3D打印
? ? ? ?什么是3D打?。?D打印或增材制造(AM)是從數(shù)字文件制作三維實(shí)體對象的過程,3D打印對象的創(chuàng)建是通過增材工藝實(shí)現(xiàn)的,在增材工藝中,通過放置連續(xù)的材料層直到創(chuàng)建對象來創(chuàng)建對象,這些層中的每一層都可以看作是對象的薄切片橫截面。3D打印與減材制造相反,減材制造使用例如銑床切割/挖空一塊金屬或塑料。與傳統(tǒng)制造方法相比,3D 打印使您能夠使用更少的材料生產(chǎn)復(fù)雜的形狀。Three-dimensional printing (3DP),3D打印起源于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,用于手術(shù)前的可視化模型和工裝模具,自首次使用以來,3DP 已經(jīng)發(fā)展到能夠創(chuàng)建組織工程支架、組織類似物和用于診斷的芯片上器官,隨著研究不斷深入和市場拓展推動了干細(xì)胞技術(shù)與定制的三維 (3D) 支架相結(jié)合,以創(chuàng)建個性化再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新動力。
? ? ?3D打印技術(shù)可用于直接從 CAD 模型快速靈活地生產(chǎn)原型零件、最終用途零件和工具。三維打印具有前所未有的靈活性。它可以用任何材料制造任何幾何形狀的零件,包括陶瓷、金屬、聚合物和復(fù)合材料。此外,它可以對材料成分、微觀結(jié)構(gòu)和表面紋理進(jìn)行局部控制。
3D打印技術(shù)的發(fā)展
三維(3D)打印技術(shù),也稱為增材制造(AM),因其在從個人工具到航空航天設(shè)備的各種應(yīng)用中都具有潛在的高影響力而在最近成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。盡管3D打印技術(shù)只是最近才成為熱門話題,但其歷史可以追溯到1983年,3D Systems的聯(lián)合創(chuàng)始人Charles W. Hull在當(dāng)時打造了第一臺3D打印機(jī)。
拓寬的3D打印機(jī)獲取
從那時起,3D打印機(jī)全新且廣泛的應(yīng)用和市場便迅速出現(xiàn),特別是隨著Stratasys Inc.和3D Systems Inc.擁有的多項(xiàng)核心3D打印專利到期。用戶可以輕松地自行構(gòu)建或修改3D打印機(jī),或利用廉價3D打印機(jī)迅速增長的可用性。強(qiáng)大功能的3D設(shè)計(jì)軟件和3D設(shè)計(jì)網(wǎng)站(例如Shapeway和Thingiverse)的近期普及使得共享用戶創(chuàng)建的免費(fèi)3D數(shù)字設(shè)計(jì)文件或模型成為可能,從而讓3D打印機(jī)更加容易獲得、3D打印技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。與鑄造、機(jī)械加工和鉆孔等傳統(tǒng)制造技術(shù)相比,3D打印被認(rèn)為會是可用于能源和材料領(lǐng)域的一種有效的技術(shù),其可利用多達(dá)90%的材料并節(jié)省多達(dá)50%的能源。1
隨著3D打印已發(fā)展成為不僅僅只是一種簡單的生產(chǎn)過程,它已能夠用于支持諸如運(yùn)動器材、食品包裝和珠寶等技術(shù)和應(yīng)用的融合,以及航空航天、醫(yī)藥、建筑、教育、2,3汽車工業(yè)、軍事支持等高科技領(lǐng)域的產(chǎn)品。
常見應(yīng)用
時尚:2016年紐約時裝周上亮相了兩款獨(dú)特的3D打印連衣裙。這些杰作是通過時裝設(shè)計(jì)師和3D打印公司Stratasys之間的合作而誕生的。4?復(fù)雜的設(shè)計(jì)(如混合各種互鎖的編織、仿生天然動物紋理)和尖端材料(如納米增強(qiáng)的彈性體3D打印材料)賦予了服裝耐用性和靈活性。
再生醫(yī)學(xué):再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域在3D打印方面也取得了令人印象深刻的應(yīng)用。Wake Forest再生醫(yī)學(xué)研究所的Anthony Atala博士團(tuán)隊(duì)已成功使用3D打印技術(shù)來制造活的器官和組織(包括肌肉結(jié)構(gòu)以及骨骼和耳朵組織)。5,6?這些生物打印的身體部位能夠生成功能性的替代組織。7
航空航天:NASA也一直在部署3D打印技術(shù)和3D打印機(jī),用于開發(fā)可讓宇航員修理或更換必要零件并在太空中建造結(jié)構(gòu)的材料。NASA最近與華盛頓州立大學(xué)的研究人員合作,使用原始的月球重石模擬物和3D激光打印技術(shù)制作了一件月亮巖石的復(fù)制品。8,9
建筑:使用大型3D打印機(jī)將模塊化的建筑材料進(jìn)行組裝并用于房屋建筑行業(yè),已引起了人們的極大興趣,尤其是在自然災(zāi)害或突發(fā)緊急情況下,對于較貧窮的國家而言。某些3D公司已成功使用水泥、沙子或混凝土材料來建造房屋或橋梁。10-12
4D打印
快速下降的成本、改進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)以及不斷擴(kuò)大的可打印材料范圍,已幫助帶來了一種被稱為四維(4D)打印的新技術(shù)。4D打印可使被打印的對象能夠根據(jù)各種刺激,例如熱、水、電流或光,隨時間而改變形式或功能(圖1A)。13?4D打印和3D打印之間的本質(zhì)區(qū)別是添加了會引起對象隨著時間而變化的智能設(shè)計(jì)或響應(yīng)性材料。該綜述涵蓋了3D和4D打印過程,并顯示了與不同打印類型相關(guān)的材料。
圖 1.A)?1-、2-、3-和4D概念示意圖。B)?3D和4D打印技術(shù)的過程涉及到三個常規(guī)階段:(1-2)建模;(3-4)打印和(5)完成
3D和4D打印步驟
3D打印是將材料一層層堆積起來制造產(chǎn)品的。圖1B顯示了3D打印從建模到最終打印的整個過程。使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)輸入要打印物體的大小和幾何形狀,設(shè)計(jì)完的復(fù)雜3D模型以可打印標(biāo)準(zhǔn)鑲嵌語言(STL)文件形式保存(圖1B1,1B2)。然后,它會根據(jù)設(shè)定的每層厚度,將模型分解成一系列數(shù)字化截面(圖1B3)。直到完成前,3D打印機(jī)通過層層制造的方式,將一系列2D薄層堆積成一個3D靜止物體(圖1B4,1B5)。3D打印可以使用多種材料,比如熱塑性聚合物,粉末,金屬,UV固化樹脂等。
4D打印在3D打印中增加了時間組分,使得設(shè)計(jì)過程更為重要。4D打印必須根據(jù)可控智能材料改變機(jī)制,進(jìn)行細(xì)節(jié)預(yù)設(shè),使得材料能隨時間變化。13?圖2A-C顯示3D結(jié)構(gòu)根據(jù)熱激活后空間不同模式自折疊,打印出不同形狀的記憶聚合物。每一種聚合物有不同的熱相關(guān)行為,依據(jù)智能設(shè)計(jì)和熱化學(xué)機(jī)制,整個盒子會按照一定時間順序自折疊。14?4D打印材料選擇是很重要的,然而,大多數(shù)3D打印材料是用來制造堅(jiān)固靜止的物體。最近,已經(jīng)研發(fā)出一些智能形狀記憶合金/聚合物材料用于4D打印,利用的就是這些材料在熱量,UV或水吸收驅(qū)動下的自主裝行為,如圖2D-F所示。13,15?比如圖2F中溫度響應(yīng)人工手,就是用溫度響應(yīng)TPU(熱聚氨酯)絲打印制成的。它能對特定溫度做出反應(yīng),收縮或者展開。另外,具有不同環(huán)境行為的多元材料也可以用于4D打印。麻省理工的一個研究小組使用孔隙率和吸水性能不同的兩種材料打印可變性結(jié)構(gòu)。16,17?它的一面是多孔的水吸收材料而另一面是堅(jiān)固的放水材料。當(dāng)遇到水時,水吸收面的體積膨脹而另外一面不變,使得形狀發(fā)生改變。
圖 2.A–B) 不同軸使用不同材料的折疊盒。C) 經(jīng)過加熱,設(shè)計(jì)后的3D打印層折疊成為有自鎖機(jī)制的盒子。2015 Nature Publishing Group版權(quán)所有。D–E)膨脹的花型結(jié)構(gòu)是由凝膠和纖維素纖維仿生4D打印制成的。2016 Nature Publishing Group版權(quán)所有。F) 溫度響應(yīng)人工手是由溫度響應(yīng)TPU絲制成的。
3D和4D打印技術(shù)類型:
3D和4D打印技術(shù)根據(jù)所用的材料類型可分為不同的打印過程。材料的選擇會直接影響機(jī)械或熱性能,以及完成物體的轉(zhuǎn)化刺激。這一部分介紹最為常見的3D和4D打印類型和最常用的材料。
熔融沉積成型技術(shù)(FDM)
FDM方法是通過擠出熱塑性材料并將半熔融材料置于平臺上以逐層制造3D結(jié)構(gòu)的方式而進(jìn)行操作的。18?更具體地說,是首先將熱塑性長絲引入能夠以精確的量進(jìn)料和縮回的長絲擠出機(jī)。長絲通過設(shè)置到熔化溫度的加熱塊而被熔化,并通過兩個輥?zhàn)油ㄟ^擠出噴嘴頭。擠出的的長絲會隨著打印頭而沉積下來,而打印頭是通過一種數(shù)字定位的機(jī)制來跟蹤所需結(jié)構(gòu)的每個定義的橫截面層的設(shè)計(jì)。然后,平臺根據(jù)設(shè)定的層厚度,沿著Z軸移動。這些步驟通過反復(fù)重復(fù)而完成3D結(jié)構(gòu)的制造。
FDM的優(yōu)勢之一便是可以獲得的各種長絲材料,如圖3所示。市場上可以買到各種具有不同強(qiáng)度和溫度特性的FDM長絲,例如ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯,貨號3DXABS001–3DXABS0016)、尼龍(貨號3DXION001–3DXION004)、PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯,貨號900095和900125)、TPU(熱聚氨酯,貨號900126和900128)、POM(聚甲醛)、PC(聚碳酸酯)、HIPS(高抗沖聚苯乙烯)和PVA(聚乙烯醇)等。另外,有些材料還可以與其他功能性材料混合,來提高特定功能。其中,PLA(聚乳酸)絲因具有多種可用的特性而成為一種流行的選擇,如圖3所示。因?yàn)榫哂袩崴苄裕S多FDM絲在某些熱變化應(yīng)用中也可以作為4D打印材料。
粉床噴墨3D打印技術(shù)(PBP)
PBP過程和噴墨打印類似。在這過程中,先鋪上一層粉末,滾壓確保厚度一致,然后噴墨噴頭移動,以特定的方式滴下粘合劑,在粉床上形成需要打印物品的一層。下一層粉末鋪在滴過液體粘合劑的地方,重復(fù)這個步驟,使得每一層都與前一層粘合在一起。PBP技術(shù)不需要支撐結(jié)構(gòu),因?yàn)榭梢栽诋a(chǎn)品最后定型后,使用氣槍能夠輕松地去除沒有粘合起來的粉末。使用多打印噴頭和彩色粘合劑,可以打印出所有顏色。
在各種可用的粉末中,硫酸鈣(CaSO4,貨號255696和237132)是使用最廣泛的粉末之一,因其能與水基粘合劑發(fā)生反應(yīng)。它可與水基溶液快速反應(yīng)并轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)形式的石膏(CaSO4?2H2O)。19?在此方法中,粘合強(qiáng)度是確定印刷設(shè)備物理和化學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素。因此,粉末和粘合劑的特性需要慎重考慮選擇。
最近,Voxeljet研發(fā)了世界上最大的工業(yè)PBP沙模系統(tǒng)(VX4000)。最大的內(nèi)聚構(gòu)建空間為4,000 × 2,000 × 1,000 mm (L × W × H) ,其在一個周期內(nèi)可涂有300 μM的層。20
光固化技術(shù)(SLA)
SLA技術(shù)將紫外(UV)或可見激光和可固化液體光聚合物樹脂相結(jié)合。在充滿樹脂的液槽內(nèi),激光束按照物體某一層的2D截面設(shè)計(jì)照射,使樹脂固化,形成一層。然后,物體被抬升一層的距離,使樹脂填充在下面,并且和物體下方保持連接。這一步驟不斷重復(fù)直到整個模型完成,此時平臺抬離樹脂槽,多余的樹脂被抽干。最后,SLA產(chǎn)品被沖洗和UV光固化。相比其他3D打印技術(shù),SLA技術(shù)的重產(chǎn)品表面更光滑,這是因?yàn)槭褂昧艘后w光聚合物。盡管SLA可以生產(chǎn)各種形狀,但它的局限在于會浪費(fèi)大量的樹脂,而且制作后需要大范圍的清洗。另外,這一技術(shù)所用的樹脂只能是環(huán)氧基或丙烯酸基,大多數(shù)在聚合時會發(fā)生萎縮。
SLA最近一項(xiàng)進(jìn)展極大地縮短了打印時間。SLA最近一項(xiàng)進(jìn)展極大地縮短了打印時間。Carbon 3D公司宣布了一種新型連續(xù)液體界面提取技術(shù)(CLIP),通過在液體樹脂中產(chǎn)生無氧區(qū)(死區(qū)),可以比現(xiàn)有的技術(shù)快100倍進(jìn)行打印,如圖4所示。21?這種技術(shù)在樹脂槽中引入了獨(dú)特透氧窗,在窗和正在打印部分之間,形成薄薄的未固化的樹脂液體界面。無氧死區(qū)使得死區(qū)上方樹脂不斷被轉(zhuǎn)化固化,形成連續(xù)的固體部分。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖 4.A)?CLIP打印圖示。B)?通過CLIP以500 mm/小時打印速度而得到的零件。2015版權(quán),美國科學(xué)促進(jìn)學(xué)會。
未來展望
3D打印技術(shù)用途廣泛,在設(shè)計(jì),制造和應(yīng)用領(lǐng)域都很有效率 。4D打印技術(shù)在未來可能非常重要,因?yàn)樗赡苤匦露x工業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)。然而,這項(xiàng)技術(shù)在取代傳統(tǒng)生產(chǎn)方法前,還需要不斷完善。因此,未來對于3D和4D打印技術(shù)的研究和投資一定會給其他基礎(chǔ)領(lǐng)域,比如材料,打印機(jī)系統(tǒng)和產(chǎn)品市場帶來進(jìn)步。
3D打印耗材線材
3D打印材料訂貨編號? ? ? ? 規(guī)格明細(xì)?
3DXABS001ABS 3D printing filament black, diam. 1.75 mm黑色1.75 mm?
3DXABS002ABS 3D printing filament black, diam. 2.85 mm黑色2.85 mm?
3DXABS003ABS 3D printing filament blue, diam. 1.75 mm藍(lán)色1.75 mm?
3DXABS004ABS 3D printing filament blue, diam. 2.85 mm藍(lán)色2.85 mm?
3DXABS005ABS 3D printing filament green, diam. 1.75 mmgreen1.75 mm?
3DXABS006ABS 3D printing filament green, diam. 2.85 mmgreen2.85 mm?
3DXABS007ABS 3D printing filament natural, diam. 1.75 mmnatural1.75 mm?
3DXABS008ABS 3D printing filament natural, diam. 2.85 mmnatural2.85 mm?
3DXABS009ABS 3D printing filament orange, diam. 1.75 mm橙色1.75 mm?
3DXABS010ABS 3D printing filament orange, diam. 2.85 mm橙色2.85 mm?
3DXABS011ABS 3D printing filament red, diam. 1.75 mm紅色1.75 mm?
3DXABS012ABS 3D printing filament red, diam. 2.85 mm紅色2.85 mm?
3DXABS013ABS 3D printing filament white, diam. 1.75 mm白色1.75 mm?
3DXABS014ABS 3D printing filament white, diam. 2.85 mm白色2.85 mm?
3DXABS015ABS 3D printing filament yellow, diam. 1.75 mm黃色1.75 mm?
3DXABS016ABS 3D printing filament yellow, diam. 2.85 mm黃色2.85 mm?
3DXCFR0013DXMAX? CFR-ABS carbon fiber reinforced ABS 3D printing filament black, diam. 2.85 mm黑色2.85 mm
3DXCFR0023DXMAX? CFR-PLA carbon fiber reinforced PLA 3D printing filament black, diam. 1.75 mm黑色1.75 mm
3DXCFR0033DXMAX? CFR-ABS carbon fiber reinforced ABS 3D printing filament black, diam. 1.75 mm黑色1.75 mm
3DXCFR0043DXMAX? CFR-PLA carbon fiber reinforced PLA 3D printing filament black, diam. 2.85 mm黑色2.85 mm
3DXCNT0013DXNANO? ESD CNT-ABS carbon nanotube reinforced ABS 3D printing filament black, diam. 1.75 mm黑色1.75 mm
3DXCNT0023DXNANO? ESD CNT-ABS carbon nanotube reinforced ABS 3D printing filament black, diam. 2.85 mm黑色2.85 mm
3DXCNT0033DXNANO? ESD CNT-PETG carbon nanotube reinforced polyethylene terephthalate glycol copolymer 3D printing filament black, diam. 1.75 mm黑色1.75 mm
3DXCNT0043DXNANO? ESD CNT-PETG carbon nanotube reinforced polyethylene terephthalate glycol copolymer 3D printing filament black, diam. 2.85 mm黑色2.85 mm
3DXION001iON? nylon/ABS alloy 3D printing filament black, diam. 1.75 mm黑色1.75 mm?
3DXION002iON? nylon/ABS alloy 3D printing filament blue, diam. 1.75 mm藍(lán)色1.75 mm?
3DXION003iON? nylon/ABS alloy 3D printing filament red, diam. 1.75 mm紅色1.75 mm?
3DXION004iON? nylon/ABS alloy 3D printing filament natural, diam. 1.75 mmnatural1.75 mm?
3DXPLA001PLA 3D printing filament black, diam. 1.75 mm黑色1.75 mm?
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3DXPLA005PLA 3D printing filament green, diam. 1.75 mmgreen1.75 mm?
3DXPLA006PLA 3D printing filament green, diam. 2.85 mmgreen2.85 mm?
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3DXPLA008PLA 3D printing filament natural, diam. 2.85 mmnatural2.85 mm?
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3DXPLA010PLA 3D printing filament orange, diam. 2.85 mm橙色2.85 mm?
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3DXPLA016PLA 3D printing filament yellow, diam. 2.85 mm黃色2.85 mm?
3D打印材料目錄
貨號 產(chǎn)品描述
3DXCNT002 3DXNANO??ESD ? CNT-ABS carbon nanotube reinforced ABS 3D printing filamentblack, diam. ? 2.85?mm
訂貨編號
包裝規(guī)格
價格
3DXCNT002-1EA 1 EA
852
? 3DXCNT004 3DXNANO??ESD ? CNT-PETG carbon nanotube reinforced polyethylene terephthalate glycol ? copolymer 3D printing filamentblack, diam. 2.85?mm
訂貨編號 包裝規(guī)格
價格
3DXCNT004-1EA 1 EA
852
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訂貨編號 包裝規(guī)格
價格
3DXABS002-1EA 1 EA
455
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訂貨編號 包裝規(guī)格
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訂貨編號 包裝規(guī)格
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3DXABS004-1EA 1 EA
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訂貨編號 包裝規(guī)格
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3DXABS005-1EA 1 EA
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訂貨編號 包裝規(guī)格
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3DXABS006-1EA 1 EA
650
? 3DXABS008 ABS 3D printing filamentnatural, ? diam. 2.85?mm
3DXABS009 ABS 3D printing filamentorange, ? diam. 1.75?mm
訂貨編號 包裝規(guī)格
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3DXABS009-1EA 1 EA
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? 3DXABS010 ABS 3D printing filamentorange, ? diam. 2.85?mm
訂貨編號 包裝規(guī)格
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3DXABS010-1EA 1 EA
650
? 3DXABS011 ABS 3D printing filamentred, ? diam. 1.75?mm
訂貨編號 包裝規(guī)格
價格
3DXABS011-1EA 1 EA
455
? 3DXABS012 ABS 3D printing filamentred, ? diam. 2.85?mm
3DXABS013 ABS 3D printing filamentwhite, ? diam. 1.75?mm
訂貨編號 包裝規(guī)格
價格
3DXABS013-1EA 1 EA
455
? 3DXABS014 ABS 3D printing filamentwhite, ? diam. 2.85?mm
訂貨編號 包裝規(guī)格
價格
3DXABS014-1EA 1 EA
455
? 3DXABS015 ABS 3D printing filamentyellow, ? diam. 1.75?mm
訂貨編號 包裝規(guī)格
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3DXABS015-1EA 1 EA
650
? 3DXABS016 ABS 3D printing filamentyellow, ? diam. 2.85?mm
訂貨編號 包裝規(guī)格
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3DXABS016-1EA 1 EA
650
3DXCFR001 CarbonX??CFR-ABS ? carbon fiber reinforced ABS 3D printing filamentblack, diam. 2.85?mm, ? weight 750?gper each reel
訂貨編號 包裝規(guī)格
價格
3DXCFR001-1EA 1 EA
796
? 3DXCFR003 CarbonX??CFR-ABS ? carbon fiber reinforced ABS 3D printing filamentblack, diam. 1.75?mm, ? weight 750?gper each reel
訂貨編號 包裝規(guī)格
價格
3DXCFR003-1EA 1 EA
761
? 3DXCFR004 CarbonX??CFR-PLA ? carbon fiber reinforced PLA 3D printing filamentblack, diam. 2.85?mm, ? weight 750?gper each reel
? 3DXION001 iON??尼龍/ABS合金3D打印細(xì)絲black, ? diam. 1.75?mm
訂貨編號 包裝規(guī)格
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3DXION001-1EA 1 EA
805
? 3DXION003 iON??尼龍/ABS合金3D打印細(xì)絲red, ? diam. 1.75?mm
訂貨編號 包裝規(guī)格
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3DXION003-1EA 1 EA
812
? 3DXION004 iON??尼龍/ABS合金3D打印細(xì)絲natural, ? diam. 1.75?mm
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3DXION004-1EA 1 EA
812
? 3DXPLA001 PLA 3D 打印長絲black, diam. ? 1.75?mm
3DXPLA006 PLA 3D 打印長絲green, diam. ? 2.85?mm
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3DXPLA006-1EA 1 EA
455
? 3DXPLA009 PLA 3D 打印長絲orange, diam. ? 1.75?mm
訂貨編號 包裝規(guī)格
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3DXPLA009-1EA 1 EA
455
? 3DXPLA010 PLA 3D 打印長絲orange, diam. ? 2.85?mm
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3DXPLA010-1EA 1 EA
455
? 3DXPLA011 PLA 3D 打印長絲red, diam. ? 1.75?mm
訂貨編號 包裝規(guī)格
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3DXPLA011-1EA 1 EA
455
? 3DXPLA012 PLA 3D 打印長絲red, diam. ? 2.85?mm
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3DXPLA012-1EA 1 EA
455
? 3DXPLA013 PLA 3D 打印長絲white, diam. ? 1.75?mm
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3DXPLA013-1EA 1 EA
455
? 3DXPLA015 PLA 3D 打印長絲yellow, diam. ? 1.75?mm
訂貨編號 包裝規(guī)格
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3DXPLA015-1EA 1 EA
650
? 3DXPLA016 PLA 3D 打印長絲yellow, diam. ? 2.85?mm
訂貨編號 包裝規(guī)格
價格
3DXPLA016-1EA 1 EA
455
3DXTech ? ,產(chǎn)地美國,使用 100% 純樹脂和著色劑-精密擠壓到 1 kg 卷軸上 (2.2 lb.)。然后用干燥劑對燈絲進(jìn)行真空密封,以防止其受潮。??
制備說明
推薦的打印條件:擠出機(jī)溫度:190-220°C。床溫度:23-60°C[無需加熱床]
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