3D 打印如何工作？

自 20 世纪 80 年代 3D 打印机问世以来，该设备已用于制造肉类、巧克力、人体器官、衣服、汽车和房屋。它比以往任何时候都更加主流，而且你可以花不到 200 美元购买一台机器。

3D 打印也被称为增材制造或快速成型，与传统的减材制造方法相比，3D 打印具有许多优势。传统的减材制造方法是从一块金属或木材开始，然后使用铣刀、钻头和其他工具去除材料。3D 打印的两个主要优点是，3D 打印机产生的废物少得多，而且可以更好地制造形状复杂的物体。所有部件都可以在一个地方制造，而无需复杂的组装过程。

卡内基梅隆大学机械工程副教授戴安娜·海达尔 (Diana Haidar) 表示：“大规模制造方法几乎都是相当固定的。你只能一遍又一遍地重新制造完全相同的零件。但人们也想要定制零件。这就是 3D 打印的用武之地。”

那么 3D 打印机究竟是如何工作的呢？

什么是 3D 打印？

考虑一下大多数人非常熟悉的打印类型：用墨水在纸上打印。这是 2D 打印，因为有一个区域有 x 轴和 y 轴，所以有两个自由度。3D 打印有第三个维度：高度。输入 3D 打印机的文件是 3D 图像，然后软件程序将其切成水平层。

“我的想法是，我有一个 3D 物体，我要把它切成许多单独的层。我们使用切片软件来实现这一点，”Haidar 解释道。“然后通常会有一个双轴头移动并构建一个单一的层。然后头部会上升，或者床（正在构建物体的床）会下降。但是有一个 z 轴变化，所以我们可以一次构建一个层。”

3D 打印的流行方法

最常见的 3D 打印类型之一是熔融沉积成型 (FDM)。“就空间而言，这是最干净的，”海达尔说。

使用这种方法时，会将一卷缠绕的细丝（通常是塑料或聚合物）送入机器的头部。头部内部有一个加热装置，用于熔化聚合物。聚乳酸（一种塑料）是最常见的 3D 打印材料之一，因为它价格便宜，熔点相当低，约为 180 摄氏度（350 华氏度）。当将其用作进料材料时，工程师通常会将 3D 打印机的温度设置为 200 摄氏度（390 华氏度）左右，以确保材料从小喷嘴挤出时会熔化，但随后可以硬化回原形。喷嘴越小，打印物体的分辨率越高。

3D 打印的第二大流行方法是立体光刻技术（SLA）。在这种情况下，光固化树脂是打印材料，而不是固体线轴。该技术需要将一罐粘稠的树脂放在未固化的玻璃罐中；紫外激光束和多个镜子一次固化一层。每次固化一层，它就会变成固体，从罐底玻璃上剪下来，然后从罐中提起——最终形成一个坚固的、有凝聚力的结构。

第三种最流行的 3D 打印方法是激光粉末床熔合。这种技术非常适合打印或压缩金属。首先，有一个大而平坦的金属粉末床，激光雕刻出形状，将所需的形状熔合在一起。一层完成后，粉末床落下，滚筒将一层新的细粉末分布在表面上。

另一种常见的 3D 打印方法是聚喷射打印，它允许工程师在一次打印中使用多种喷嘴和材料（从硬到软）。

哪些材料可以进行3D打印？

虽然 3D 打印机最常使用塑料进行打印，但也可以对其进行调整，以打印嵌入金属的材料、嵌入陶瓷的材料和嵌入木材的材料。不同类型的纤维或颗粒可以与聚合物粘合剂混合，从而赋予物体不同的特性。

当专用机器打印器官（例如心脏）时，多个喷嘴可以预先装满注射器，以注入不同类型的细胞。机器不是将细胞注入线轴，而是将其注入水凝胶中。

3D打印机多少钱？

市场上最便宜的 3D 打印机售价约为 200 美元，工程专业的学生会使用这些机器来快速制作模型。但是花更少的钱买一台这样的机器是有代价的。便宜的机器往往更挑剔，也更容易出故障。它们也不能一直稳定地重复生产同一个物体。例如，如果喷嘴内部和外部环境的温度变化太大，聚合物或塑料建筑材料就会变形。“在大型机器中你不会看到这种情况，因为它们有明显封闭的温控环境，甚至可能有冷却循环，”Haidar 解释说。

用于 FDM 打印的中端台式机通常售价为 3,000 美元，这个价格包括软件包。一台能够使用更耐用的起始材料制造更大物体的更高端机器可能要花费 200,000 美元。花这么多钱会带来巨大的收益。“你的维护成本要低得多。打印小型机器难以处理的材料更容易，”Haidar 说。“这些机器可以让你制造出最接近专业制造的部件。”

最精巧的机器使用铝等金属进行打印。金属 3D 打印机的价格可能高达 100 万美元，因为它们必须在控制良好、通风良好且能够抑制爆炸（如果发生）的房间内操作。