3D打印机基本原理

3D打印机基本原理：从逐层堆叠到实体成型

3D打印，又称增材制造（Additive Manufacturing, AM），作为一种颠覆性的制造技术，正以前所未有的方式重塑着产品开发和生产的格局。其核心理念在于“化零为整”，通过逐层叠加材料的方式，将数字三维模型精确地转化为物理实体。与传统的“减材制造”（Subtractive Manufacturing）工艺（如CNC加工）通过去除材料来塑造工件截然不同，增材制造大限度地减少了材料浪费，并极大地拓宽了设计的自由度。

核心工艺模型：从概念到实现

理解3D打印的原理，关键在于把握其“逐层堆叠”的共性，尽管实现这一过程的具体技术路线多种多样，但其基本流程高度一致：

1. 三维建模（3D Modeling）： 首先，需要一个精确的三维数字模型。这通常通过CAD（计算机辅助设计）软件创建，或通过3D扫描仪从现有物体逆向工程获得。模型文件（如STL、3MF、OBJ格式）包含了物体的几何信息。
2. 切片处理（Slicing）： 3D打印机无法直接理解复杂的三维模型。因此，需要专门的切片软件（Slicer）将三维模型“切割”成数以千计甚至百万计的极薄的二维横截面层。切片软件还会根据打印机的具体参数（如层高、填充密度、支撑结构等）生成机器可以识别的G代码（G-code）。
3. 打印制造（Printing）： 机器根据G代码的指令，逐层地精确沉积、固化或连接材料。这一过程是3D打印的核心，不同的打印技术在此环节展现出显著差异。
4. 后处理（Post-processing）： 打印完成后，通常需要对实体模型进行一系列后处理，包括去除支撑结构、打磨、抛光、热处理、上色等，以达到最终的应用要求。

主要3D打印技术原理及其关键参数

当前市场上的3D打印技术琳琅满目，但多数都可以归为以下几类，它们在材料、成型方式和精度上各有侧重：

1. FDM (Fused Deposition Modeling) / FFF (Fused Filament Fabrication) - 熔融沉积成型

• 原理： 将热塑性线材（如PLA、ABS、TPU）通过加热喷嘴融化，然后精确地挤出并堆叠在打印平台上，层层固化形成实体。
• 特点： 技术成熟，设备成本相对较低，应用广泛，适用于原型制作、功能件验证等。
• 关键参数：
  • 层高（Layer Height）： 0.1mm - 0.3mm（影响打印精度和速度，层高越小，表面越光滑，打印时间越长）。
  • 打印速度（Print Speed）： 40 mm/s - 100 mm/s（影响打印效率和表面质量）。
  • 喷嘴温度（Nozzle Temperature）： 190°C - 260°C（取决于材料类型）。
  • 打印平台温度（Bed Temperature）： 50°C - 110°C（用于提高第一层附着力和减少翘曲）。

2. SLA (Stereolithography) / DLP (Digital Light Processing) - 光固化成型

• 原理： 利用紫外光（激光或投影仪）选择性地照射液态光敏树脂，使其逐层固化。SLA使用激光扫描，DLP使用数字光投影。
• 特点： 精度高，表面光滑，能够制造精细复杂的结构，常用于珠宝、牙科、高精度原型。
• 关键参数：
  • 层高（Layer Height）： 0.025mm - 0.1mm（极高的表面精度）。
  • 曝光时间（Exposure Time）： 1s - 10s per layer（取决于光照强度和树脂类型）。
  • 平台提升高度（Lift Height）： 3mm - 10mm（每层固化后，平台抬升以容纳新的树脂）。
  • 打印精度（XY Resolution）： 25µm - 100µm。

3. SLS (Selective Laser Sintering) - 选择性激光烧结

• 原理： 使用高功率激光选择性地烧结（熔合）粉末材料（如尼龙、金属粉末），逐层构建实体。未被烧结的粉末起到支撑作用，无需额外支撑结构。
• 特点： 适用于制造高性能的功能部件，材料选择范围广（包括金属），无需支撑结构，但设备成本较高。
• 关键参数：
  • 激光功率（Laser Power）： 30W - 200W（取决于材料和粉末粒径）。
  • 扫描速度（Scan Speed）： 5 m/s - 10 m/s。
  • 层厚（Layer Thickness）： 0.05mm - 0.2mm。
  • 烧结温度（Sintering Temperature）： 略低于材料熔点。

展望

3D打印技术的持续发展，正在不断突破材料、精度和速度的界限。从传统的原型制造，到如今的直接制造（Direct Manufacturing）和个性化定制，增材制造正逐步成为复杂制造体系中不可或缺的一环。对于仪器行业的从业者而言，深入理解这些基本原理，不仅有助于选择合适的设备和工艺，更能启发在产品设计、制造和应用上的创新思路。