從零開始講述3D列印原理(一)

2020-12-07 聊齋技異

從搭積木開始講起

假設現在有一堆1cm*1cm*1cm積木,要求用它們搭成一個4cm*4cm*4cm立方體,這很簡單,先在桌面上擺第一層,接著在第一層上面擺第二層,以此類推擺第三層,第四層,剛好組成一個立方體,如下圖示。

用積木搭成立方體

如果我們堆積木時在積木的相鄰接觸面塗強力膠,那麼搭好的立方體將成為一個結合在一起的整體。恭喜你,你完成了一個3D列印作品!這個簡單的例子體現了3D列印中逐層疊加的思想。

接下來,要搭建一個直徑為4cm,高為1cm的圓柱體,顯然用這堆積木無法做到。但若這些積木的體積能變得足夠小,就可行。我們就用沙子代替積木,先在桌面上鋪成一個4cm直徑的圓(姑且假設我們可以用沙子鋪出一個標準圓形),噴上強力膠,再鋪第二層,再噴強力膠,以此類推,最終將得到一個4cm直徑,高1cm的圓柱。用類似方法,還可以組合出很多其他形狀的物體,而且沙子顆粒體積越小,則組合出來的物體表面就越光滑。可以想像,要是用麵粉來代替沙子,得到的物體表面肯定會光滑得多。為了方便描述,我把沙子和麵粉這類小顆粒為基本單元。

3D印表機的基本原理就是如此,用很多基本單元在平面組成一個層,疊加很多的層就組成一個三維物體。現實的3D印表機當然不會用強力膠來組合基本單元,而是用其他方法。例如金屬粉末雷射燒結成型,基本單元為金屬粉末,通常粒徑小於0.1mm,通過雷射加熱金屬粉末至熔化,冷卻後就結合在一起。通過計算機控制雷射束的偏轉角度進行掃描,從而得到所需的圖形,每加工完一層後,平臺就往下移動一點距離,這個距離稱為層高(層高0.1mm左右,當然也是能夠調整的)。然後再在平臺上鋪一層金屬粉,再加工一層,如此反覆。只要恰到好處的控制好每一層圖形的形狀,就可以製造出任意複雜的三維物體。這些都由計算機控制得到。

這種工藝稱為選擇性雷射燒結,英文縮寫是SLS. 如下圖示:

選擇性雷射燒結(SLS)
使用SLS工藝列印出來的作品

基本單元和層高對3D列印質量有重要影響,基本單元越小,層高越小,列印出來的物體表面就越光滑,但同時加工時間也越長,這是一個如何平衡加工質量和加工效率的問題。

備註:3D列印的另一種說法叫增材製造

另外一種3d列印工藝,稱為熔融沉積成型,英文縮寫為FDM

如下圖,塑膠通過一個擠出頭,在末端被加熱至熔融,熔融的塑膠從噴嘴擠出,就像擠牙膏一樣。擠出的塑膠由於離開了擠出頭不再被加熱,很快就冷卻凝結在一起。只要控制了擠出頭的移動,還有塑膠料的供給,就可以在平面上列印出各種形狀的圖形,每打完一層,平臺就下降一個層高(或者擠出頭上升一個層高),如此反覆列印出三維物體。

熔融沉積成型(FDM)

使用FDM工藝列印出來的小花瓶

使用這種工藝的優點是印表機結構簡單,列印成本也較低,1KG的PLA材料價格為幾十元RMB,1KG可以列印很多零件了,所以很多創客都喜歡DIY這種3D印表機。

下圖是本人DIY的一款3D印表機,上圖裡的小花瓶就是用這貨列印出來的。可別小看了這貨,雖然醜^_^,可是結構很結實很穩定,列印精度也不錯。

DIY的3D印表機

後續還將發文進一步講述這個3D印表機的原理,敬請關注.

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