Skip to main content
shopping_basket 购物车 0
登录

3D打印科普(2): 3D模型诞生过程

yangtianyu
0

小编在3D打印科普(1):初步认识3D打印中为大家介绍了3D打印的基础知识,想必大家对此有了基本的认识,本篇文章将为大家详细介绍3D打印的整个流程以及打印技术原理。 

一个3D打印模型的诞生过程包括:概念/创意、设计模型、模型切片、打印模型、后期处理。

1.设计模型

三维模型

3D打印模型可以使用计算机辅助设计软件包括三维扫描仪生成。手动搜集制作3D图像所需的几何数据过程同雕塑等造型艺术类似。通过3D扫描,可以生成关于真实物体的形状、外表等的电子数据并进行分析。以3D扫描得到的数据为基础,就可以生成被扫描物体的三维电脑模型。

无论使用哪种3D建模软件,生成的3D模型(通常为.skp、.dae、.3ds或其它格式)都需要转换成.STL或.OBJ这类打印机可以读取的格式。

使用STL格式文件打印3D模型前需要先进行“流形错误”检查,这一步通常称为“修正”。对于采用3D扫描获得的模型来说,STL文件“修正”尤其重要,因为这样的模型通常会有大量流形错误。常见的流形错误包括:各表面没有相互连接,或是模型上存在空隙等。netfabb、Meshmixer,或是Cura和Slic3r都是常见的修正软件。

                                                               3D打印常用软件

2.模型切片

完成修正后,用户可以用一种名为“slicer”(意为“切片机”)的软件功能将STL文件代表的模型转换成一系列薄层,同时生成G代码文件,其中包括针对某种3D打印机(FDM打印机)的定制指令。接下来,用户可以用3D打印客户端软件打印G代码文件,这种客户端软件可以利用加载的G代码指示3D打印机完成打印过程)。值得注意的是,实际应用中的3D打印客户端软件通常会包含“切片机”软件功能。有多种开源切片机程序可供选择,如Skeinforge、Slic3r和Cura,不开放源代码的切片机程序则有Simplify3D和KISSlicer。3D打印客户端软件则有Repetier-Host、ReplicatorG和Printrun/Pronterface。

                                                   3D切片模型

需要注意的是还有一款用到3D打印的人们经常使用的软件叫做G代码查看器(Gcode viewer)。这个软件可以检查打印机喷嘴的行进路线。通过检查这个,用户可以自行决定修改GCode打印模型的不同方式(例如以不同姿势,如站立或平躺)以节省塑料(根据姿势和喷嘴路线,会用到更多或更少的支撑材料)。G代码查看器的例子有Gcode Viewer for Blender和Pleasant3D。 

3.打印模型

许多3D技术逐渐投入使用。不同增量工艺主要区别在于层叠方法和使用的材料。有些工艺通过熔化或软化材料分层,例如激光选区熔化技术(SLM)或直接金属激光烧结术(DMLS)、选择性激光烧结术(SLS)、熔融沉积成型(FDM)或熔丝制造(FFF)。还有些工艺运用不同技术加工液体原料,例如立体光刻技术(SLA)。在分层实体制造技术(LOM)下,原材料(纸张,聚合物,金属等)被切分成层以供重组。打印技术如下:

(1)挤压沉积技术

FDM技术即熔融沉积成型(FDM)技术,制作模型或部件的方法是使用一种细珠,可以即时硬化形成分层。缠绕在卷轴上的热塑丝或金属线逐渐展开并输送向挤压喷嘴。挤压喷嘴将其加热输出。通常情况下会使用步进马达或伺服马达操控挤压喷头和调控材料输出。喷头横纵均可移动,通常使用微控制器当中的计算机辅助制造(CAM)软件包对喷头输出过程进行监控。

ABS树脂、聚碳酸酯(PC)、聚乳酸(PLA)、高密度聚乙烯(HDPE)、PC/ABS、聚苯矾(PPSU)和高抗冲聚苯乙烯(HIPS)等高分子聚合物都会在过程中被使用。一般情况,这些聚合物都被用纯树脂粘接起来,呈丝状。

熔融沉积成型:1—注射熔体塑料喷嘴,2—沉积材料(模体),3—可移动操控台

(2)颗粒材料结合

另一种3D打印技术就是在颗粒床上对材料进行选择性融合。首先,先融合部分材料,将其放入工作区,加入另一层颗粒材料,重复上一个过程,直到一个完成的部件被生产出来。这一过程使用未融合的材料作为媒介来支撑悬挂的或材质较薄的膏体,减少了生产过程中临时辅助支撑材料的使用。过程中还会使用激光来将液体的媒介烧结,例如选择性激光烧结(SLS)技术,会同时运用金属和聚合物(如聚酰胺(PA)、玻璃纤维增强聚酰(PAGF)、玻璃纤维(GF)、聚醚醚酮(PEEK)、甲苯(PS)、Alumide、碳化物、弹性体),和直接金属激光烧结(DMLS)技术。

激光选区熔化(SLM)技术并不采用烧结融合粉末颗粒的做法,而是分层使用高能量激光使粉末完全融化,产出高密度的材料。这样生产出的材料与用传统方法生产出的金属机械性能类似。

电子光束溶解法(EBM)也是一种类似的增量制造技术,用于制造金属部件(钛合金等)。EBM技术在真空中用电子束逐层的熔化金属粉末。但与需要在低于熔点的温度下采用的金属烧结工艺不同,EBM技术生产出的部件密度大,无气泡,硬度强。

另一种方法需要采用一种3D喷墨打印系统。打印机平铺一层粉末(石膏,树脂等),运用类似喷墨打印的方法制作出一部分部件,再将横截面粘合起来,每次生产一层模型。这个过程一直重复下去,直到模型的所有层次都打印出来。这种技术可以打印全彩物体和悬空以及弹性物体。通过注入蜡或热固性聚合物可以提高粉末打印物的粘合力。

(3)层压

一些3D打印机可以使用纸张进行低成本的3D打印。20世纪90年代,一些公司开始推广一批新型的3D打印机。这些打印机使用二氧化碳激光束切割出一部分有特殊涂层的纸张,然后再层层压合在一起。

2005年,Mcor科技有限公司发明了一种不同的方法,采用碳化钨刀片切割普通的办公室纸张,对其加压,选择性地沉积粘合材料组合出成品。还有许多公司出售的3D打印机可以使用薄塑料或薄金属片对材料进行层压成型。

(4)光聚合

光聚合技术,SLA主要采用的就是这种技术,从液体从分离出固态成品。该技术大大改进了 “光雕塑”技术。这种“光雕塑”技术需要从不同的等距角度对物体进行拍摄,将每张照片嵌入屏幕中,再用比例绘图仪在塑形粘土上绘出轮廓。

在使用光聚合技术时,要求将一桶液体聚合物置于安全灯的可控光照射下,暴露在灯光下的液体聚合物的表层渐渐固化,此时将已经固化的模板向下移动,再次将液体的聚合物暴露在灯光下,再次固化。如此重复直到整个模型成型。将剩下的液体聚合物控出,剩下的就是固体模型了。

诸如Objet PolyJet之类的喷墨打印机系统采用的方法是将光聚合物喷洒在极细的一层托盘上(16至30微米之间),每层光聚合物在被喷出之后需要紫外线进行固化加工,这样可以使最终固化的模型可以立刻投入使用而不再需要后期固化。用于支撑复杂形状模型的凝胶样的支撑材料可以手工或喷水去除。该技术同样适用于弹性体原料。

运用多光子光聚合技术的3D微加工可以制造超小微粒。该技术采用聚焦激光束将凝胶变成需要的3D模型。因为光激发是非线性的,凝胶只会在激光照射的地方固化,剩余的则可以直接丢弃。无论是小于100纳米的微粒,还是有移动交叉的复杂模型,这种技术都可以轻松做出。另一种技术则需要用到经LED灯固化的人造树脂。

掩码图像投影立体光刻技术将3D电子模型水平分区成片状,每片都会被转化成二维掩码图像,将掩码图像嵌到光固化树脂的平面,打上灯光,就能把树脂固化成每片模型的形状。有些模型包含多种材料,凝结速率不同。

                                                            立体光刻工艺

4.后期处理

模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工,可以通过模型剪、尖嘴钳、刻刀来去支撑,使用粘合剂来粘合/拼装,使用原子灰、水补土、502+滑石粉来补土,使用喷漆、油性马克笔、丙烯颜料、水粉画笔、勾线笔等工具来上色等等,才能最终完成所需要的模型的制作。

小编之前翻译过一篇关于<<想知道如何利用空闲房间?...把它变成一个大型3D打印机!>>的文章,介绍了一种开源的、可负担的、自我复制的3D打印机,利用整个房间来打印大型物品,它是计算机结合了嵌在房间墙壁,天花板和地板里的电缆和滑轮的控制器系统,这种独特的网状构造不依赖于盒子,框架或导轨,它可以连接到任何平稳的表面。非常有趣,下面是它的视频链接:

http://v.youku.com/v_show/id_XMjcxODUxMTM1Ng==.html

http://v.youku.com/v_show/id_XMjcxODUxMzczMg==.html

今天小编就介绍到这里,后续文章中将会为大家介绍3D打印的优劣势,敬请关注!

 

 

 

 

yangtianyu 还没写个人简介...

相关内容

DesignSpark Electrical Logolinkedin