3D打印（3D printing），即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在汽车、航空航天、工业设计、建筑施工、珠宝、鞋类、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统以及其他领域都得到了应用。
一、3D打印机原理
3D打印机，是采用快速成型技术的机器。3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的。3D打印机主要是在打印前在计算机上设计了一个完整的三维立体模型，然后再进行打印输出。其原理是：把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层打印出来，打印出的产品，可以即时使用。简单地说，就是打印时实质上是断层扫描的逆过程，断层扫描是把某个东西“切”成无数叠加的片，3D打印机工作时就是一片一片地打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。
二、3D打印机的分类
根据工作原理的不同，3D打印可以分为：熔融沉积成型（FDM）、光固化成型（SLA）、三维粉末粘接（3DP）以及选择性激光烧结（SLS）。
1.熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）
熔融沉积又称熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料熔化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品，如图6-9所示。在3D打印技术中，FDM的机械结构最简单，设计也最容易，制造成本、维护成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术。
图6-9 FDM工作原理
1—喷头；2—成型件；3—打印平台
2.光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）
光固化成型又称为光敏液相固化法和立体光刻等，它是在树脂槽中盛满液态光敏树脂，使其在激光束或紫外线光点的照射下快速固化，如图6-10所示。这种工艺方法适用于制造中小型工作，能直接得到塑料产品。它还能代替蜡模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模、环氧树脂模和其他软模的母模，是目前较为成熟的快速原型工艺。光固化技术是最早发展起来的快速成型技术，也是研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。
图6-10 SLA工作原理
3.三维粉末粘接（Three Dimensional Printing and Gluing，3DP）
3DP技术由美国麻省理工学院开发成功的，原料使用粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等。3DP技术的工作原理是：先铺一层粉末，使用喷嘴将黏合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件，如图6-11所示。
图6-11 3DP工作原理
4.选择性激光烧结成形（Selecting Laser Sintering，SLS）
SLS工艺是由美国得克萨斯大学提出的，于1992年开发了商业成型机。SLS利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层层堆结成型。SLS技术同样是使用层叠堆积成型，所不同的是，它首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型。SLS工艺原理如图6-12所示。
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图6-12 SLS工作原理
三、基于FDM技术的3D打印机系统组成
基于FDM技术的3D打印机主要可以划分为三大系统，分别是软件系统、控制系统和机械系统。
1.软件系统
众所周知，普通的打印机在打印开始之前需用户将打印源文件（各种文档、图片等）上传至打印机。同样，3D打印机在进行快速成型制造之前，也需要用户提供目标产品的源文件方可开始工作。这里所指的目标源文件就是3D打印设备可识别的3D模型数据文件（如STL格式文件）。3D模型数据处理是快速成型制造至关重要、不可或缺的一步。3D打印机与上位机相连，上位机软件根据STL格式的三维模型生成打印机能够识别的语言G代码，然后通过串口通信传递给控制系统，控制系统再发送指令给机械系统，控制打印路径。
2.控制系统
控制系统包括外接电路、温度控制系统和伺服控制系统等，这些控制系统起到控制和监测等作用，与机械系统和软件系统协同完成打印工作。控制器将上位机传递过来的G代码进行解码，并根据G代码中的信息来控制步进电动机、挤出机构和散热装置。同时，步进电动机的位置和温度信息都会反馈给上位机。软件系统负责将导入的三维模型切片分层，按照设置好的加工工艺参数生成所需的G代码。
3.机械系统
机械系统包括主机身结构、挤出机构、送丝机构、传动机构等。主机身结构用来支撑导轨和其他零部件的安装等，导轨承载挤出机构进行打印工作。挤出机构负责加热打印丝材，其会直接影响打印成型质量。送丝机构用于将打印丝材顺利地送入挤出机构中，是保证打印过程中提供源源不断的丝材的动力装置。传动机构用于完成X，Y，Z轴方向的运动，从而定位打印喷头的准确位置。
四、基于FDM技术的3D打印机工作过程
3D打印机是机电一体化系统，能否成功完成物品的打印，需要各个部分协同合作。为了实现3D打印机的正常工作，并在打印过程能够连续可靠的运行，需要对3D打印机的整体控制过程进行设定。首先将建好的三维模型做切片处理，将处理好的工件的切片文件载入上位机。在打印工作开始时，需要对外部机械结构设置调平，初始化设置挤出机构和工作平台，能够保证在打印工作前两者的加热温度达到设定的数值，然后开始零件的打印工作。在机器运作过程中，与之配套的温控系统会检测出温度的改变情况并进行反馈，超过预定值系统就会对其做出调整，以确保打印时温度控制在所需要的工作温度范围内。工作过程中，首先喷头在X-Y平面进行工件的打印，打印完成零件的一层平面，步进电动机就会通过丝杠控制打印平台下降预先设定好的Δz的距离，然后继续打印下一层平面，此距离Δz就是层厚值。如此反复运行，直至打印件被打印完成。在整个打印过程中，程序控制系统会保证此过程的顺利实现。当打印平台运动到最低点时，3D打印机停止工作。
任务实施
步骤一 查阅相关资料
以小组（5～8人为宜）为单位，查阅相关资料或网络资源，学习、了解数控机床、工业机器人、3D打印机的结构特点及原理。
步骤二 分析解决问题
小组间进行交流与学习，梳理知识内容，从机电如何结合这方面来分析这些机电一体化产品的组成。
任务评价
续表
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