主流加工生产工具优化方案

1.激光切割机

在制作仿蛇机器人时，需要将三维实体造型设计的结果采用SOLIDWORKS中的相应功能模块生成二维切割图形，并按这些图形将所设计的零件一个个切割出来[38]。除了人工手动切割以外，常用的切割设备为激光切割机，加工场景如图2-16所示。

图2-16　激光切割机加工场景

该机器将从激光器发射出的激光，经光路系统聚焦成高功率密度的激光束，当激光束照射到被切割材料表面，使激光所照射的材料局部达到熔点或沸点，同时与光束同轴的高压气体将熔化或气化的材料碎末吹走。随着光束与被切割材料相对位置的移动，最终使材料形成连续的切缝，从而达到切割图形的目的。激光切割机采用激光束代替传统的切割刀具进行材料的切割加工，具有精度高、切割快、切口平滑、不受切割形状限制等优点，同时，它还能够自动排版，优化切割方案，达到节省材料、降低加工成本等目的，将逐渐改进或取代传统的金属切割工艺设备。

图2-17　小型激光切割机

由于制作小型仿蛇机器人的材料大多选用亚克力板或三合板等非金属板材，所用激光切割设备的功率不需太大，可使用小型激光切割机（见图2-17）。

图2-17所示的小型激光切割机在加工时其激光切割头的机械部分与被切割材料不发生接触，所以工作中不会对材料表面造成划伤，而且切割速度快，切口光滑，一般不需后续加工；另外，由于该设备的功率不是很大，所以切割热影响区小、板材变形小、切缝窄（0.1～0.3 mm）、切口没有机械应力。相比其他切割设备，激光切割机加工材料时无剪切毛刺、加工精度高、重复性好、便于数控编程、可加工任意平面图形、可以对幅面很大的整板进行切割、无须开模具、经济省时，因而在制作小型仿蛇机器人时是一个很好的帮手。

2.3D打印机

（1）3D打印机的起源。

3D打印机（3D Printers，简称3DP）是恩里科·迪尼（Enrico Dini）设计的一种神奇机器，它不仅可以打印出一幢完整的建筑，甚至可以在航天飞船中给宇航员打印所需任何形状的物品[39]。

3D打印的思想起源于19世纪末的美国，20世纪80年代3D打印技术在一些先进国家和地区得以发展和推广，近年来3D打印的概念、技术及产品发展势头铺天盖地，普及程度无处不在。故有人称之“19世纪的思想，20世纪的技术，21世纪的市场”。

19世纪末，美国科学家们研究出了照相雕塑和地貌成形技术，在此基础上，产生了3D打印成型的核心思想。但由于技术条件和工艺水平的制约，这一思想转化为商品的步伐始终踯躅不前。20世纪80年代以前，3D打印设备的数量十分稀少，只有少数“科学怪人”和电子产品“铁杆粉丝”才会拥有这样的一些“稀罕宝物”，主要用来打印像珠宝、玩具、特殊工具、新奇厨具之类的东西。甚至也有部分汽车“发烧友”打印出了汽车零部件，然后根据塑料模型去订制一些市面上买不到的零部件。

1979年，美国科学家Housholder获得类似“快速成型”技术的专利，但遗憾的是该专利并没有实现商业化。

20世纪80年代初期，3D打印技术初现端倪，其学名叫做“快速成型”。20世纪80年代后期，美国科学家发明了一种可打印出三维效果的打印机，并将其成功推向市场。自此3D打印技术逐渐成熟并被广泛应用。那时，普通打印机只能打印一些平面纸张资料，而这种最新发明的打印机，不仅能打印立体的物品，而且造价有所降低，因而激发了人们关于3D打印的丰富想象力[40]。

1995年，麻省理工学院的一些科学家们创造了“三维打印”一词，Jim Bredt和Tim Anderson修改了喷墨打印机的方案，提出把约束溶剂挤压到粉末床的思路，而不是像常规喷墨打印机那样把墨水挤压在纸张上的做法。

2003年以后，3D打印机在全球的销售量逐渐扩大，价格也开始下降。近年来，3D打印机风靡全球，人们正享受着3D打印技术带来的种种便利。

实际上，3D打印机是一种基于累积制造技术，即快速成形技术的新型打印设备。从本质上来看，它是一种以数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过打印方式将一层层的可黏合材料进行堆积来制造三维物体的装置。逐层打印、逐步堆积的方式就是其构造物体的核心所在。人们只要把数据和原料放进3D打印机中，机器就会按照程序把人们需要的产品通过一层层堆积的方式制造出来[41]。

2016年2月3日，中国科学院福建物质结构研究所3D打印工程技术研发中心的林文雄课题组在国内首次突破了可连续打印的三维物体快速成型关键技术，并开发出一款超级快速的数字投影（DLP）3D打印机[42]。该3D打印机的速度达到了创纪录的600 mm/s，可以在短短6分钟内，从树脂槽中“拉”出一个高度为60 mm的三维物体，而同样物体采用传统的立体光固化成型工艺（SLA）来打印则需要约10个小时，速度提高了足足有100倍。

（2）3D打印机的成员。

①最小的3D打印机。

世界上最小的3D打印机是奥地利维也纳技术大学的化学研究员和机械工程师们共同研制的（见图2-18）。这款迷你型3D打印机只有大装牛奶盒大小，重量为1.5 kg，造价约合1.1万元人民币。相比于其他的3D打印机，这款3D打印机的成本大大降低。

②最大的3D打印机。

2014年6月19日，由世界3D打印技术产业联盟、中国3D打印技术产业联盟、亚洲制造业协会、青岛市政府共同主办、青岛高新区承办的“2014世界3D打印技术产业博览会”在青岛国际会展中心开幕。来自美国、德国、英国、比利时、韩国、加拿大和国内的110多家3D打印企业展示了全球最新的桌面级3D打印机和工业级、生物医学级3D打印机。而在青岛高新区，一个长宽高各为12 m的3D打印机（见图2-19）傲然挺立，半年内它将打印出一座7 m高的仿天坛建筑。

图2-18　最小的3D打印机

图2-19　最大的3D打印机

这台3D打印机就像一个巨大的钢铁侠，甚为壮观。该打印机所属的青岛尤尼科技有限责任公司的工作人员说：“这是世界上最大的3D打印机，光设计、制造和安装，我们就花了好几个月。”这台打印机的体重超过了120吨，是利用吊车安装起来的。当天正式启动后，它就投入紧张的打印工作。“打印天坛至少需要半年左右，需要一层层地往上增加，就跟盖房子似的。”工作人员继续说，这台打印机的打印精度可以控制在毫米以内，对于以厘米计算精度的传统建筑行业来说，这是一个质的飞跃。它采用热熔堆积固化成型法，通俗地讲，就是将挤压成半熔融状态的打印材料层层沉积在基础地板上，从数据资料直接建构出原型。打印这座房屋所用的材料，是玻璃钢，这是一种复合材料，不仅轻巧、坚固耐腐蚀，而且抗老化、防水与绝缘，更为重要的是它在生产使用过程中大大降低了能耗和污染物的排放，这种优势决定了它不仅可以成为新型的建筑材料，还可以在机电、管道、船舶、汽车、航空航天，甚至是太空科学等领域发挥作用。

③激光3D打印机。

我国大连理工大学参与研发的最大加工尺寸达1.8 m的世界最大激光3D打印机进入调试阶段，其采用“轮廓线扫描”的独特技术路线，可以制作大型工业样件及结构复杂的铸造模具。这种基于“轮廓失效”的激光三维打印方法已获得两项国家发明专利。该3D打印机只需打印零件每一层的轮廓线，使轮廓线上砂子的覆膜树脂碳化失效，再按照常规方法在180℃加热炉内将打印过的砂子加热固化和后处理剥离，就可以得到原型件或铸模。这种打印方法的加工时间与零件的表面积成正比，大大提升了打印效率，打印速度可达到一般3D打印的5～15倍。(www.xing528.com)

④家用3D打印机。

近来，德国发布了一款迄今为止最高速的纳米级别微型3D打印机——Photonic Professional GT。这款3D打印机能制作纳米级别的微型结构，能够以最高的分辨率、极快的打印速度，打印出不超过人类头发直径的三维物体。

⑤彩印3D打印机。

2013年5月，一种3D打印机新产品“ProJet x60”上市了。ProJet品牌主要有基于四种造型方法的打印装置。其中有三种均是使用光硬化性树脂进行3D打印，包括用激光硬化光硬化性树脂液面的类型、从喷嘴喷出光硬化性树脂后进行光照射硬化的类型（这种类型的造型材料还可以使用蜡）、向薄膜上的光硬化性树脂照射经过掩模的光的类型[43]。其高端机型ProJet 660Pro和ProJet 860Pro可以使用CMYK（青色、洋红、黄色、黑色）4种颜色的黏合剂，而实现600万色以上颜色打印的ProJet 260C和ProJet 460Plus则使用了CMY三种颜色的黏合剂。

（3）3D打印机的技术原理。

3D打印机又称三维打印机（3DP），是一种基于累积制造技术（即快速成形技术）的机器[44]。它以数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过打印一层层的黏合材料来制造三维物体。

3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式多种多样，可用于打印的介质也多种多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些3D打印机还能结合不同的介质，使打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。

有些3D打印机使用“喷墨”方式进行工作，它们使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上，该涂层会被置于紫外线下进行固化处理。然后，铸模托盘会下降极小的距离，以供下一层塑料物质堆叠上来。

有些3D打印机使用一种叫做“熔积成型”的技术进行实体打印，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料的方式形成薄层。

有些3D打印机使用一种叫做“激光烧结”的技术进行工作，它们以粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，熔铸成指定形状，然后由喷出的液态黏合剂进行固化。

还有些3D打印机则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒，当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时，介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。

图2-20所示为桌面级3D打印机，图2-21所示为工业级3D打印机。

图2-20　桌面级3D打印机

图2-21　工业级3D打印机

3D打印技术为世界制造业带来了革命性的变化，以前许多部件的设计完全依赖于相应的生产工艺能否实现。3D打印机的出现颠覆了这一设计思路，使得企业在生产部件时不再过度地考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可通过3D打印来实现。

3D打印无须机械加工或模具，能够直接从计算机图形数据中生成任何所需要形状的物体，从而极大地缩短了产品的生产周期，提高了生产率。尽管其技术仍有待完善，但3D打印技术市场潜力巨大，势必成为未来制造业的众多核心技术之一。

（4）3D打印机的工作步骤。

①3D软件建模。

首先采用计算机建模软件进行实体建模，如果手头有现成的模型也可以，比如动物模型、人物、微缩建筑，等等[45]。然后通过SD卡或者优盘把建好的实体模型拷贝到3D打印机中，进行相关的打印设置后，3D打印机就可以把它们打印出来。

3D打印机的结构和传统打印机基本相同，也是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等组成的，打印原理差不多。主要差别在于3D打印机在打印前必须在计算机上设计一个完整的三维实体模型，然后再进行打印输出。

3D打印与激光成型技术一样，采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印[46]。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。

②3D实体设计。

3D实体设计的过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的3D实体模型“分区”成逐层的截面（即切片），从而指导3D打印机逐层打印[47]。

设计软件和3D打印机之间交互、协作的标准文档格式是STL文件。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率就越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

③3D打印过程。

3D打印机通过读取STL文件中的横截面信息，再采用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，然后将各层截面以各种方式粘合起来，从而制造出一个所设计的实体。

3D打印机打印出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（指每英寸长度上的点数）或者μm来计算的。一般的厚度为100μm，即0.1 mm，也有部分3D打印机如Objet Connex系列和3D Systems公司ProJet系列可以打印出16μm薄的一层。在平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。3D打印机打印出来的“墨水滴”的直径通常为50～100μm。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天的时间，有时还会因模型的尺寸较大或形状较复杂而使加工时间延长。而采用3D打印则可以将时间缩短为数十分钟或数个小时，当然具体时间也要视3D打印机的性能水平和模型的尺寸与复杂程度而定。

④制作完成。

3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法实现：先用当前的3D打印机打出稍大一点的物体，再经过些微表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些3D打印机可以同时使用多种材料进行打印；有些3D打印机在打印过程中还会用到支撑物，比如在打印一些有倒挂状物体的模型时就需要用到一些易于去除的东西（如可溶的东西）作为支撑物。