数控零件编程与加工 补充资料-常见3D打印设备

常见3D打印设备3D打印机通常的划分是工业级和桌面级，桌面级一般也叫个人级、民用级、消费级。通常可加工超大尺寸的产品、价格昂贵的设备称之为工业级设备，一般使用SLS、3DP等技术，如Objet1000、Zprinter系列的设备，主要应用于汽车、国防航空航天、工业机械、消费品、家电等工业领域。桌面级设备加工产品的尺寸一般较小，目前大部分使用的是FDM技术。工业级设备，如Objet1000，能打印100cm×80cm×50cm尺寸的成型产品，而桌面级设备的加工尺寸一般都在20cm×20cm×20cm左右。在3D打印领域，3DSystems和Stratasys，是两个不得不提的名字，它们争斗了近30年，持续上演着双雄争霸，它们的故事演绎着一个行业的发展轨迹。3DSystems公司的技术优势和特色有：SLA（光固化立体成型）的鼻祖，全彩3DP打印。3DSystems产品线涵盖个人级3D打印机（如Cube、CubeX、3DTouch系列等）、专业级3D打印机（如ProJet3500、ProJet7000、Zprinter650等）和生产级3D打印机（如SLS工艺的sPro230，SLM工艺的sPro250，最大的SLA打印机iPro9000等）。Stratasys公司的技术优势和特色有：FDM（熔融沉积成型）的鼻祖，光敏固化技术精细度高、多种材料同时混合成型。Stratasys的3D打印机产品线，根据可打印物品体积的不同，分为MakerBot系列、IDEA创意系列（如uPrintSE）、Design设计系列（如Objet系列打印机）与Production产品系列（如Fotus系列打印机）。首先介绍3DSystems公司。创始人查尔斯·W·哈尔（CharlesW.Hull）称得上是一位发明家，现年70多岁的他已经获得了60多项专利，其中最著名的当属为3D打印技术的普及铺平道路的“Stereolithography，立体平板印刷、立体光刻、光固化立体成型”技术。1982年，在紫外线设备生产商UVP担任副总裁的哈尔尝试将一种可被紫外光固化的液态感光树脂用于快速成型。哈尔的方法对于当时的快速成型工艺是一个巨大的突破。一方面，它加快了制造物品的速度，体积较小、构造相对简单的物品能在几小时内打印完成；另一方面，打印物品的体积也得到了提升，大多数光固化立体打印机能打印出50cm×50cm×60cm的部件，有的机器则能打印出高达2m的物体。1986年3月，哈尔为这项技术申请了专利，随后他离开UVP，成立了3DSystems公司，致力于将该技术商业化。为了让机器能够更加精确地将CAD模型打印成实物，哈尔又研发了著名的STL文件格式。STL格式将CAD模型进行三角化处理，用许多散乱无序的三角形的小平面来表示三维物体，如今已是CAD/CAM系统接口文件格式的工业标准之一。不过，光固化立体成型技术也有自己的缺陷。由于采用紫外光对物体进行固化，这项技术所使用的材料有一定的局限，而且无论是机器本身还是光固化材料都价格高昂，这使得基于该技术的快速成型与3D打印技术的普及速度受到了限制。与此同时，另一项同类技术的出现也对3DSystems公司造成了一定的冲击。20世纪80年代中期，身为传感器制造商IDEA的联合创始人和销售副总裁的斯科特·克伦普（ScottCrump）决定设计一个能快速生产模型的机器。与光固化立体成型使用的光固化材料不同，克伦普的方案采用的材料是热塑性塑料。这一技术被克伦普命名为熔融沉积成型（FusedDepositionModeling），并于1989年创立了3D打印机的制造商Stratasys公司，担任CEO至今。1988年，3DSystems推出了第一台基于光固化立体成型技术的3D打印机。尽管体积庞大且售价高昂，但它的问世标志着3D打印商业化的起步。1990年，3DSystems从UVP公司购买了光固化立体成型的专利，3D打印机的量产随之加快，公司也于当年在纳斯达克挂牌交易（2011年转至纽交所）。与此同时，Stratasys也在克伦普的带领下快速成长，于1992年推出了第一台基于熔融沉积成型的3D打印机──“3D造型者（3DModeler）”。公司于1994年在纳斯达克上市，并先后推出了多款面向不同行业和市场的3D打印机。根据Wohlers2012年的报告，2011年Stratasys公司占有增材制造市场41.5%的市场份额，连续10年成为市场领头羊。目前，Stratasys已成功打造了uPrint、Dimension和Fortus3个品牌。其中桌面级的uPrint最低售价不到16,000美元，可打印中等大小的模型，支持彩色打印，适合工程师和教育工作者。落地式的Dimension问世于2002年，是目前全球市场最畅销的3D打印机系列之一，售价约32,000美元，使用坚固的ABS塑料作为打印材料，不仅能打印普通模型，还能打印车内组件，甚至是航空和医疗领域的零部件。Fortus被称为“3D生产系统”，覆盖从桌面级打印机到大型3D打印机在内的多款设备，打印物品的范围从概念模型到高要求的终端配件和制造工具，适用的领域则包括航空、汽车、商业、教育、医疗和军事等，当然售价也相对较高。Stratasys还推出了廉价的桌面级专业3D打印机Mojo系列，售价低至9,900美元，能快速打印出较小的ABS模具。此外，2012年4月，Stratasys还合并了以色列公司Objet，后者同样是3D打印机领域的巨头之一，其因参与《侏罗纪公园3》、《钢铁侠2》、《阿凡达》中的各尺寸模型的制作而在业界小有名气。2013年6月20日，Stratasys宣布收购日渐崛起的桌面级3D打印公司MakerBot。两者的合并意味着以Stratasys为代表的专业级打印设备和以MakerBot为代表的消费机型在技术和品牌上的弥合，并开创面向学校和企业的中端市场的可相对于Stratasys，3DSystems在面向个人和小工作室的入门级3D打印机市场的步伐要快得多。这家公司在2009年就推出了第一款10,000美元以内的3D打印机。2010年10月和2011年8月，它又连续收购了两家廉价3D打印机生产商─BitsFromBytes（BFB）和BotMill。两家公司的产品都以学生和个人爱好者为目标用户，目前BFB的RapMan系列最低售价为1,390美元，BotMill旗下的Axis更是仅需999美元。3DSystems又推出了面向家庭用户的迷你3D打印机，能打印14cm×14cm×14cm的物体，售价1,299美元起。除了个人和家庭市场，专业和生产级别的3D打印机也是3DSystems的主攻方向。由于材料的局限性，尽管光固化立体成型始终是公司的核心技术，3DSystems也推出了基于选择性激光烧结（SLS）和金属激光烧结（DMLS）技术的产品。3DSystems的产品支持多种材料，覆盖汽车、航空航天、消费电子、娱乐、医疗等多个领域。公司又以1.37亿美元的总价收购了专业3D打印机制造商ZCorporation和扫描设备生产商Vidar。目前，3DSystems已拥有超过360项美国专利，即便在Stratasys收购获得了Objet公司的110项专利后仍保持着领先。值得一提的是，3DSystems公司还收购了Geomagic公司，这是一家全球领先的数字化解决方案供应商，包含数字化设计、数字化扫描、检测产品。当然，除了3DSystems和Stratasys公司，还有其他公司也觊觎于利润丰厚的工业级打印机市场。在两大巨头的压制之下，这些公司只能以产品的独特性来打入这个市场。以爱尔兰的Mcor公司为例，针对市面上绝大多数打印机不能打印全彩的现状，创新性地采用容易上色的纸质材料来进行彩色3D打印。所研发的Matrix300+彩色3D打印机，采用称之为选择性沉积层压（SDL，SelectiveDepostionLumination）的工艺，其原理就是利用现有的纸张将其打成纸浆之后再逐层凝固上色。除了能实现彩色的3D打印，这种技术的好处有两点：一是耗材随处都有，只是普通A4纸；二是纸质的打印成品废弃后可以很容易降解，对环境非常友好，这比3DSystems的Zprinter全彩打印机使用石膏粉要环保。Mcor公司的Matrix300+彩色3D打印机采用的选择性沉积层压（SDL）技术与2.2.8节中介绍的LOM（分层实体制造）技术原理相似且两者都采用纸张作为耗材。在分辨率上，Matrix可以达到5760×1440×508dpi，据称这种打印机的打印速度要比传统的3D打印速度快3倍。全球第三家3D打印上市公司ExOne的技术独到之处是可打印砂子，制作铸造用的砂模。旗下的ExOneS-Max也是最大的可打印金属、玻璃等材质的3D打印机。另一家公司Voveljet的突出技术优势是产品非常庞大，最大可打印4m×2m×1m的物体。Voxeljet4000是目前商品化能打印体积最大的3D打印机。此外，德国EOS公司是激光3D金属打印的全球领导厂商，尤其在工业3D打印领域具备显著优势。DMLS直接金属激光烧结技术就是它所研发的。上面介绍的这些工业级打印机因为体积庞大、价格昂贵，一般给人一种高深莫测的感觉。但实际上，操作起来其实是非常简单的。下面，我们就以3DSystems公司的产品为例，展示一下工业级打印的全过程。我们采用的是Zprinter系列打印机，使用3DP工艺。原理和喷墨打印机一样。上一层粉，喷一层该截面形状的胶水，再继续上粉。可以选择透明和彩色两种胶水。以下是打印机的外壳以及开盖后的图片。打印前，先将右槽的粉铲入左槽，慢慢降低左槽（同时升高右槽），再抹平表面。打印时左边槽升高、右边槽降低，一边把粉一层一层吹过去，一边上胶。打印的时间取决于产品体积大小。图2-35是打印完毕后用铲子挖开周边的样子。刚打印出来的产品很脆，很容易损坏。挖得差不多了就用吸尘器一点点吸掉周边的粉末。吸尘器吸掉的粉末都回收在打印机下方，可以重复利用。；（刨出来以后就可以把表面的粉末尽量吹掉了，吹干净以后上两次胶加固即可。OK，工业级3D打当下的3D打印机业界可以清晰地分为两类公司：一类是过去30年左右成立的，以生产价格在数万到数十万美元之间工业级设备为主的公司；而另一类则是从2009年开始崛起的桌面级打印机公司，生产的设备价格通常在几千美元左右。当然，大的工业级打印机生产公司（Stratasys和3DSystems）也已涉入桌面领域，推出了多款桌面级打印机（在最近几年里，桌面级打印机之所以能够兴起是因为当年工业级打印机的专利陆续到期失效。因此，MakerBot和其他桌面级打印机公司们能够使用像Stratasys这样的工业先驱们的最初探索成果）。首先介绍一下美国3D打印机品牌。Stratasys公司：MakerBot（也已属于Stratasys公司0.1~0.1~3DSystems公司的桌面级打印机：BFB（Bits欧洲3D打印机品牌列表。RepRapProRepRapPro：UltimakerUltimaker：0.02~最后再介绍几款中国国产3D打印机品牌。太尔时代：太尔时代：0.15~DFRobotDFRobot：DFROBOTAODAOD公司：（注意：以上的产品参数来自各厂商的宣传页面，并非在同一真实环境下进行对比获得。强烈桌面级打印机价格低廉，性能指标也越来越向工业级打印机看齐。如果我们回顾第一台计算机庞大的身形，再放眼现在一部手掌大小手机的强大处理能力，就不难预测3D打印机的未来也将遵循当年计算机的发展足迹：越来越小型化，桌面级打印机也必将攻陷目前工业机的大部分疆土。值得一提的是，桌面级打印机一般都是基于开源平台的，直接在共享设计资料的基础上做些改进就可推出自己的品牌，因此出现了百家争鸣的蓬勃发展局面。争奇斗艳、标新立异是桌面级打印机的一个最重要特色。下面就甄选几款有特色的桌面级打印机进行介绍。全球首款桌面级多彩3D打印机ProDesk3DProDesk3D使用PLA或者PVA材料进行打印，精度误差控制在25μm以内，还能够实现打印ABS材料。这款设备最强大的地方在于，采用了5色的PLA墨盒系统，能够像传统的喷墨打印机一样通过双喷嘴对3D打印对象进行渲染。虽比不上Zprinter那样的全彩打印机，但也能形成多彩的颜色。可打印食品的FAB@HOME功能：可用几乎任何材料进行打印，包括面粉、巧克力、蒙砂、黏土和橡胶。还有一款名叫ChocoByte的精巧机器，由悉尼的发明者QuinnKaraitiana设计，售价仅为90美元（约合人民币559元）。桌面上的专业级3D打印机Form1一般而言，桌面级打印机的精度都不是太高。以颇受欢迎的桌面级3D打印机MakerBotReplicator2为例，精度仅为0.1mm。为了突破这一限制，Formlabs推出的Form1打印机的最高分辨率可以达到0.025mm，意味着它已达到了工业级的精度。就像大多数3D打印机一样，Form1也是通过逐层堆叠材料，但是不同于其他入门级的打印机，它使用液态光敏树脂进行光固化立体成型，这是一种可以呈现高精度细节的技术。Form1打印机能够让你不需要花费更多的钱来获得更高品质的设备。这款产品使用液态光敏树脂进行光固化立体成型来实现精准打印，最大打印尺寸为4.9ft×4.9ft×6.5ft。这款高精度3D打印机目前的市场售价仅为3,299美元。提示：虽然Form1打印机不贵，但使用的材料光敏树脂相比于廉价的ABS、PLA耗材来说却是比较昂贵的。除了Form1，现在还有B9Creator、Sedgwick、MiiCraft等品牌的高精度桌面机，也都是用液态光敏树脂进行光固化立体成型的。桌面上的碳纤维3D打印机MarkOne碳纤维这种材料强度是钢的2倍，重量却只有其三分之一。美国MarkForg3D公司推出一款造价仅为4999美元的个人3D打印机MarkOne，可利用碳纤维进行桌面打印，产品既轻又硬，硬度是ABS耗材的20倍，甚至超过了铝合金。这款3D打印机精度为100um，成型尺寸为305*160*160mm。最后再介绍一款奇特的3D打印机。一般情况下，3D打印机需要放到一个水平的地方再进行作业。而一款名叫“Mataerial”的3D打印机器人打破了这种局限，它完全可以在垂直、光滑，甚至凹凸不平的表面打印产品，不需要任何支撑工具。机器使用热固性聚合物取代一般3D打印机常用的热塑性塑料，从喷头挤出来的材料能够瞬间凝固，并随着机械臂的摆动而调整出各种形状。购买3D打印机时，要根据实际的应用需求以及打印机的性能指标来进行选择。具体来讲，可重点考虑以下这些具体的性能属性。最小细节分辨率分辨率是3D打印机最重要的指标，因为它直接决定了输出的精度，同时它又是最令人困惑的指标之一：分辨率可能写成Z轴层厚（层厚精度）、XY轴精度（定位精度）、每英寸点数（dpi）、像素尺寸、束斑大小和喷嘴直径等。尽管这些参数有助于比较同一类3D打印机的分辨率，但是很难用来比较不同的3D打印技术。一般而言，比较重要的一项参数是Z轴层的厚度（如果实际的成型精度确实能够达到的话），例如，MakerBotReplicator2/2X的打印层厚为0.1mm。当然，不要轻易相信一些厂商宣称的精度，最好的办法是亲自试打一个具有微小细节的3D模型，比如细长的角、纤细的手指头等，然后仔细查看锋利的边缘和拐角清晰度、最小细节尺寸、侧壁质量和表面光滑度。请注意：这里有三个概念容易混淆：定位精度、层厚精度、成型精度。市面上的一些商家把定位精度或层厚精度当作实际成型精度来宣传，混淆了很多消费者。其实定位精度是机械的定位精度，目前的FDM桌面级3D打印机的机械精度大概是XY轴定位精度0.0128mm，Z轴定位精度0.0025mm。这些数字对用户来讲没有意义，因为喷嘴直径一般是0.4mm，而每层打印的Z轴层厚精度一般在0.1-0.3mm之间，其精度远低于机械精度，所以打印的误差主要来自对出料的控制、材料收缩等。实际成型精度，是指打印出来的模型和三维图纸的设计尺寸之间的误差，这个误差如果太大，打印出来的物品可能无法装配到需要的位置（比如说螺丝和螺母不能互相配合）。所以实际成型精度才是对消费者最有意义的考量。还有一个很重要但常常被忽略的参数，那就是线宽（ThreadWidth）。大部分的打印机拥有直径是0.4mm或是0.5mm的喷头，而线宽是由打印机喷头的直径来决定的（详情见2.2.2节），通常会大于喷头直径。事实上，3D打印机画出来的圆，大小都会是线宽的两倍。举例来说：一个0.4mm的喷头画出来的圆最小直径是0.8mm，而0.5mm的喷头画出来的最小直径则是1mm，也即“你能创造的最小物件不会小于线宽的两倍”。目前有两位美国的创客开发了用于评测3D打印机性能的测试片套装，用于测试控制平滑表面的能力、各种倒凹型和细节保留度、打印伸缩结构的能力等。当这些测试片被打印出来之后，你就可以测量这些部分的实际大小和角度，并与其3D文件相比较，从而判断打印机的各项性能。另外，Thingiverse网站也提供了两个测试套件：TheEssentialCalibrationSet（基本标定集：/thing:5573以及Testyour3Dprinter!（/thing:1019228）。打印速度根据3D打印机制造商所采用的3D打印技术的不同，3D打印速度的评价标准也是不同的。有些用来指示在Z轴方向上打印一定高度所需的时间，通常用inch/h、mm/h来表示。那些具备稳定的垂直打印速度的3D打印机普遍采用这一技术参数，其不受被打印物体的结构复杂度和单次打印部件数量的影响。另外一种评价打印速度的指标是打印一定体积所需的时间。一些3D打印机可以快速打印单个、结构简单的物体，一般采用这种指标。但是这种类型的3D打印机在遇到打印数量增加或者结构比较复杂的打印任务时，打印速度就会明显下降，因此不适用于打印速度要求较高的手板模型。对于目前的FDM桌面级3D打印机而言，如果速度是你的首选，可考虑选择Ultimaker。3D打印成本/部件成本部件成本通常表示为每单位体积的成本，如每立方英寸的成本或每立方厘米的成本。部件成本取决于所消耗的材料总量以及材料的价格。除了廉价的ABS和PLA塑料，石膏粉也是非常便宜的。而且，未使用的石膏粉末可放入打印机中回收和再利用，因此成本可以达到其他3D打印技术的1/3到1/2。有些供应商提供的报价只包含了成型件所需模型材料的费用，而不含支撑材料或者3D打印过程中产生的其他损耗的费用，这种报价不是真实的、最终的报价。材料属性了解预期的应用和所需材料的特性，对于选择3D打印机来说很重要。每种技术各有所长也各有所短。对于概念建模应用来说，实际的物理特性可能没有部件成本和模型外观那么重要。概念模型主要用于预览效果，可能使用后很快就被丢弃。而验证模型可能需要模拟最终产品的效果，需要实现与最终生产材料接近的功能特征，如具有可铸性或耐高温，一般需要在较长的时间内保持牢固。每种3D打印技术都受限于具体的材料类型。对于个人3D打印，材料大致可分为非塑料、塑料、蜡这几类。非塑料材料常使用石膏粉与可打印的黏结剂，部件成品紧密而坚硬，可以通过浸润变得非常牢固。石膏粉结合独特的全彩色打印能力，可以制造出逼真的视觉模型，而无须额外的绘画或后期处理。但石膏强度不高，脆弱易碎。塑料材料可以柔软、可以坚硬，有些还具有高耐温性。透明塑料材料、生物相容性塑料材料、可铸性塑料材料均有销售。有些3D打印的塑料成品是防水的，而有些却是多孔的，会因吸收水分导致产品膨胀而改变尺寸。请注意：买到一卷新的耗材后，可从以下方面简单判断一下品质：一看有没有可见的斑点、气泡之类的杂质；二看有没有色差，尤其是透明耗