帮你迅速看懂惠普3D打印机原理

在3D打印领域，惠普公司的正式进军无疑是对这个行业和市场的一次变革，而惠普Jet Fusion 3D打印机即将在中国盛大亮相。今天就为你讲解惠普与3D打印的关系，并重点介绍惠普3D打印机。

1. 惠普如何进军3D打印？
惠普首次试水3D打印领域是2010年与Stratasys公司合作，由Stratesys为其贴牌生产惠普品牌的3D打印机，这种合作伙伴关系在2012年结束。但惠普的研发团队并没有停止在3D打印领域的探索。从2013年的年底开始，惠普早已计划在2014年的年中正式进军3D打印市场。

前惠普CEO Meg Whitman

2013年惠普的CEO梅格·惠特曼（Meg Whitman）在曼谷举行的Canalys Channels论坛上表示，惠普在3D打印领域的主要研究重点是打印所需的时间和成本，“打印一个瓶子要花费八到十个小时。用户可能会感到很有趣，但兴趣是会随着时间消失的。”2014年的10月6日，惠普公司迎来了历史性的一刻。这一天该公司正式宣布分拆为两个独立运行的上市实体。这两家公司及其各自继承的业务分割如下：
Hewlett-Packard Enterprise——将继承原惠普的网络、服务器、软件和服务解决方案业务。该公司将主要集中在企业解决方案领域。
HP Inc.——将继承原惠普的个人电脑、打印机、以及最受关注的3D打印机业务。
在当时，从惠普公司分拆两个独立运行的上市实体以及即将进入3D打印领域这两件事来看，很多人并不看好惠普能够真正进入3D打印市场。
2014年10月29日上午，惠普公司正式推出其最新的3D打印技术：多射流熔融（MultiJet Fusion）。同时还推出了全球首个独一无二的浸入式计算平台“Sprout”,使得3D设计也向前迈了一大步。Sprout集成了3D扫描仪、深度传感器、高分辨率摄像头和投影仪，用户可以很方便地将一个实体的物品物理项目随时加入现有的数字工作空间中。人们可以很直接地把自己的作品、工作和项目3D化。

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2014年惠普宣布将推出工业级3D打印机后，在之后这两年的大部分时间里惠普却陷入了沉默，直到2016年。负责惠普公司3D打印业务的总裁宣布称MJF 3D打印机已经在该公司的大规模生产计划中，并且将会在今2016年晚些时候发货，它的零售价为10万美元到100万美元之间。
2016年5月17日，惠普公司终于正式推出了备受市场期待的3D打印解决方案，而且一次推出了两款产品，分别是HP Jet Fusion 3D 3200和HP Jet Fusion 3D 4200。其中3200主要是为快速原型而设计的，而4200则主要用于快速制造。而且这两款产品都包括了一系列的配套工具，比如软件、处理站和冷却系统等。

惠普3D打印机

2. 惠普打印机成型原理

成形步骤
惠普所用的3D打印技术为多射流熔融（MultiJet Fusion），其成形步骤如下图所示。

1. 铺设成形粉末；
2. 喷射熔融辅助剂(fusing agent)；
3. 喷射细化剂(detailing agent)；
4. 在成形区域施加能量使粉末熔融；（注意：喷射细化剂的区域并没有被熔融）
重复1-4直到所有的层片成形结束。

▲全套设备，从左至右依次是MJF 3D打印机、构建单元，处理站

HP打印机的核心是位于工作台上的两个模块：分别叫做“铺粉模块”（下图1）和“热喷头模块”（下图2）。“铺粉模块”是用来在打印台上铺设粉末材料的。“热喷头模块”则是用来喷射“熔融剂”和“细化剂”这两种化学试剂的，而该模块正是惠普这款打印机的最大亮点 — 它能以每秒每英寸3000万滴的量喷射这两种试剂。

▲铺粉模块

▲热喷头模块

实际的打印过程如下图所示：“铺粉模块”会首先上下移动铺设一层均匀的粉末。然后，“热喷头模块”会左右移动喷射两种试剂，同时通过两侧的热源加热融化打印区域的材料。这个过程会往复进行，直至最后打印完成。

▲热喷头模块喷射两种试剂并加热

需要指出的是，“熔融剂”会喷射到打印的部分（即打印对象的横截面），作用是让粉末材料充分融化；“细化剂”则会喷射在打印区外边缘，作用是保证打印层表面光滑，提高打印件的精细度。下面放大看看HP打印机的过程模拟：

▲铺设粉末

▲喷射“熔融剂”（黑色）和“细化剂”（蓝色）

▲最后加热，让粉末融化凝结

3. 惠普打印机优势&技术限制

优势
1. 速度快，超过普通技术的10倍。下图就是以打印齿轮为例的速度对比，可以看到同样耗费3小时，惠普多喷射熔融（MJF）技术足足打印出了1000个，远超过FDM以及SLS技术。

2. 打印件质量高。下面就是一个小小验证，用打印的椭圆形结构吊起了一辆汽车。这个结构打印只用了30分钟，重1/4磅（约113克），却可提起最高5吨的重量。

3. 高精度。打印机喷头可以达到1200dpi的精度，考虑到粉末的扩散，在XY方向的精度可以达到约40微米。

技术限制
1. 材料限制：现在可用材料为尼龙12（PA12），而更多可用材料取决于HP对于细化剂的开发；对于金属器件的打印，可能无法使用一体机，因为直接在设备内部进行烧结/熔融需要的高温会影响电子器材包括喷头的运行。
2. 材料污染：在喷射了细化剂的区域，粉末并没有被烧结，有可能造成粉末的污染（因为这些喷射了细化剂的粉末如果被后续用在成形区域可能不会被熔融）。
3. 可选颜色：HP所用的熔融辅助剂包含了可以吸收光波的物质（可能为炭黑等深色材料），因而所展示的样品为深色；而打印白色等浅色可能会降低能量吸收，从而会增加成形时间，有可能导致无法成形；对于全彩器件的打印，同时需要考虑色素的耐高温能力。

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