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【3D打印机原理】(一)层叠截面

  通过活用IT技术,如今的开发人员可以更深入地探讨产品设计,实现新的开发。与此同时,更细致地对相关数据进行验证的需求也越来越多。3D打印机便是满足这一需求的工具之一。最近,3D数据经常在设计阶段就已登场,利用3D打印机的情况也越来越多。

  制造的最终的目的是创造实物。因此,设计中总会有一些在计算机上无法重现的现象,必须通过试验等方式加以确认。此时,能够在短时间、以低成本制作出试制品等实物(立体模型)的3D打印机是一个重要工具(见下表)。现在,作为制作夹具、模具及低产量部件的手段,3D打印机的应用范围还在不断扩大。这一次,笔者就来介绍一下3D打印机的概要。

  3D打印又称“3D积层造型”,顾名思义,是一种以截面形状的集合体来表现立体模型的方法。也就是把片状的截面形状一层一层叠在一起,最终制成立体模型(图1)。其造型方法多种多样,各种方法的区别在于使用的材料和成型后处理方式的不同。

  “3D打印”的名称源于其使用喷墨打印机喷嘴的方法。与一般打印机一样,3D打印机也是使用喷嘴制作截面形状,有从喷嘴直接喷射立体模型材料(光硬化性树脂、蜡),以及喷射粘合剂使粉末材料固化这两种方法。

  Objet、基恩士(KEYENCE)及Solidscape生产的设备以及3D Systems的“ProJet”系列等采用的是前一种方法(图1-a)。Objet和基恩士的产品在打印立体模型和支撑部分(将在下一篇中介绍)时均使用光硬化型树脂,让紫外线(UV)灯与喷墨喷嘴同步扫描成型面,以使喷射出的树脂硬化。Solidscape的产品打印立体模型和支撑部分均使用蜡。ProJet的立体模型材料使用光硬化型树脂或蜡,支撑材料使用蜡。

  而3D Systems的“ZPrinter”采用的则是后一种方法(图1-b)。要先喷洒一层粉末材料,在需要成形的区域喷射粘结剂,使其固化粘结,在完成一层的造型后,再喷洒下一层的粉末、胶水,如此重复直至完成造型。

  图1:3D打印机的主要几种工作方式通过将造型为截面形状的薄片不断层叠的方法制作立体模型。使用喷墨喷嘴的方法包括直接喷射模型材料和支撑材料的方法(a),以及向粉末材料需要造型的部分喷射粘结剂的方法(b)。直接喷射模型材料的方法使用光硬化性树脂或蜡。使用粉末材料时,未硬化的粉末将发挥支撑作用。此外还有不使用喷墨喷嘴、利用内置加热器的可动式喷嘴喷射热可塑性树脂的方法(c)等。

  除此之外,也有不使用喷墨喷嘴的方法,那就是Stratasys采用的熔融沉积成型法(FDM)(图1-c)。这是一种使热可塑性树脂从可动式喷嘴挤出的方法,具体为,使细长的线状材料在加热的喷嘴内熔化,同时使喷嘴按照一定轨迹运动、挤出熔丝以完成造型。Solido的产品采用的是把涂抹了粘结剂的膜状材料裁成截面,逐层重叠的方法。 (日经技术在线! 供稿)

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