和歡慶

“3D打印”學(xué)名為“快速成型技術(shù)”（Rapid Prototype），也稱為“增材制造技術(shù)”，3D打印是一項(xiàng)革命性技術(shù)，它不再需要傳統(tǒng)刀具、夾具和機(jī)床，而是根據(jù)物體的三維模型數(shù)據(jù)，通過(guò)成型設(shè)備以材料累加的方式制成實(shí)物模型的技術(shù)，這將縮短產(chǎn)品的研制周期，降低了生產(chǎn)所需的人力資源成本并提高了生產(chǎn)效率。飛機(jī)、核電、火電等行業(yè)所使用的重型、高端機(jī)械裝備上，傳統(tǒng)的焊接和零部件加固的方法使得部件之間的連接并不牢固，但使用3D打印技術(shù)獲得的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了自然無(wú)縫連接，在各結(jié)構(gòu)組件之間的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度方面，要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。有相關(guān)專家預(yù)測(cè)，3D打印技術(shù)是一種新型的生產(chǎn)方式，其可能帶來(lái)第三次工業(yè)革命。

下面，我們對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)和3D打印技術(shù)作一下比較。傳統(tǒng)的工業(yè)制造方法多是“減材制造”，即在整塊材料的基礎(chǔ)上去除多余部分，將剩下的部分制成產(chǎn)品；而作為“增材制造”的3D打印技術(shù)則是利用3D數(shù)據(jù)，進(jìn)行逐層分切打印，層層打印出來(lái)的切片會(huì)不斷疊加，最終形成一個(gè)完整的立體物體，在生產(chǎn)過(guò)程幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何廢棄物。

3D打印技術(shù)的發(fā)展也是日新月異，下面就介紹一下目前較為先進(jìn)的3D打印/印刷設(shè)備及其應(yīng)用。

3D激光打印機(jī)

3D激光打印機(jī)（參見(jiàn)圖1），包括模型工作臺(tái)1、置于模型工作臺(tái)1上方的感光鼓2、粉末盒3、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置4、固定于機(jī)體上的轉(zhuǎn)軸5和置于轉(zhuǎn)軸5上的轉(zhuǎn)印皮帶6。感光鼓2分別與粉末盒3、轉(zhuǎn)印皮帶6相接觸，信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置4與計(jì)算機(jī)相連，轉(zhuǎn)印皮帶6為一條且其上設(shè)有兩個(gè)感光鼓2，每個(gè)感光鼓2分別設(shè)有一個(gè)粉末盒3、一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置4；兩個(gè)粉末盒3中的一個(gè)填充有熱熔粉末，另一個(gè)填充有非熱熔粉末。

3D激光打印機(jī)的使用方法（參見(jiàn)圖2），包括以下步驟：

①由計(jì)算機(jī)按層分解3D立體圖，形成從下至上一系列序號(hào)規(guī)則的正平面圖，生成每個(gè)正平面的同時(shí)生成一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的反平面圖，即每層得到正、反兩個(gè)圖形。其中：分解3D立體圖的層厚度等于打印機(jī)相鄰兩個(gè)可打印點(diǎn)中心的距離，如：分辨率為6dpi，則相鄰兩個(gè)可打印點(diǎn)中心的間距為42.3微米，即按42.3微米的厚度分解3D立體圖。反平面圖為可打印區(qū)域與正平面圖的差集；可打印區(qū)域是指模型工作臺(tái)1內(nèi)部區(qū)域在水平面的投影。

②啟動(dòng)打印機(jī)。

③計(jì)算機(jī)生成的正、反兩個(gè)圖形經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置4分別轉(zhuǎn)換成載有正、反圖形信息的光束。

④其中，一個(gè)感光鼓2充電獲得電位后，經(jīng)載有正圖形映像信息的光束掃描，形成正圖形映像的靜電潛像。

⑤正圖形映像的靜電潛像經(jīng)過(guò)設(shè)在粉末盒3內(nèi)的磁刷后，吸附一層熱熔粉末；經(jīng)轉(zhuǎn)印皮帶6轉(zhuǎn)移到模型工作臺(tái)1上方，按常規(guī)加載電壓使熱熔粉末落入模型工作臺(tái)1，在模型工作臺(tái)1內(nèi)形成由熱熔粉末鋪成的正圖形。

⑥另一個(gè)感光鼓2充電獲得電位后，經(jīng)載有反圖形映像信息的光束掃描，形成反圖形映像的靜電潛像。

⑦反圖形映像的靜電潛像經(jīng)過(guò)設(shè)在粉末盒3內(nèi)的磁刷后，吸附一層非熱熔粉末；經(jīng)轉(zhuǎn)印皮帶6轉(zhuǎn)移到模型工作臺(tái)1上方，按常規(guī)加載電壓使非熱熔粉末落入模型工作臺(tái)1，在模型工作臺(tái)1內(nèi)形成由非熱熔粉末鋪成的反圖形。

⑧每層圖形打印完成后，重復(fù)步驟④至⑦，再繼續(xù)打印上一層，直至整個(gè)3D立體圖打印完畢。其中：打印過(guò)程中，粉末盒3、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置4固定，轉(zhuǎn)印皮帶6隨著轉(zhuǎn)軸5轉(zhuǎn)動(dòng)，感光鼓2旋轉(zhuǎn)。

⑨加熱模型工作臺(tái)1，直至模型工作臺(tái)1內(nèi)的熱熔粉末全部凝固成一個(gè)整體（形成最終需要的3D產(chǎn)品）。

3D噴墨打印機(jī)

3D噴墨打印機(jī)主要包括：

①用于混合兩種或更多種流體的裝置。

②用于在水平和垂直方向中在印刷期間移動(dòng)印刷頭的裝置。

3D噴墨打印方法包括以下步驟：

①提供具有不同組成的兩種或更多種流體至噴墨打印機(jī)。

②以受控量混合兩種或更多種流體。

③使用噴墨打印機(jī)將兩種或更多種流體的混合物噴射到載體上。

④通過(guò)光化輻射或電子束至少部分固化被噴射的混合物。

⑤重復(fù)步驟②～④以便在載體上構(gòu)筑3D浮雕。

適用于3D噴墨印刷，特別是用于制備膠版印刷形式的噴墨印刷機(jī)通過(guò)圖3顯示。具有套筒形狀的載體2被安裝在圍繞其軸3旋轉(zhuǎn)的鼓1上，兩種或更多種噴墨流體的混合物通過(guò)印刷頭4噴射到載體2上，在混合物噴射在載體2上之后，噴射的混合物朝著其被固化裝置5暴露的區(qū)域旋轉(zhuǎn)，固化裝置5可以是輻射固化裝置，如UV燈或一系列UV-LED燈，也可以是電子束固化裝置，或者兩者的結(jié)合，每一層的固化可以是完全的，但優(yōu)選地進(jìn)行部分固化或針式固化（pin curing），優(yōu)選伴隨著在噴射全部的層之后最終的完全固化，然后固化的噴射流體通過(guò)鼓1進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)至第二層區(qū)域。這種循環(huán)可被重復(fù)多次，直到獲得足夠高度的浮雕。

隨著浮雕形成的進(jìn)程，印刷頭4距載體的距離將減小，可能導(dǎo)致圖像假缺陷。因此，載體2和印刷頭4之間的距離被保持大約恒定。這種恒定，可通過(guò)在垂直方向Y（與旋轉(zhuǎn)軸3垂直的方向）移動(dòng)印刷頭4遠(yuǎn)離鼓1來(lái)實(shí)現(xiàn)。噴墨印刷頭4能夠在水平方向X（與旋轉(zhuǎn)軸3平行的方向）移動(dòng)以便能覆蓋載體2的全部寬度。

3D打印機(jī)的運(yùn)用——打印食物

用于3D食物打印機(jī)（如圖4所示），由機(jī)械臂1、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)2、食物噴嘴3、傳輸帶4、烘焙箱5、托盤(pán)6和計(jì)算機(jī)7組成；計(jì)算機(jī)7通過(guò)數(shù)據(jù)線連接機(jī)械臂1和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)2，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)2置于機(jī)械臂1下方，以鉸鏈形式固定，食物噴嘴3安裝在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)2的四周，托盤(pán)6放置在傳輸帶4一端上，傳輸帶4另一端通向烘焙箱5。

機(jī)械臂1能夠受計(jì)算機(jī)控制上升下降和移動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)2能夠受計(jì)算機(jī)控制，將需要使用的食物噴嘴3旋轉(zhuǎn)到指定位置，4個(gè)食物噴嘴3安裝在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)2周圍，每個(gè)食物噴嘴3內(nèi)添加有不同口味的液體果醬、奶油等食物；食物噴嘴3為圓柱形空心針筒結(jié)構(gòu)，兩端口徑不相同，連接步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)2的一端的口徑范圍為3cm以內(nèi)，另一端的口徑范圍為2mm以內(nèi)，食物噴嘴3的長(zhǎng)度范圍為10cm以內(nèi)。傳輸帶4長(zhǎng)1.2m。

通過(guò)為3D食物打印機(jī)訂制的計(jì)算機(jī)軟件，自動(dòng)識(shí)別美食圖紙，依據(jù)圖紙的圖層屬性，計(jì)算機(jī)可事先模擬出美食狀態(tài)，確認(rèn)后，計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)到3D食物打印機(jī)；傳輸帶4將糕點(diǎn)襯底運(yùn)輸?shù)酱蛴C(jī)操作區(qū)域，機(jī)械臂1下降，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)2旋轉(zhuǎn)，將需要的食物噴嘴3旋轉(zhuǎn)到操作位置，食物噴嘴3內(nèi)氣壓增加，將果醬或奶油涂抹糕點(diǎn)襯底上，涂抹厚度為0.5cm，同時(shí)機(jī)械臂1按照?qǐng)D紙上該食物對(duì)應(yīng)圖層的形狀均勻移動(dòng)，直到完成第一層“噴墨打印”；隨即機(jī)械臂1回到原位，如果該食物對(duì)應(yīng)圖層厚度屬性未達(dá)到要求，將進(jìn)行第二層“噴墨打印”，如果已完成該圖層打印，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)2旋轉(zhuǎn)，將下一個(gè)需要操作的食物噴嘴3旋轉(zhuǎn)到操作位置進(jìn)行下一層“噴墨打印”。

完成食物打印后，傳輸帶4依據(jù)計(jì)算機(jī)軟件設(shè)定的食物屬性，將需烘焙的糕點(diǎn)運(yùn)輸至烘焙箱5進(jìn)行烘烤，完成食物制作。

通過(guò)以上介紹，大家對(duì)3D打印的概念、原理、設(shè)備以及應(yīng)用有了一定的認(rèn)識(shí)，但隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，打印技術(shù)的發(fā)展和革新會(huì)不斷提升，3D打印也將使我們的生活更加豐富多彩。今后，3D打印的技術(shù)、材料、設(shè)備仍會(huì)有較大的研發(fā)空間，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)或單位要加強(qiáng)對(duì)自身成果的保護(hù)，及時(shí)申請(qǐng)專利，同時(shí)也應(yīng)充分了解現(xiàn)有的3D技術(shù)，進(jìn)行相關(guān)分析和研究，從而提高自身的創(chuàng)新能力。endprint