【南極熊3D打印文化】3DP 三維印刷成型：3D打印的彩色世界

今天為你帶來的是3DP技術(shù),。3DP技術(shù)由麻省理工學(xué)院的Emanual Sachs教授團(tuán)隊(duì)于1993年發(fā)明�,；�于這項(xiàng)技術(shù),，Sachs教授在3D打印領(lǐng)域里獲得了40多項(xiàng)專利，并開創(chuàng)了一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè),。這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的陶瓷部件,、金屬模具、醫(yī)療裝置等領(lǐng)域,。

3DP成型同樣受到國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注,。西安交通大學(xué)、天津大學(xué),、清華大學(xué),、中國科技大學(xué)、華中理工大學(xué)等國內(nèi)高校對3DP工藝看展了深入研究,，并在一些領(lǐng)域形成了自己的特點(diǎn),。

1 3DP技術(shù)原理

三維印刷成型（Three Dimensional Printing，3DP）,，又稱為噴墨粘粉式技術(shù),、粘合劑噴射成型，美國材料與測試協(xié)會增材制造技術(shù)委員會（ASTMF42）將3DP的學(xué)名定為Binder Jetting（粘合物噴射）,。3DP技術(shù)由美國麻省理工大學(xué)的Emanuel M.Sachs和John S.Haggerty等人發(fā)明,，1989年提交專利申請，1993年被授權(quán)專利,。1995年,，麻省理工學(xué)院把3DP技術(shù)授權(quán)給Z Corporation公司進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用。Z Corporation公司在得到3DP技術(shù)的授權(quán)后,，自1997年以來陸續(xù)推出了一系列3DP打印機(jī),，后來該公司被3D Systems收購，并被開發(fā)成為了3D Systems的ColorJet系列打印機(jī),。

下圖為Z Corp的一款產(chǎn)品,，以淀粉摻蠟或環(huán)氧樹脂為粉末原料打印而成。

Zcorp Z860

3DP打印技術(shù)使用的原材料主要是粉末材料,，如陶瓷,、金屬、石膏,、塑料粉末等,。利用粘合劑將每一層粉末粘合到一起,，通過層層疊加而成型。與普通的平面噴墨打印機(jī)類似,，在粘合粉末材料的同時(shí),，加上有顏色的顏料，就可以打印出彩色的東西了,。3DP技術(shù)是目前比較成熟的彩色3D打印技術(shù),，其他技術(shù)一般難以做到彩色打印。和許多激光燒結(jié)技術(shù)類似,，3DP也使用粉床（powder bed）作為基礎(chǔ),，但不同的是，3DP使用噴墨打印頭將粘合劑噴到粉末里,，而不是利用高能量激光來融化燒結(jié),。

3DP打印機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造（圖片來源：南極熊）

3DP設(shè)備在控制系統(tǒng)的控制下，噴粉裝置在平臺上均勻地鋪一層粉末,，噴粉打印頭負(fù)責(zé)X軸和Y軸的運(yùn)動,，按照模型切片得到的截面數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動,，有選擇地進(jìn)行粘合劑噴射,，最終構(gòu)成平面圖案。在完成單個(gè)截面圖案之后,，打印臺下降一個(gè)層厚單位的高度,，同時(shí)鋪粉輥進(jìn)行鋪粉操作，接著再次進(jìn)行下一次截面的打印操作,。如此周而復(fù)始地送粉,、鋪粉和噴射粘合劑，最終完成三維成型件,。

3DP粉末粘合成型工藝（圖片來源：南極熊）

2 優(yōu)勢&限制

如今在眾多金屬激光燒結(jié)的3D打印機(jī)主導(dǎo)市場的情況下,，3DP技術(shù)雖然占有市場份額較小，但卻依然在金屬增材制造中扮演著重要角色,。然而經(jīng)常有聲音質(zhì)疑,，在激光燒結(jié)等技術(shù)愈發(fā)成熟的情況下，3DP技術(shù)是否還有競爭力,。我們認(rèn)為,，3DP技術(shù)很好的彌補(bǔ)了一些其他技術(shù)的不足，并填補(bǔ)了金屬3D打印的一些空白,。

優(yōu)勢

1.  3DP技術(shù)色彩豐富,，可選擇的材料種類很多，是一種具有24位全彩打印能力的技術(shù),。這也是該技術(shù)最具競爭力的特點(diǎn)之一,。

2.  3DP技術(shù)雖然有粉床但是沒有粉床熔融的過程,，在成型過程中不會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，因此3DP便可完全通過粉床來支撐懸空結(jié)構(gòu),，而不需要支撐結(jié)構(gòu)（與SLS類似）,。

3.  3DP的噴頭可以進(jìn)行陣列式（2D array）掃描而非激光點(diǎn)掃描，因此打印速度快,，能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸零件的打印,。

4.  沒有激光器，設(shè)備價(jià)格較為低廉

基于3DP打印技術(shù)設(shè)備的陣列式噴頭（圖片來源：ExOne）

技術(shù)限制

1.  精度和光潔度不理想,，多用于制作人偶和概念模型,，不適合制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜和細(xì)節(jié)較多的薄型物件。

2.  利用3DP技術(shù)打印出的工件只能通過粉末粘結(jié),，粘結(jié)劑的粘結(jié)能力有限,，其強(qiáng)度比較低，基本只能做概念原型,。

3.  3DP技術(shù)中需要經(jīng)歷繁瑣的后處理過程,，比如燒結(jié)。因此與很多金屬直接制造成型技術(shù)相比可能沒有優(yōu)勢,。

3 3DP應(yīng)用

原型全彩打�,。ù�表公司：ZCorp）

3DP技術(shù)在MIT的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)后便迅速轉(zhuǎn)化為了專利，在90年代被多家公司根據(jù)不同材料獲得使用權(quán),。在非金屬材料比較有名的是ZCorp公司（現(xiàn)已被3D Systems收購）,，主要使用石膏作為原材料。ZCorp產(chǎn)品最大的亮點(diǎn)當(dāng)屬全彩3D打印機(jī),，粘合劑可以被著色,，從而制造出多彩的打印模型。

ZCorp公司于2005年推出的世界第一臺彩色3D打印機(jī)Spectrum Z510

3DP技術(shù)打印的全彩人像      

3DP技術(shù)打印的全彩汽車組件（圖片來源：ZCorp）

利用3D Systems的全彩打印技術(shù)制成的模型（圖片來源：3ders.com）

金屬直接成形（代表公司：ExOne）

使用3DP打印金屬的技術(shù)被ExOne公司商業(yè)化,。ExOne是納斯達(dá)克上市公司,，2005年從有著50余年歷史的精密特種加工和自動化解決方案供應(yīng)商Extrude Hone公司獨(dú)立出來，專注于3D打印業(yè)務(wù),。

如今ExOne公司制造的產(chǎn)品材料包括金屬,、石英砂和陶瓷等多種工業(yè)材料，其中金屬材料以不銹鋼為主,。當(dāng)利用3DP技術(shù)制造金屬零件時(shí),，金屬粉末被一種特殊的粘合劑所粘合而成型，然后從3D打印機(jī)中取出,，放到熔爐中燒結(jié)得到金屬成品,。

利用3DP技術(shù)制造的金屬零件（圖片來源：ExOne）

砂模鑄造成形（代表公司：VoxelJet）

砂模鑄造成形是一種間接制造金屬產(chǎn)品的方式。利用3DP技術(shù)將鑄造用砂制成模具,，之后便可用于傳統(tǒng)工藝的金屬鑄造,。專門用3DP技術(shù)生產(chǎn)模具的公司是德國的VoxelJet,，Voxeljet生產(chǎn)的設(shè)備能夠用于鑄造模具的生產(chǎn)。

Voxeljet制造的砂模以及利用砂模鑄造成形的金屬零件

利用砂模鑄造成形制作金屬零件流程圖（圖片來源：VoxelJet）

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