性和美观、安全等问题。中欧汽车长久以来一直采用使用专业软件设

计座椅结构和外观的正向设计思维来设计开发座椅，虽然也存在着许多优点，但由于软件中设计复杂曲面的视觉效果无法充分被体现，使得设计人员往往无法充分展示创作初衷。同时，由于不断的修正，企业往往不得不拖长整个生产周期以保证品质的要求。

房车座椅

B. 先临三维的解决方案：

房车座椅具有尺寸大、不规律型曲面结构、质软等特点，三坐标等接触测量设备无法对其进行有效测量。同时，基于对三维扫描仪测量座椅表面局部精度的要求，经过对比，中欧汽车选择购买了先临三维的三维扫描仪：

● 非接触式三维测量方式很好的解决了座椅材质软、易变形所造成的难以获取准确数据的难题；

o ● 密集的点面扫描平均点距只有0.35左右，不仅高效而且充分

体现了整个面型信息，让扫描数据在研发试制部门得到了充分的发挥；

o ● 该三维扫描仪不仅可以用在研发试制部门，也可用在质量检测

部门进行碰撞试验。碰撞前后的位置可以进行高精度的测量； o ● 完成各种零部件的测量与检测，从零部件就开始控制座椅的品

质；

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在房车座椅的二次开发过程中，先临三维提供的解决方案有效的协助中欧汽车改善开发工艺流程，缩短了二次开发周期。中欧汽车在市场品质的需求下设计出了更舒适、更安全可靠的座椅。

三维扫描仪获取处理得到的房车座椅STL数据截图

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水晶礼品

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大空间三维扫描：三维扫描仪获取艺术学院牌楼http://www.wendangxiazai.com/b-bd24bc24915f804d2b16c1f6.html三维数据，造精美水晶礼品

南京艺术学院创立时间最早可追溯到1912年，在百年的历史沿革

中，造就了许多有着历史特色的建筑，其中有着“上海美术专门学校”的牌楼成为了最具代表性的标志性建筑之一。 A. 项目概述：

南京艺术学院百年校庆之际，将标志性建筑牌楼雕刻在精美立体的水晶内雕制品中，通过立体、清晰、精细的三维内雕效果展示学院风貌，是理想的校庆礼品。 B. 技术手段：

使用大空间三维扫描技术对牌楼进行三维扫描，获取牌楼完整三维数据，通过软件对三维扫描仪获取到的这些数据进行适当处理，转化成三维雕刻数据格式进行三维激光雕刻，从而制造做精美的三维立体水晶内雕礼品。

C. 被扫描建筑信息大小尺寸：6m*3m*1m 材质：石头实物照片：

D. 数据处理 1.模型完善与简化

完善后的模型显示点染色贴图

2.模型贴图、模型算点

由先临三维自主研发的三维扫描仪获取到的部分STL数据截图

关于3D打印，您所不知道的那些事儿 o 如何创建3D照相馆 New~

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3D打印机工作视频

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德国 EOS M系列与P系列快速成型机

http://www.shining3dscanner.cn/zh-cn/tutorials_eos.html http://v.youku.com/v_show/id_XNDkwMzkxOTY4.html

http://v.youku.com/v_show/id_XMTI5NjA1NjUy.html ProJet 1500经济实惠的三维打印机

http://v.youku.com/v_show/id_XNDY4MzY4Mzgw.html Prhttp://www.wendangxiazai.com/b-bd24bc24915f804d2b16c1f6.htmloJet 3500专业3D打印机

http://v.youku.com/v_show/id_XNDk3Njg4MDA0.html ProJet 5000大尺寸3D打印机

http://v.youku.com/v_show/id_XNDcxMDk3NTQw.html

中国3D打印前景展望

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3D打印机对传统制造业会带来哪些冲击

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3D打印机对传统制造业会带来哪些冲击

3D打印产业上游包括材料技术、控制技术、光机电技术、软件技术，中游是立足于信息技术的数字化平台，下游涉及国防科工、航空航天、汽车摩配、家电电子、医疗卫生、文化创意等行业，其发展将会深刻影响先进制造业、工业设计业、生产性服务业、文化创意业、电子商务业及制造业信息化工程。

3D打印机给传统制造业带来的冲击，大致有以下几点：

1. 3D打印技术的发展满足了消费者的需求，将导致工业制造模式的变化

相比生产大规模标准化产品的模具制造，3D打印可以在一定约束下随意生产制作个性化产品，可称之为“大规模定制制造模式”，是以互联网为支撑的智能化大规模定制的方式，或者是“分散生产，就地销售”方式，标志着个性化消费时代的到来。

从前，消费者都是在店里挑选、购买已经生产好的商品，现在则可以根据各自的需求，在“3D打印店”定制，边生产边体验，及时获得自己喜欢的产品。

2. 3D打印技术具备传统模具制造没有的独特优势

3D打印技术是不受产品结构和形状的限制的，任何复杂的造型和结构，只要有CAD数据，都可以轻松完成，这样就给个性化、定制化提供了可能性；而且使用3D打印技术，是不需要开模具的，实现了无模化制造，可使新产品研制的成本下降为传统方式的1/3-1/5 ，周期缩短为1/5-1/10 。再加上3D打印设备大部分可以实现无人值守、24小时不间断加工，也就为厂商节约了人工成本，提高了生产效率。://www.wendangxiazai.com/b-bd24bc24915f804d2b16c1f6.html

3D打印的后期辅助加工量大大减小，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度，尤其适合一些高保密性的行业，如军工、核电领域。

3D打印技术“打印”的产品是自然无缝连接的，一体成型，结构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法。

3. 3D打印技术符合低碳环保的发展理念

“第三次工业革命”概念的真正兴起和全球化传播，与全球可持续发展面临的压力息息相关。具体来说：

一是至20世纪80年代，石油和其他化石能源的日渐枯竭，及随之而来的全球气候变化给人类的持续生存带来了危机。二是化石燃料驱动的原有工业经济模式，不再能支撑全球的可持续发展，需要寻求一种使人类进入“后碳”时代的新模式。3D打印技术适逢其会，以绿色、节能、低碳、环保的全新姿态迅速得到了全球政府和机构的认可和信赖。

3D打印采用的是加法式制造技术，区别与传统的减法式、铣削式制造方式，基本上是生产多少重量的东西，所耗费的也就是同等重量的材料，因此所耗费的材料明显减少；个性化定制以后也不产生产品库存，可以在减少碳排放和原材料消耗的前提下，保持更高的生产效率。3D打印的原材料使用仅为传统生产方式的1/10，这在如今资源珍贵的时代无疑具备巨大优势。

4. 3D打印能有效促进工业设计产业的发展，而全球制造业未来的竞争在于高附加值的设计环节原先的制造业是生产、加工环节制约着研发设计环节，新产品的研制从一开始就需要考虑到最终能否被生产出来；而3D打印技术对于产品设计没有限制，只要能设计得出来，完成CAD建模，任何结构和形状都可以被生产出来，如此一来，工业设计方面的创意和能量将被无限释放，谁具备突出的工业设计能力，谁就将成为未来全球制造业的领头羊，创造高额利润。

中国制造业，如果还是停留在国外设计、国内制造或者来料加工的阶段，那么未来只能在低附加值的加工制造环节上苦苦挣扎，因此，中国政府和制造业的有识之士都已经开始积极呼吁和大力传播3D打印技术，国内的工业设计教育和产业也得到了越来越多的关注和重视。

国内3D打印技术市场现状

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3D打印技术在国外已经开始被广泛应用在各领域，帮助人们提高开发效率，降低生产成本，3D打印机已经开始普及开来。

而在国内，由于起步较晚，目前还被能够得到广泛普及，主要原因体现在：

1．市场培育还有一长段路要走。目前，我国多数制造企业尚未接受“数字化设计”、“批量个性化生产”等先进制造理念，对3D打印这一新兴技术的战略意义认识不足，不了解到这种新兴技术能够做什么，可以创造多大的价值。

2．企业级、专业级的3D打印设备及其材料还比较昂贵，客户接受程度低。虽然目前市面上已经有一些价格低至几千元的3D打印机，但是这种入门级的3D打印机更多适合个人、发烧友购买使用，很难用于工业制造、建设工程等领域，更别说航空航天和医疗等专业应用了。而专业级的3D打印设备动辄几十万乃至上百万，让许多关注3D打印技术的企业望而却步。

3．材料种类还不是足够丰富，也限制了3D打印技术的推广。尽管就塑料材料来说，就已经有上百种之多，从弹性的到刚性的，从遇热融化的到耐高温的，从透明的到不透明的，从生物相容性的到可铸造的，种类繁多，但是目前依然比不上传统制造所拥有的材料种类。

4．三维数字化技术尚未普及，也限制了3D打印机的市场空间。因为3D打印的前提是计算机里面有一个三维数据可供打印，而三维数据的获取和创建对于普通大众来说还是一个技术活。国内专业数字化领域实力最强的是杭州先临三维科技股份有限公司，他们自主研发了多种面向不同应用领域的三维扫描仪，可以帮助快速获取物体的三维数据，输出的STL数字模型就可以用于3D打印，比起CAD建模来门槛更低、速度更快。

懒猫爱晓鱼 · 发表于 2016-3-9 20:17:38

非常好的文章简单介绍了3d打印机的前世今生

3D打印机基本原理

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