三维打印成型之实现之道

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1、三维打印 成型之实现之道 喷墨三维打印的前景、创新和技术 介绍 正如每一位设计人员都知道的，将优秀创意转化成人们可以拿在手上的有形而实用的真实物件就像魔法一样。这个实物 可以是仓库货架上的消费类产品、工业机器的关键部件，或者甚至是一个将你的崭新创想揭示给世界的早期实体原型。 实体原型无论是基础而大致形状的，还是把形状、纹理和颜色极为精妙地实现的在传达交流您的意象方面都远 胜于图纸或计算机模型。实体模型会赋予观察者仔细观察研究产品并与产品互动的能力，而不必让观察者猜测产品看起 来是怎样的。甚至在产品生产出来之前，我们就可以触摸它、感觉它、翻来覆去地观察，甚至了解它的内部。在成品投 向市场之前，我

2、们可以测试它、操作它并充分地评估它。 直至最近，快速而廉价的实体原型一直都是一个自相矛盾的悖论。总是无法很快获得原型。制作原则意味着与制作者签 订合约，由制作者手工制造原型，或者采用一台复杂的光固化快速成型机来制作。无论采用哪一种方法，都需要费时数 周，而且成本绝不便宜。这件麻烦的工作要向您收费数千美元。 但是，有人只想要“一个”原型吗？成功的产品开发者会在自己不断逼近自己完美创想的过程中反复修订设计方案。而 数量充足的按需制作的实体原型能够加速这个设计流程，而且可以让更好的产品更迅速地投入市场。 对于世界上那些最为成功和要求严苛的设计师和工程师来说，这个创想现已化为现实。如今，只需在日常办公

3、室环境 下，在一个安静、清洁和造型时尚的机器上，用一两个小时打印一下，按需制作的原型就能助工程设计组织一臂之力。 改进产品开发组织内的意见沟通； 缩短设计周期； 比竞争对手更早向市场投入卓越产品； 充分利用 R&D 费用； 改善精确度； 彻底消除费用高昂的错误想法； 触发奇思妙想； 推高创新和品质； 能够增进工程设计、销售、市场营销和高管团队之间的合作。 本文将先介绍三维打印的兴起和演进；然后深入探索三维打印成型机如何能够制作出实体模块；而最后，仔细检视 Z Corporation 三维打印成型机的界定性特性以及让这些特性体现出来的技术决策。 三维打印成型之实现之道 2 ZPrinter 31

4、0Z402 和 Z402c Z406Spectrum Z510 ZPrinter 450 ZPrinter 650 ZPrinter 350 第 1 代 1995200520002010 第 2 代第 3 代 三维打印成型技术的演进 价格合理的按需原型制作技术的实现是由一些麻省理工学院 (MIT) 的远见卓识者所最先构想出来的，他们在 1993 年开 发出了最快速和价格最合理的原型制造方法三维打印成型技术。更是在 1994 年成功创建了 Z Corporation 公司，我 们承诺将按需原型制作能力提供到每一位设计者或工程师的手边。实现这个承诺必须让三维打印成型机沿着文本打印机 的脚印走下去，

5、并要实现快速演进，以提供大家所需要的速度、可购性、精确度、色彩和可用性。 我们一直在努力实现这个承诺： 这是我们的设计者和工程师正在思考的问题. 第 1 代三维打印的来临 1996 年，我们推出了市场上第一款三维打印成型机 Z402，重新定义了快速原型制作的速度和可购性。随后推出的型 号，诸如 Z402c 和 Z406，引入了多色三维打印，可以在需要时制作出色彩更为鲜艳和提供更多信息的模型。 第 2 代改进性能、可购性和色彩 我们于 2003 年推出的 ZPrinter 310 带来了突破性的速度、简明的用户体验和前所未有的可购性。2005 年，Spectrum Z 510 以全新一代的高分辨

6、率打印和鲜艳的色彩重新定义了三维打印技术。 第 3 代集中在易用性上 2007 年，ZPrinter 450 首先带来了第 3 代三维打印成型机设备，其重点集中在易用性和办公室相容性方面。这款自 动化、自成一体、功能完善 (打印、除粉) 的解决方案改进了产品的易用性和办公室友好性。随后是 2008 年推出的 ZPrinter 650，其尺寸和性能都有所提升；以及 2009 年推出的 ZPrinter 350，它将三维打印成本带入了一个全新的水 平。这些打印成型机设备都增加了新用户对本类产品的购买能力。 三维打印成型之实现之道 3 能够生成可用于 三维打印文件的 CAD 软件示例 3D Stud

7、io MaxMicroStation 3DStudio VizMimics AliasPro/ENGINEER AutoCADRaindrop GeoMagic Bentley TriformaRapidForm BlenderRasMol CATIARevit COSMOSRhinoceros Form ZSketchUp InventorSolid Edge LightWave 3DSolidWorks Magics e-RPUGS NX MayaVectorWorks 三维打印成型之实现之道 4 三维打印成型是如何运作的？ 三维打印成型机的基本用途是快速将创意转化成实体对象。这种创意通常

8、采用诸如 SolidWorks、Autodesk Inven- tor 或 Pro/ENGINEER 之类的 3D CAD 软件创建出来的三维计算机模型实现出来。 在准备好开始执行打印任务后，就可单击“3D Print (三维打印)”按钮。此操作将数字化的层文件发送至 ZPrinter，然后 模型就立刻开始打印了。 ZPrinter 将在每一层的上面打印出新的一层，随着这个过程，实体部件就在成型机的构建仓内制作出来。我们将在下文 详细说明 ZPrinter 是如何完成打印任务的。在 ZPrinter 将最终层打印完毕后，将经历一个短时间的干燥定型周期。然后 就可以搬动实体模型了 (参见图 1.

9、3) 所有这些软件都能用于三维打印的标准格式将三维模型 输出，包括.STL，.WRL (VRML)，.PLY，.3DSand和 .ZPR。 这些输出文件都表示一些在空间定位的网格或一系列的 三角形，这些网格或三角形围起了一定的3D容积。而这 种网格必须“水密”以形成实心模型，而不仅仅是没有 任何厚度的表面 (参见第 5 页的图1.1)。换句话说，此时 的设计方案必须已经准备好存在于现实世界中制造，而 不仅是存在于计算机当中。 文件已属于可打印格式之时，您按启动 PC 机上的 ZPrint 软件。运用 ZPrint，您就可以比例放大或缩小您 想要打印的文件，确定各个部件在构建仓内的方位，并 发指

10、令给三维打印成型机在同一次构建操作当中打印部 件的多个版本 (有变化或无变化均可)。 然后 ZPrint 将 3D 模型文件层切片成数百个数字化横截 面，或称为“层”。每个 0.004 英寸 (0.1 毫米) 的切片 对应于将要在 ZPrinter 内制作的模型的一个层 (参见图 1.2)。 图 1 三维打印成型过程 三维打印可使用标准 格式输出的 CAD 文件 输出的文件是一种包 围着一定 3D 容积的 网格。 CAD 软件网格 ZPrint 层 ZPrinter完成的模型 ZPrint 软件将三维模 型切片成数百个数字 化横截面，每个横截 面对应于所要打印模 型的一个层。 然后再每一层的上

11、面 打印出新一层，直至 模型打印完毕。 1.1 1.3 1.2 三维打印成型之实现之道 5 A. 自动空气过滤器：用于确保所有粉末均保留在设备界 区之内，只允许清洁的空气排至办公室或工作室环境 当中。 B. 胶水盒：内含用于固化粉末的水基胶水。 C. 构建仓：用于制作部件的区域。 D. 滑动托架：能够沿门架滑动以定位打印头。 E. 压缩机：产生用于清除完工部件上粉末的压缩空气。 F. 尘屑过滤器：用于在构建后粉末回收过程中防止任何固 体进入料斗，以确保下一次构建作业的清洁。 G. 电子线路盒：用于控制 ZPrinter 所有动作的板载计算 机。 H. 门架：能够沿每个构建层来回横向移动的水平架

12、条。 I. 料斗：承载用于制作模型的粉末。 J. 贮盒：用于承集来自胶水盒的胶水，并向门架供应胶 水。 K. 维护站：能够在要求时自动清洁打印头。 L. 真空阀：作为除粉系统的核心部件，可以从构建仓、溢 流、除粉站处或接回料斗的真空软管处真空吸取粉末。 I C G H J B K A F E L D 三维打印成型之实现之道 6 系统综述 我们的三维打印成型过程是自动化执行的，因此对于任何用户来说都很简便。只是，有许多工作步骤将在打印成型机的 机罩下完成。本节对 ZPrinter 系统以及三维实体模型打印所涉及的工作步骤进行了总体介绍。我们将在详细描述三维打 印过程时参照图 2 中的三维打印成型

13、机说明图。 图 2 ZPrinter 内部构造 三维打印成型之实现之道 7 打印循环 我们的三维打印成型过程清洁而且高度自动化。这里所描述的所有工作步骤都不需要您发出任何指令。 准备 一旦您在ZPrint软件内点击“3D Print (三维打印)”按钮，打印成型机就会启动一项构建前例行程序。首 先，打印成型机会加热成型机内的空气，形成一种有利于三维打印的最优工作环境。与此同时，打印成型机会用一 层 1/8 英寸 (3.18 毫米) 的粉末层填充构建仓，使得部件在构建完成后就放置在这层粉末之上，以方便取出部件。打 印成型机也可以执行一项自动打印头校准例行程序。这个例行程序包括在粉末上打印一个图案

14、，用电子眼读取这个 图案，并据此校准自己的打印头 (参见第 8 页的图 3.1) 。 打印成型 一旦构建前例行程序执行完毕，打印机就会立刻开始打印在 ZPrint 软件内创建的各个层。打印成型 机会从设备背部的料斗内撒布粉末，沿构建平台向前撒布 0.004 英寸 (0.1 毫米) 的薄层 (参见图 3.2)。打印托架随后 沿此层横向移动，按照 ZPrint 所发来的第一个切片的图案撒布胶水 (以及用于打印彩色模型的各种墨水)。胶水会让 模型横截面内的粉末固化，而其它粉末保持干燥，以后可以回收 (参见图 3.3)。此时，构建仓下方的活塞将把粉末 床向下放低 0.004 英寸 (0.1 毫米)，为

15、下一层的打印做好准备(参见第 9 页的图 4.1)。这个循环将一再重复，直至模 型构建完毕 (参见图4.2)。 除粉 / 回收在模型构建完成后，模型将悬浮在粉末当中进行养护。在养护时间结束时，打印成型机将通过施加 真空吸力以及向构建仓底部施加振动，自动去除模型周围的大多数粉末。松散的粉末在气力作用下沿系统进行输 送，经过过滤，送回至料斗以备后续构建作业使用 (参见图 4.3)。这时，您就可以打开打印成型机前盖，将部件移 至精细除粉仓了。在此仓室内，您可以用压缩空气喷扫部件，去除所有的粉末残余痕迹 (这部分材料也自动真空吸 回至 ZPrinter 并回收以供以后使用)。进入 ZPrinter 的

16、所有粉末最终必将转化成模型的一部分。不会有任何材料浪费 或丢失。所有粉末的加装、清除和回收操作都一直是由负压支持，以将空气中漂浮的颗粒物限制在打印机体内的闭 环系统的组成部分。 3.1 3.2 3.3 当用户单击“3D Print (三维打印)”按钮 后，ZPrinter 打印成型机预热，以构建材 料填充构建仓，并在必要时自动校准其 打印头。 ZPrinter 开始构建模型， 向下释放一层粉末。 打印小车沿此层横向移动，依照第一 切片层的图案降下胶水 (以及彩色模型 用的墨水)。第 3.2 步和 3.3 步将反复 执行，直至模型构建完毕。 胶水会让这个模型横截面内 的粉末固化，而其它粉末保 持干燥，以后可以回收。 三维打印成型之实现之道 8 图 3 三维打印成型循环 在每层构建后，构建仓下方的活塞 将放低粉末床，准备执行下一层的 构建。 这个循环继续重复执行下去，直 至模型构建完毕。 在模型构建完成后，模型将悬浮在粉末当 中进行养护。在养护时间结束时，打印成 型机将自动真空吸取模型