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3 d打印技术

什么是3D打印?

在本3D打印初学者指南中,您将学习:

  • 什么是3D打印,它是如何工作的
  • 不同类型的3D打印应用
  • 如何为3D打印设计

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什么是3D打印?
3D打印和增材制造
3D打印和快速原型制作
3D打印是什么时候发明的?
3D打印是如何工作的?
添加剂与传统制造
3 d打印技术
不同类型的3D打印
3 d打印技术流程
选择正确的3D打印流程
3 d打印材料
完整的3D打印材料概述
3 d打印软件
3D打印应该使用什么软件?
3D打印设计指南
适用于所有3D打印工艺的设计指南
特定过程的设计指南
特定零件的设计指南
3D打印应用
医学三维打印
汽车三维打印
3 d打印珠宝
3D打印的好处是什么?
3D打印的未来
如何获得3D打印的东西
购买打印机还是使用3D打印服务?
如何决定购买哪台3D打印机
如何使用3D打印服务
进一步的阅读
3D打印手册
其他制造技术指南

什么是3D打印?

3D打印是一种用于制造零件的附加技术。它是一种“添加物”,因为它不需要一块材料或一个模具来制造物理对象,它只是堆叠和熔合材料层。它通常速度快,固定安装成本低,可以创建比“传统”技术更复杂的几何图形,并且材料列表不断扩大。它广泛用于工程行业,特别是用于原型设计和创建轻型几何体。

3D打印和增材制造

“3D打印”通常与创客文化、爱好者和业余爱好者、桌面打印机、易于使用的打印技术(如FDM)和低成本材料(如ABS和PLA)联系在一起(我们将在下面解释所有这些缩写)。这在很大程度上要归功于3D打印的民主化,从RepRap运动中产生的廉价桌面机器,比如最初的MakerBot和Ultimaker,这也导致了2009年3D打印的爆炸式发展。

3 d打印技术

相比之下,增材制造(AM)几乎总是与商业和工业应用联系在一起。

什么是3D打印

3D打印和快速原型制作

“快速原型”是另一个有时用来指3D打印技术的短语。这要追溯到3D打印技术刚出现时的早期历史。在20世纪80年代,当3D打印技术首次被发明时,它们被称为快速原型技术,因为当时的技术只适用于原型,而不适用于生产部件。

近年来,3D打印已经成熟为许多种生产零件的优秀解决方案,其他制造技术(如CNC加工)已经变得更便宜和更容易获得原型。所以,虽然有些人仍然用“快速原型”来指代3D打印,但这个短语正在演变,用来指代所有形式的快速原型。

如何像专业人士一样创建原型

3D打印是什么时候发明的?

3D打印最初是一个想法,通过更快的原型设计来加速工业产品的开发。尽管之前有一些专利,但查克·赫尔(Chuck Hull)通过他的立体光刻仪(SLA)发明了3D打印机,并于1984年获得专利。

SLA 3D打印-什么是SLA 3D打印?

基金会

尽管Chuck名声大噪,但在20世纪80年代末,多种技术同时被开发出来,在这一时期有几家公司成立,对技术的发展至关重要。

  • 1981年的今天,第一项利用紫外光固化光聚合物的设备专利被授予日本的Hideo Kodama。他设计它是为了“快速原型”,因为它的目的是制造模型和原型,但没有兴趣,专利被放弃了。
  • 1984年的今天,法国发明家Alain Le Mehaute、Olivier de Witte和Jean Claude André提交了一项专利,其中与Hideo的专利一样,使用紫外线来固化光聚物。通用电气(General Electric)以缺乏重大商业潜力为由放弃了这项专利。
  • 1984年的今天,就在勒·梅豪特(Le Mehaute)出版几周后,美国人查尔斯·查克·赫尔(Charles“Chuck”Hull)申请了自己的“立体光刻三维物体制作装置”专利,因此也创造了“立体光刻”(SLA)一词。
  • 1987年,赫尔发明了STL文件,并在同一年成立三维系统
  • 1987年的今天,美国卡尔·德卡德(Carl Deckard)申请了选择性激光烧结(SLS)专利,并在同一年共同创立了桌面制造(DTM)公司(2001年被3D系统收购)。
  • 1989年,美国人S. Scott Crump提交了一项熔融沉积建模(FDM)专利,并在同一年成立Stratasys公司与他的妻子。

商业化

从80年代末到90年代初,工业经历了非常迅速的商业化。第一批机器又大又贵,它们的制造商与汽车、航空航天、健康和消费品行业的大众市场制造商竞争工业原型合同。

  • 1987年,3D系统公司发布了第一款商用SLA打印机,SLA-1。
  • 1992年,FDM专利最终被授予Stratasys公司,这促使他们发布了第一台FDM打印机,“3D建模器”。
  • 1992年,DTM发布了第一台商用SLS打印机,“Sinterstation 2000”。
  • 1994年,德国公司电光系统(EOS)这家公司成立于1989年,推出了首款商用金属3D打印机“EOSINT M160”

民主化

21世纪初,由于对利润的激烈竞争、材料科学的发展以及许多专利的终止,3D打印最终成为了大众能够负担得起的环境。这是3D打印在大众想象中起飞的十年——制造业,一直是重工业和巨额资金的领域,来到了人民手中。

  • 2005 -开源RepRap项目(“复制快速原型机”)推出的目的是创造能够打印自己零件的自我复制3D打印机,导致大众对这项技术的兴趣飙升。
  • 2009年,关键的FDM专利落入公共领域MakerBot发布了他们的桌面3D打印机,“纸杯蛋糕CNC”。它的成本是数百美元,而不是数千美元,而且所有组件都可以下载宇宙,一个致力于分享用户创建的数字设计文件的网站。
  • 2012 -Formlabs通过创纪录的Kickstarter活动发布“Form 1”,这是第一款价格合理的SLA打印机,该活动筹集了295万美元的资金。他们被3D系统公司以专利侵权为由起诉,但该案件最终以Formlabs为受益人解决
  • 2013年,h必威和365ub推出了点对点3D打印服务,允许购买打印品的人和使用机器的人之间进行大规模交易。它迅速成长为世界上最大的3D打印平台,拥有超过5万个打印“中心”,然后转向专注于帮助其商业客户,使所有形式的定制制造更容易。必威和365
  • 2014年,关键的SLS专利落入公共领域,导致一大批公司生产更小、更便宜的SLS打印机。
什么是SLS 3D打印?

成熟

从2018年开始,围绕3D打印的炒作基本上从大众媒体中消失了,但对各种规模的企业的商业应用的兴趣从未如此之高。如今,有成千上万的公司生产打印机,并利用3D打印技术提供各种服务。

了解更多关于3D打印的历史

有很多文章,大多数只是有趣的阅读。对于那些想要真正深入研究历史的人来说,维基百科和维勒联合公司是最好的资源。

3D打印是如何工作的?

添加剂与传统制造

增材制造直到20世纪80年代才出现,所以在此之前发展起来的制造方法通常被称为传统制造。为了理解加性制造和传统制造之间的主要区别,让我们将所有的方法分为3组:加性制造、减法制造和成型制造。

加法制造

增材制造通过沉积和熔化二维材料层来构建三维物体。

3D打印支柱页增材制造

这种方法几乎没有启动时间或成本,使其成为原型制作的理想方法。零件可快速制造,使用后可丢弃。零件几乎可以以任何几何形状生产,这是3D打印的核心优势之一。

3D打印最大的限制之一是,大多数部件本质上是各向异性的,或者不是完全致密的,这意味着它们通常缺乏通过减法或成型技术制造的部件的材料和机械性能。由于冷却或固化条件的波动,同一零件的不同印刷也容易出现细微的变化,这限制了一致性和重复性。

减去制造

减法制造,如铣削和车削,通过从通常被称为“空白”的固体材料块中移除(加工)材料来创建对象。

05 3D打印支柱页减法制造

几乎任何材料都可以以某种方式加工,使其成为一种广泛使用的技术。由于控制过程的每个方面的数量,这种方法能够生产令人难以置信的精确零件,具有高重复性。大多数设计都需要计算机辅助制造(CAM)来绘制定制的刀具路径和有效的材料移除,这增加了安装时间和成本,但对大多数设计来说,这是最具成本效益的生产方法。

减法制造的主要限制是刀具必须能够到达所有表面以去除材料,这大大限制了设计的复杂性。虽然像五轴机床这样的机器消除了这些限制,但复杂的零件在加工过程中仍然需要重新定位,这增加了时间和成本。减法制造也是一个浪费的过程,因为大量的材料被移除,以产生最终的零件几何形状。

造型的制造业

成型制造,如注射成型和冲压,是通过加热和/或压力将材料成型或成型来制造物体。

05 3D打印支柱页成型制造01

成型技术旨在降低生产单个零件的边际成本,但生产过程中使用的独特模具或机器的创建意味着安装成本非常非常高。无论如何,这些技术可以在大范围的材料(金属和塑料)中生产零件,具有近乎完美的重复性,因此对于大批量生产,它们几乎总是最具成本效益的。

这些方法的比较

制造是复杂的,并且有太多的维度来全面比较每种方法与所有其他方法。在成本、速度、几何复杂性、材料、机械性能、表面光洁度、公差和重复性等方面一次性进行优化几乎是不可能的。

在这种复杂的情况下,启发式和经验法则更有价值:

  • 加法制造对于低容量、复杂的设计,以及速度至关重要的情况,它是最好的。
  • 减去制造对于中等体积、简单几何形状、紧公差和硬质材料最好吗
  • 造型的制造业最适合大批量生产相同的零件。

每个零件的成本通常是决定哪种制造工艺最好的决定性因素。每一种方法的单位成本大致可以如下图所示:

05 3D打印支柱页

了解更多关于3D打印vs CNC加工。

3D打印正变得越来越便宜,在某些情况下,它开始与注塑成型竞争成本效率。然而,通常3D打印和CNC加工被认为是可替代的特定工作,所以我们写了一个全面的指南,将它们并排比较。阅读更多关于3D打印vs CNC加工。

CNC加工vs 3D打印-你需要哪一个?

3 d打印技术

市场上有这么多不同的3D打印技术,很难理解整个格局。国际标准化组织创建了52900年ISO / ASTM标准将3D打印相关的爆炸性术语标准化,我们将最常用的语言整合到一起3D打印术语表。

不同类型的3D打印

3D打印机可以分为以下几种流程:

  1. 增值税聚合:液体光聚物是靠光固化的
  2. 材料挤压:熔融热塑性塑料通过加热喷嘴沉积
  3. 粉床融合:粉末颗粒由高能源熔化
  4. 材料喷射:液体光敏熔合剂的液滴沉积在粉末床上并通过光固化
  5. 粘结剂喷射:液滴的液体结合剂沉积在一层颗粒状的材料上,这些材料随后烧结在一起
  6. 直接能量沉积:熔化的金属同时沉积和熔化
  7. 板层压:每块材料被切割成型,然后叠层在一起
添加剂制造技术海报(2)

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3 d打印技术流程

3D打印有七个主要流程。在每一种工艺中都有独特的技术,对于每一种独特的技术,也有许多不同的品牌出售类似的打印机。

增值税光聚合

光聚合是一种光聚合树脂暴露在特定波长的光下而变成固体的过程。

有限元(SLA),直接光处理(DLP)和连续直接光处理(CDLP)是添加剂制造工艺,属于vat光聚合的范畴。在SLA中,对象是通过使用紫外线(UV)激光束选择性地一层一层固化聚合物树脂来创建的。DLP与SLA类似,但使用数字投影仪屏幕一次闪烁每一层的单一图像。CDLP很像DLP,但依赖于构建板块的持续向上运动。所有的vat光聚合工艺都有利于生产精细的细节和光滑的表面处理,使它们成为珠宝和医疗应用的理想选择。

利益

  • 表面光滑
  • 细节
  • 很适合IM的原型设计

限制

  • 易碎的
  • 通常需要支持
  • 紫外线敏感
  • 需要大量的后期处理
增值税光聚合(SLA)

粉末床熔化

粉末床熔炼(PBF)技术利用热源在塑料或金属粉末颗粒之间一次一层的诱导熔炼(烧结或熔化)。选择性激光烧结(SLS)在美国,电子束熔化(EBM)和多喷射聚变(MJF)都属于这种技术。的金属3D打印工艺选择性激光熔化(SLM)和直接金属激光烧结(DMLS)也采用粉末床熔合技术选择性地结合金属粉末颗粒。

利益

  • 强大的零部件(尼龙)
  • 复杂几何形状
  • 可伸缩(适合大小)
  • 不支持

限制

  • 更长的生产时间
  • 较高的成本(机器、材料、操作)
粉末床聚变(SLS)

材料挤压

材料挤压技术通过喷嘴将材料一层一层地挤压到构建板上。熔融沉积建模(FDM)属于这一类别,是应用最广泛的3D打印技术。

利益

  • 低成本
  • 常见的热塑性塑料

限制

  • 粗糙的表面光洁度
  • 各向异性
  • 通常需要支持
  • 不可扩展
  • 有限精度
材料挤压(FDM)

材料喷射

材料喷射该技术利用紫外线或热使光聚合物、金属或蜡硬化,一次一层地建造零件。纳米粒子喷射(NPJ)和按需滴(DOD)是另外两种类型的材料喷射。

利益

  • 现实的原型
  • 极好的细节
  • 精度高
  • 光滑的表面光洁度

限制

  • 高成本
  • 脆弱的机械性能
材料喷射

粘结剂喷射

粘结剂喷射使用工业打印头在粉末材料薄层上沉积粘合剂。与其他3D打印技术不同,活页夹喷射不需要加热。

利益

  • 全彩选项
  • 范围的材料
  • 不支持
  • 无翘曲或收缩

限制

  • 低部强度
  • 比材料喷射更不精确
粘结剂喷射

直接能量沉积

直接能量沉积(DED)通过熔化粉末材料来创建3D对象。它主要与金属粉末或金属丝一起使用,通常称为金属沉积。激光工程网形状(LENS)和电子束添加剂制造(EBAM)也属于这一类别。

利益

  • 强大的零部件
  • 范围的材料
  • 更大的部分

限制

  • 高成本
  • 可怜的表面光洁度

表纹理

这种技术将薄板材堆叠叠合起来制造零件。有几种不同类型的层压板可供选择:粘接、超声波焊接或钎焊。

利益

  • 低成本
  • 不需要支撑结构
  • 多材料层

限制

  • 需要后期处理
  • 有限的材料
  • 完成可能会有所不同

增材制造技术的整个领域可以用一个简单的树形图来概括:

是技术信息

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我们关于3D打印机的七种正式类型概述每种类型的打印机如何工作,可用的材料,打印的价格和速度,几何性能(尺寸,复杂性和分辨率),机械性能(精度,强度和表面光洁度)和常见应用。

是否正在查找有关该主题的更深入的信息?我们还写了一本3D打印手册。如果您是一名专业人士,希望真正掌握3D打印的关键方面,这本书是给你的

选择正确的3D打印流程

为特定零件选择最佳3D打印工艺可能很困难,因为通常有多个合适的工艺,但每个工艺都会在成本和产量上产生细微的变化。一般来说,需要考虑三个关键方面:

  • 所需材料性能:强度、硬度、冲击强度等。
  • 功能及视觉设计要求:表面光洁、强度、耐热等。
  • 3D打印过程的能力:精度,建造尺寸等。

这些对应于选择正确工艺的三种最常见的方法:

  • 所需的材料
  • 通过所需的功能或视觉外观
  • 根据要求的精度或建造尺寸

要深入了解如何使用这些方法,请阅读完整的指南选择正确的3D打印工艺. 以下比较指南也将有助于告知您的决定。

3D打印技术的类型

3 d打印材料

完整的3D打印材料概述

随着市场对特定材料和机械性能的需求推动材料科学的进步,可用3D打印材料的数量每年都在快速增长。这使得不可能给出所有3D打印材料的完整概述,但每个3D打印过程只与某些材料兼容,所以有一些简单的概括。

到目前为止,热塑性塑料和热固性聚合物是最常见的3D打印材料,但金属、复合材料和陶瓷也可以3D打印。

3d打印材料图

另一种分类材料的方法是根据它们的性能:便宜、耐化学腐蚀、可溶解、灵活、耐用、耐热、刚性、耐水、抗紫外线。许多工业应用需要耐用塑料,例如尼龙12,大多数业余应用使用PLA或ABS,这是最常用的材料在FDM 3D打印。

要了解更多关于3D打印材料的概述,请参阅这些文章。

尼龙PA 12 - 3D打印材料解释

3 d打印软件

3D打印从软件开始,有许多不同的程序来帮助设计和打印过程的每个阶段,从3D建模,打印模拟和切片程序。

3D打印应该使用什么软件?

三维建模的两种主要方法是“实体建模”和“表面建模”,每种方法都有不同的CAD软件包。实体建模是指通过定义和连接三维形状来创建虚拟对象,这些三维形状通常是预先定义好的,然后再添加精致的表面细节。表面建模是类似的,除了设计师开始2D表面和形状在“自由形式”创建3D形状。

这两种方法可以产生完全相同的输出,但实体建模对于简单和非有机形状更快,而表面建模对于更有机的形状更快。SolidWorks、Fusion 360和Rhino 3D是最受专业人士欢迎的软件,也有许多免费的程序供业余爱好者使用。

其他有用的3D打印软件包括打印模拟工具和文件错误修复程序。

3D打印设计指南

不同3D打印技术的最佳实践和经验法则各不相同,但有一些功能你总是需要注意:

  • 支持的壁厚
  • 不支持的壁厚
  • 支持和悬臂
  • 浮雕和雕刻细节
  • 水平的桥梁
  • 连接或移动部件
  • 逃生洞
  • 最小特征尺寸
  • 最低销直径
  • 最大的宽容

以下图表总结了这些功能的具体流程设计规则:

3DP 101 - 3D打印海报设计规则

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3D打印应用

3D打印对于原型设计非常有用。在原型设计中,速度就是一切,而从CAD到打印的能力几乎为零的设置成本意味着3D打印机可以快速生产部件,对于单个部件和小的运行有很大的单位经济效益。

对于印刷生产部件,速度和价格也很重要,但最常见的特点是设计自由和易于定制。在航空航天和汽车领域,高性能部件采用高强度重量比的拓扑优化结构,以前需要组装的部件可以合并成单个部件。在医疗保健领域,定制是至关重要的——美国制造的大多数助听器几乎都是用3D打印技术制造的。在制造业中,低成本的注塑模具可以用坚硬、耐热的塑料进行3D打印,而不是用金属加工,这使得它们的生产成本更低、速度更快。

医学三维打印

有许多应用3D打印在医疗行业每年,医生和科学家都会想出新的、有创意的方法来使用这种快速发展的技术。3D打印的速度和多功能性使得它非常适合开发定制的假肢和植入物,以及特定于患者的骨骼、器官和血管复制品。它还用于3D打印手术工具、解剖模型、个性化医疗设备和一系列其他救生创新。

汽车三维打印

在汽车行业,汽车制造商使用3D打印技术测试形状和装配,试验美观的表面处理,确保所有部件按预期操作和相互作用。它还为夹具、夹具和夹具的快速周转提供了灵活的解决方案;创建波纹管;工程复杂的管道;并迅速制造复杂、轻量化的安装支架。

3 d打印珠宝

有几个原因,如此多的设计师使用3D打印制作珠宝. 这项技术使珠宝商能够生产出非常复杂、高度可定制的设计,避免了以前流行的珠宝制造技术(如数控加工、手工制作和脱蜡铸造)的一些局限性。如今,贵金属可以快速、经济地以各种图案和设计进行3D打印。

要了解更多关于3D打印的不同应用,请查看这些文章。

3D打印的好处是什么?

3D打印是定制零件和快速原型的特殊工具,具有独特的优势,但在某些方面也落后于传统制造。主要优点和局限性可总结如下:

利益-非常低的启动成本-非常快的周转-大范围的可用材料-设计自由,没有额外的成本-每个部件都可以很容易地定制

限制-精度和公差有限-强度和各向异性材料属性较低-需要后处理和支架移除

想要更全面的概述,请阅读我们的文章3D打印的优点和局限性

3D打印的未来

那么,如今3D打印技术在哪里呢?炒作结束了吗?是的,现在这项技术正在走向成熟。必威和365从2013年开始,我们每年都会发布3D打印趋势报告。这些年来,我们见证了科技的发展达到了顶峰炒作周期从“幻灭的低谷”跌落,然后反弹到现在的位置——在“启蒙”的斜坡上。

前几年的炒作是基于广泛的消费者采用的想法。这是对技术可以为世界带来价值的误导性解读。3D打印最有前景的应用是在制造业中扮演非常具体的角色。

要了解3D打印在未来几年的发展方向,请参考我们的年度3D打印趋势报告的最新版本。

如何获得3D打印的东西

3D打印自诞生以来已经走过了很长的一段路,现在很容易就能快速、实惠地得到3D打印的东西。

购买打印机还是使用3D打印服务?

3D打印自诞生以来已经走过了很长的一段路,现在很容易以非常便宜的价格获得3D打印的东西。

你应该购买自己的3D打印机还是使用在线服务?这是一个重要的决定,所以我们收集了双方的论据,以帮助你做出正确的选择。

买一台3D打印机,如果… 使用在线服务,如果…
你需要定期打印,但不要大量打印(每周10-25次) 每周只需打印少量(少于10)或大量(25+)零件
对于打印机,您有一个特定的应用程序 您希望使用多个流程和材料进行打印,包括工业打印机
你准备好大笔投资了 你想随时访问最新的技术
您已经准备好设置、修补和优化您的机器 你更喜欢把时间集中在设计和完善模型上
你有必要的空间和时间安装和操作打印机 在决定买什么打印机之前,你要先测试和学习

如何决定购买哪台3D打印机

如果你觉得自己买一台3D打印机是个好主意,你可能会被可供选择的范围所压倒。为了帮助人们了解3D打印机市场,我们联系了我们的整个客户群和我们的全球3D打印服务提供商网络,以了解他们拥有的3D打印机和他们使用它们的经验。

我们的研究是目前最全面的3D打印机指南。

阅读我们的指南,找到最适合你的3D打印机。

如何使用3D打印服务

在hu必威和365b,我们正在打造地球上最智能的制造解决方案。我们的主要产品之一是3 d打印服务

当你上传一部分到我们的365必威 我们的专利定价算法给你一个报价在几秒钟之内。当你指定你的需求时,价格会自动更新,如果你对价格和交货期满意,你可以在几分钟内提交订单。

如何使用3d打印服务

使用集线器上传必威和365

进一步的阅读

如果你有更多关于3D打印的问题,请查看我们的知识库然后在“3D打印”上进行过滤,一下子就能看到所有东西。

3D打印手册

如果你有兴趣深入研究上面提到的任何主题,我们确实写了一本关于3D打印的书。如果你是一个想要真正掌握3D打印关键方面的专业人士,这本书适合你。它根据行业领先专家的第一手经验,为选择正确的3D打印技术和设计方法提供实用建议。

以下是Tony Fadell (iPod和Nest的创始人)对此的看法:

当你希望利用3D打印技术及其潜力创造出你自己的突破性产品时,《手册》将帮助指导你走上自己的道路,希望这将改变世界。每一个设计师和工程师都应该密切关注它,因为它为你进入新的制造技术铺平了道路,这将激发你的创造力,并释放你的想法,因为它们将成为现实。创造在变,制造在变,设计也在变,翻开新的一页,是时候保持领先了……

3 d打印技术手册

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