1700400079
3D打印：从想象到现实 [:1700398786]
1700400080
喷射、挤压或喷雾打印机
1700400081
1700400082
首先，我们探讨使用打印头沉积原材料的选择性沉积打印机。所用原材料可以是遇到打印台就会变硬的软塑料、原始的饼干面团或是特殊医疗凝胶里的活细胞。如果你在媒体上看到过诸如MakerBot的消费类3D打印机，你可能已经见过上述这种打印机了。
1700400083
1700400084
这类打印机所应用的打印技术的正规学名是FDM（熔融成型）。FDM打印机是斯科特·克伦普于20世纪80年代发明的，他凭借该技术创立了公司。如果一台机器被称作“FDM打印机”，那就意味着这台打印机会通过打印头挤出某种软质材料。
1700400085
1700400086
打印头开始工作前，这种类型的3D打印过程已经开始了数个步骤。第一步是定位软件设计文件，该文件可以告知3D打印机的内置软件（就是常说的“固件”）需要打印什么。一旦设计文件准备就绪，用户便将笔记本电脑连接到打印机，并将设计文件保存为能被3D打印机的内置软件读取并使用的特殊格式（我们稍后将详细解释转换过程）。
1700400087
1700400088
1700400089
1700400090
1700400091
图5–2
1700400092
1700400093
注：白色的物体正在被打印，如果仔细观察可看见锥尖在接触白色部分的顶层并挤出细缕白色塑料。黑色塑料是打印的支撑结构，稍后会洗掉。
1700400094
1700400095
图片来源：Stratasys Inc.
1700400096
1700400097
一旦打印机固件开始读取文件，它将计算出打印头的机械路径和动作。例如，打印头需要知道在哪里沉积出外形的轮廓，以及在哪里喷射多少材料等。
1700400098
1700400099
3D打印机固件完成操作计划后，物理打印过程就可以开始了。沉积材料的打印头通常沿着一系列的水平、垂直轨道（工程师们称作“桁架”）移动。沉积第一层时，打印头先勾勒出要打印物体的轮廓。第一层勾勒出物体的基础，就像在咖啡杯底部用铅笔描画出其形状。然后打印头来回扫描以填充轮廓，就像孩子在图画书中按形状填充颜色一样。
1700400100
1700400101
第一层打印完成后，打印头会略微抬起，然后回落并开始第二层打印。3D打印机持续重复该过程，耐心地打印出设计文件所描绘物体的每个横截面，这一过程可能持续数小时甚至几天。
1700400102
1700400103
3D打印家族的这个分支的优点在于其打印技术可以简化为技术含量相对较低的版本。简化版本的成本低、可使用的材料范围广。任何可以通过喷嘴挤压的原材料都可以进行3D打印。霜状白糖、奶酪和饼干面团是热爱美食的打印爱好者喜爱的原材料。另一种新兴的打印材料是“活体墨水”，它是一种特殊医疗凝胶中的活细胞混合物，医学研究人员使用这种医疗凝胶研究生物打印。
1700400104
1700400105
制造公司和设计公司使用昂贵的大型3D打印机，选择性沉积是家庭、学校或办公室的理想选择。即使是低端的3D打印机运行起来也很安静，而且它们使用相对低温的打印头，和高功率激光3D打印机相比，操作更安全。
1700400106
1700400107
选择性沉积打印机的主要缺点在于它只能打印可以通过打印头挤出或挤压的材料。熔化的金属或玻璃必须在不同的条件下成形，目前市场上大部分选择性沉积打印机使用的材料是为其特制的一种塑料。3D打印塑料以意大利面状的细条形式按卷出售，其末端直接连接打印机，在打印机中融化并通过打印头挤出。
1700400108
1700400109
Polyjet打印机
1700400110
1700400111
Polyjet打印机是选择性沉积打印机中最年轻的成员，它由以色列一家名为“Objet Geometries”的公司（2012年与Stratasys公司合并）开发。Polyjet打印机借用了3D打印家族两个主要分支的技术，其打印头将液态光敏聚合物喷射为很薄的层，再通过UV（紫外线）光将其固化。
1700400112
1700400113
1700400114
1700400115
1700400116
图5–3 Polyjet打印机制造的本书封面的候选样
1700400117
1700400118
使用Polyjet打印机打印的好处是喷射的液滴落下后可快速、精确地形成16微米的薄层（参考：一个红细胞的直径约10微米）。Polyjet打印机的精确度高，因此十分适合应用于注重高分辨率形状和快速打印的工业或医疗行业。Polyjet打印机可同时使用多个打印头，因此可以在一个单独的打印作业中使用多种材料。
1700400119
1700400120
Polyjet打印机的主要缺点在于其所使用的打印材料的固有局限性，它使用的是一种被称作“光敏聚合物”的塑料。光敏聚合物是一种能对UV光产生反应的、高度专业化的昂贵塑料。塑料是最耐用的制造材料之一，但大部分光敏聚合物仍十分脆弱易碎，这限制了其应用范围。
1700400121
1700400122
激光工程化净成形
1700400123
1700400124
选择性沉积打印机家族的另一成员是LENS（激光工程化净成形），将材料粉末吹入精心引导的高功率激光束。错过光束的粉末会落在一边，遇到激光焦点的粉末会立即融化并融合到增长部分的表面。因此，当激光的焦点扫描过打印对象的轮廓，打印头吹出更多的粉末时，部件就会一层一层地逐渐增长。
1700400125
1700400126
这种工艺的优点在于它可以用硬质材料（例如钛和不锈钢）制造物体。这种金属“打印”发明之前，由于3D打印只能使用塑料（聚合物）材料，因此大型产业并不是很重视3D打印。像LENS这样的金属打印工艺出现后，航空航天、汽车等大型产业开始对3D打印产生兴趣。现在，通过LENS技术，人们可以使用硬金属材料制造复杂的物体，例如具有内部冷却通道的钛涡轮叶片。
1700400127
1700400128
