什么是3D打印？其特征和分类与切削加工的区别

 

3D打印机是将3D数据切成薄片，形成二维形状，然后在堆叠二维形状的同时，形成与3D数据形状相同的立体模型的一种设备。与去除材料的切削加工，成型材料形状的塑性加工、变形加工不同，从添加材料进行加工这一角度考虑，也称为增材制造（ADDITIVE MANUFACTURING）。3D打印机的加工特点表现为“造型”和“层积”，根据造型方法和造型材料的种类，主要分为以下几类。

熔融层积方式（FDM方式）：这是一种将热熔材料从喷头中喷出的层积方式，从个人用等相对便宜的机型到商业用途，拥有广泛的产品系列。造型材料以树脂为主，但也有针对金属相的材料。例如，在某些热塑性数值产品中，可使用与注塑成型实际使用的相同材料进行成型。
紫外线造型方式：是一种将紫外线照射在液体树脂上使之硬化，并沉积材料的方式。紫外线照射可使用紫外线投影仪和激光等。基本上仅用于树脂材料的造型。所用材料是专用材料。粉末烧结层积造型方式用激光等照射薄层的粉末材料，加热使粉末材料溶解凝固。然后在其上面再铺上一层薄薄的材料粉末，再次进行激光照射。用这种层积的方式称为粉末烧结层积造型。一般将材料和添加剂混合使用，添加剂的作用就是热熔后使材料结合。此方法的适用材料也是专用的。

• 树脂材料
• 金属材料

3D打印机可以加工处理树脂和金属材料。由于不同机型设备可处理的材料也不同，因此需要根据造型目的使用不同型号的设备。

3D打印机往往给人以任何形状都能轻易加工制作的印象，但实际上要进行高质量的造型加工，需要方法和经验的积累等，这种设备并不是什么都能随心所欲地制作出来。此外，有时成型后的后处理也需要更多的时间，例如用于稳定造型的夹持成型部位的去除等。许多企业都在做此种专业的服务，我们应该优先考虑此种方式来实现。

3D打印与切削加工最大的区别在于加工方法，除此之外还存在许多其他差异。

• 加工方法的区别

3D打印机：添加材料以达到所需形状的增材制造。
切削加工：从块状等材料中去除不必要的部位，并进行加工处理可加工形状的区别。
3D打印机：在2D层切面形状的基础上层积，可以加工空心、悬垂和弯曲孔等。另一方面，厚肉、非中空的块状等，由于需要材料较多，不太适合此类方法。
切削加工：不能加工空心或零件内部弯曲的孔。此外，对于悬垂和横孔的加工，需要在加工过程中多次对工件进行夹持固定，因此可加工形状的自由度不是很高。另一方面，此方法是从块状材料中切削出形状，所以比较容易制作出有厚壁特征。

• 加工所需数据的区别

3D打印机：不仅仅是3D设计数据，还需要3D打印数据。此外，根据形状的不同，可能还需要设计支撑等，此时需要专用软件，或者需要STL、STEP、IGS等3D数据作为中间数据，为此创建数据可能需要很长时间。
切削加工：使用机床切削可以使用2D图纸。近年来，NC “自动加工”逐渐成为主流，为此，自动创建NC程序的应用程序(CAM)被广泛使用。除了DXF等常见2D数据格式外，还可通过识别STEP和IGS等3D数据格式来创建NC程序，特别是对于复杂的形状等。由此我们可以比较简单地创建数据来实现加工目的。

• 可加工材料的区别

3D打印机：一般需要专用材料。因此除了可选材料有限制外，专用材料也存在比一般材料昂贵等缺点。
切削加工：不仅是金属，还可以加工其他多种材料，比如塑料等。

每种加工方法都有利有弊。下面介绍一下相对于切削加工，3D打印更适合的案例。
3D创意确认：如果在商品企划阶段需要确认产品的外观，则可以有效地利用此种方法。与规格书、图纸、插图相比，由于可以像实物一样展示在眼前，可以获得更清晰的直观感受。

空心结构和内部弯曲的孔：如果想要实现空心结构以减轻重量，或者想要在产品内部实现一个复杂的弯曲孔形状，此方法非常适用。尤其是在内部创建弯曲孔时，由于切削加工是从两个方向加工孔并使其相交，因此只能创建一个直孔加R角的形状。但是3D打印机可以实现复杂的弯曲孔和曲线孔。
试制品的制作：尤其是塑料制品，为了进行试制，在切削加工中必须制作试制模具。但是，由于3D打印机不需要模具，因此可以低成本地进行试制。另一种方法是输出用于注塑或冲压的模具，而不是试制品本身。
建设、建筑模型：3D打印机适合制作复杂的曲面结构。此外，它还擅长中空形状的加工，因此比较适合建筑模型的造型。在切削加工过程中，中空形状很难实现，因此必须分成多个零件进行制造和组合。在国外，用3D打印制作建筑物本身的现象也在逐渐增加，但是材料成本和零件组合部分的精度等课题仍然存在。

多品种小批量生产：3D打印机的优势在于不需要模具，可以自由输出。因此，3D打印机适用于多种类小批量生产，如假肢和已经绝版的产品再现，以及生产线上使用的夹具等。它还可以用于加工满足不同客户需求的产品，例如汽车定制零部件。而且，只要有数据，立即就可以做出同样的东西，可以消除滞销和剩余库存的风险。

3D打印最大的课题是加工精度低。为了与其他零件组合使用，追加工是必不可少的。与其他零件精密组合的零件，诸如螺杆等的造型是不适合的。3D打印的加工速度比切削加工慢，而且包括材料在内的运营成本也很高，因此不适合大规模生产。因此，除了极少数多种类小批量生产外，一般用于样品、试制品或试制中使用的模具的加工制作。近年来，在汽车和航空领域，也出现了用3D打印机制作的产品直接作为最终产品搭载的情况，但还没有达到取代传统加工设备的水平。即使作为试制使用，仍然存在精度和表面粗糙等方面的问题，以及金属材料不易受热变形等课题。
因此，理想的做法是在一些有限的应用中使用3D打印（例如试制），并在精确的试制和批量生产阶段采用切削加工。此外，在需要与量产产品同等水平性能评估的情况下，3D打印机可能无法使用与量产产品相同的材料。此时，需要使用切削加工设备来实现。

与去除材料的切削加工不同，3D打印机是一种添加材料以达到所需形状，进行增材制造的加工设备。将3D数据切片的二维形状堆叠并层积到所需的形状。3D打印按层积方式可分为熔融层积方式（FDM）和紫外线造型法、粉末烧结层积造型法等，按所用材料可分为树脂和金属。虽然也可以加工悬垂、横孔、内部弯曲孔等切削加工无法实现的形状，但与切削加工相比，3D打印现阶段的精度较低，需要专用材料，加工时间较长。因此对比批量生产，3D打印机更多地适用于试制和企划过程中特别限定的用途。