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3D打印 前言 3D打印 3Dprinting 即快速成型技術(shù)的一種 它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ) 運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料 通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù) 3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的 2 定義 3D打印技術(shù) 是以計算機三維設(shè)計模型為藍(lán)本 通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng) 利用激光束 熱熔噴嘴等方式將金屬粉末 陶瓷粉末 塑料 細(xì)胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結(jié) 最終疊加成型 制造出實體產(chǎn)品 與傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具 車銑等機械加工方式對原材料進行定型 切削以最終生產(chǎn)成品不同 3D打印將三維實體變?yōu)槿舾蓚€二維平面 通過對材料處理并逐層疊加進行生產(chǎn) 大大降低了制造的復(fù)雜度 這種數(shù)字化制造模式不需要復(fù)雜的工藝 不需要龐大的機床 不需要眾多的人力 直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中便可生成任何形狀的零件 使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延伸 3 3D打印主流技術(shù) 3D打印的技術(shù)主要包括SLA FDM SLS LOM等工藝 下面我們簡單介紹三種主流技術(shù) 1 立體光刻造型技術(shù) SLA 大家可以想象一下把一根黃瓜切成很薄的薄片再拼成一整根 先由軟件把3D的數(shù)字模型 切 成若干個平面 這就形成了很多個剖面 在工作的時候 有一個可以舉升的平臺 這個平臺周圍有一個液體槽 槽里面充滿了可以紫外線照射固化的液體 紫外線激光會從底層做起 固化最底層的 然后平臺下移 固化下一層 如此往復(fù) 直到最終成型 其優(yōu)點是精度高 可以表現(xiàn)準(zhǔn)確的表面和平滑的效果 精度可以達到每層厚度0 05毫米到0 15毫米 缺點則為可以使用的材料有限 并且不能多色成型 4 3D打印主流技術(shù) 2 熔融沉積成型技術(shù) 同樣是需要把3D的模型薄片化 但是成型的原理不一樣 學(xué)過高等數(shù)學(xué)的朋友都知道積分 熔融沉積成型技術(shù) 就是把材料用高溫熔化成液態(tài) 然后通過噴嘴擠壓出一個個很小的球狀顆粒 這些顆粒在噴出后立即固化 通過這些顆粒在立體空間的排列組合形成實物 這種技術(shù)成型精度更高 成型實物強度更高 可以彩色成型 但是成型后表面粗糙 5 3D打印主流技術(shù) 3 選擇性激光燒結(jié) 簡稱SLS SLS工藝又稱為選擇性激光燒結(jié) 由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C R Dechard于1989年研制成功 SLS工藝是利用粉末狀材料成形的 將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面 并刮平 用高強度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面 材料粉末在高強度的激光照射下被燒結(jié)在一起 得到零件的截面 并與下面已成形的部分粘接 當(dāng)一層截面燒結(jié)完后 鋪上新的一層材料粉末 選擇地?zé)Y(jié)下層截面 6 3D打印的應(yīng)用 1 3D打印在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用科學(xué)家們正在利用3D打印機制造諸如皮膚 肌肉和血管片段等簡單的活體組織 很有可能將有一天我們能夠制造出像腎臟 肝臟甚至心臟這樣的大型人體器官 如果生物打印機能夠使用病人自身的干細(xì)胞 那么器官移植后的排異反應(yīng)將會減少 7 3D打印的應(yīng)用 2 3D打印在工業(yè)中的應(yīng)用首先3D打印技術(shù)可以加工傳統(tǒng)方法難以制造的零件 過去傳統(tǒng)的制造方法就是一個毛坯 把不需要的地方切除掉 是多維加工的 或者采用磨具 把金屬和塑料融化灌進去得到這樣的零件 這樣對復(fù)雜的零部件來說加工起來非常困難 立體打印技術(shù)對于復(fù)雜零部件而言具有極大的優(yōu)勢 立體打印技術(shù)可以打印非常復(fù)雜的東西 8 3D打印的應(yīng)用 例 首款3D打印汽車當(dāng)3D打印正在改變制造業(yè)的流程時 現(xiàn)在又要改變汽車的生產(chǎn)方式了 世界上第一款3D打印汽車面世 這次不是玩具 而是真正能開上馬路的汽車 據(jù) 連線 雜志報道 Urbee2是一款三輪的混合動力汽車 它的所有零部件都是3D打印出來的 正如Makerbot和Form1正在重新定義制造業(yè) Urbee正在致力于改變我們制造汽車的方式 9 3D打印的應(yīng)用 這款汽車是JimKor和他的KorEcologic團隊頭腦風(fēng)暴的產(chǎn)物 他們一直專注于研究未來的3D交通工具 他們在網(wǎng)站上展示了對于未來汽車的構(gòu)想 用最少的能耗開最遠(yuǎn)的路程 把生產(chǎn) 使用 回收過程的污染降到最低 盡可能用汽車產(chǎn)地附近的原材料生產(chǎn)汽車 Kor的目標(biāo)是讓未來的汽車更節(jié)能 環(huán)保 生產(chǎn)過程更便捷 10 3D打印的應(yīng)用 Urbee的生產(chǎn)車間是RedEye 世界上第一款3D打印機摩托車原型也誕生于此 Kor說3D打印的一個優(yōu)勢是具有其他片狀金屬材料所不具備的靈活性和可塑性 傳統(tǒng)的汽車制造是生產(chǎn)出各部分然后再組裝到一起 3D打印機能打印出單個的 一體式的汽車車身 再將其他部件填充進去 據(jù)稱 新版本3D汽車需要50個零部件左右 而一輛標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的汽車需要成百上千的零部件 11 3D打印的應(yīng)用 這讓制造變得更簡單 Kor只要將模型的每部分上傳到打印機上 2500小時后 他就拿到了所有的塑料部件 然后他再把這些東西組裝在一起 完整的Urbee看上去像是一個大號電腦鼠標(biāo) Urbee的打印材料大部分是塑料 當(dāng)然 它的地盤和引擎還是鋼鐵 這車開到路上安全嗎 Kor的答案是肯定的 我們甚至覺得它可以用于專業(yè)比賽的賽車 他告訴 連線 雜志 我們要讓這輛車通過美國勒芒比賽的技術(shù)檢測 12 3D打印的應(yīng)用 建筑設(shè)計業(yè)在建筑業(yè)里 工程師和設(shè)計師們已經(jīng)接受了用3D打印機打印的建筑模型 這種方法快速 成本低 環(huán)保 同時制作精美 完全合乎設(shè)計者的要求 同時又能節(jié)省大量材料 13 3D打印機 三維打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn) 這種打印機的產(chǎn)量以及銷量在二十一世紀(jì)以來就已經(jīng)得到了極大的增長 其價格也正逐年下降 使用打印機就像打印一封信 輕點電腦屏幕上的 打印 按鈕 一份數(shù)字文件便被傳送到一臺噴墨打印機上 它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像 而在3D打印時 軟件通過電腦輔助設(shè)計技術(shù) CAD 完成一系列數(shù)字切片 并將這些切片的信息傳送到3D打印機上 后者會將連續(xù)的薄型層面堆疊起來 直到一個固態(tài)物體成型 3D打印機與傳統(tǒng)打印機最大的區(qū)別在于它使用的 墨水 是實實在在的原材料 14 3D打印機 堆疊薄層的形式有多種多樣 有些3D打印機使用 噴墨 的方式 例如 一家名為Objet的以色列3D打印機公司使用打印機噴頭將一層極薄的液態(tài)塑料物質(zhì)噴涂在鑄模托盤上 此涂層然后被置于紫外線下進行處理 之后鑄模托盤下降極小的距離 以供下一層堆疊上來 另外一家總部位于美國明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一種叫做 熔積成型 的技術(shù) 整個流程是在噴頭內(nèi)熔化塑料 然后通過沉積塑料纖維的方式才形成薄層 15 3D打印機 還有一些系統(tǒng)使用粉末微粒作為打印介質(zhì) 粉末微粒被噴撒在鑄模托盤上形成一層極薄的粉末層 然后由噴出的液態(tài)粘合劑進行固化 它也可以使用一種叫做 激光燒結(jié) 的技術(shù)熔鑄成指定形狀 這也正是德國EOS公司在其疊加工藝制造機上使用的技術(shù) 而瑞士的Arcam公司則是利用真空中的電子流熔化粉末微粒 以上提到的這些僅僅是許多成型方式中的一部分 當(dāng)遇到包含孔洞及懸臂這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)時 介質(zhì)中就需要加入凝膠劑或其他物質(zhì)以提供支撐或用來占據(jù)空間 這部分粉末不會被熔鑄 最后只需用水或氣流沖洗掉支撐物便可形成孔隙 如今可用于打印的介質(zhì)種類多樣 從繁多的塑料到金屬 陶瓷以及橡膠類物質(zhì) 有些打印機還能結(jié)合不同介質(zhì) 令打印出來的物體一頭堅硬而另一頭柔軟 16 3D打印機 17 3D打印機 18 3D打印的缺陷 1 材料的限制仔細(xì)觀察你周圍的一些物品和設(shè)備 你就會發(fā)現(xiàn)3D打印的第一個絆腳石 那就是所需材料的限制 雖然高端工業(yè)印刷可以實現(xiàn)塑料 某些金屬或者陶瓷打印 但目前無法實現(xiàn)打印的材料都是比較昂貴和稀缺的 另外 現(xiàn)在的打印機也還沒有達到成熟的水平 無法支持我們在日常生活中所接觸到的各種各樣的材料 研究者們在多材料打印上已經(jīng)取得了一定的進展 但除非這些進展達到成熟并有效 否則材料依然會是3D打印的一大障礙 19 3D打印的缺陷 2 機器的限制眾所周知 3D打印要成為主流技術(shù) 作為一種消耗大的技術(shù) 它對機器的要求也是不低的 其復(fù)雜性也可想而知 目前的3D打印技術(shù)在重建物體的幾何形狀和機能上已經(jīng)獲得了一定的水平 幾乎任何靜態(tài)的形狀都可以被打印出來 但是那些運動的物體和它們的清晰度就難以實現(xiàn)了 這個困難對于制造商來說也許是可以解決的 但是3D打印技術(shù)想要進入普通家庭 每個人都能隨意打印想要的東西 那么機器的限制就必須得到解決才行 20 3D打印的缺陷 3 知識產(chǎn)權(quán)的憂慮在過去的幾十年里 音樂 電影和電視產(chǎn)業(yè)中對知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)注變得越來越多 3D打印技術(shù)毫無疑問也會涉及到這一問題 因為現(xiàn)實中的很多東西都會得到更加廣泛的傳播 人們可以隨意復(fù)制任何東西 并且數(shù)量不限 如何制定3D打印的法律法規(guī)用來保護知識產(chǎn)權(quán) 也是我們面臨的問題之一 否則就會出現(xiàn)泛濫的現(xiàn)象 21 3D打印的缺陷 4 道德的挑戰(zhàn)道德是底線 什么樣的東西會違反道德規(guī)律 我們是很難界定的 如果有人打印出生物器官或者活體組織 是否有違道德 我們又改如何處理呢 如果無法盡快找到解決方法 相信我們在不久的將來會遇到極大的道德挑戰(zhàn) 22 3D打印的缺陷 5 花費的承擔(dān)3D打印技術(shù)需要承擔(dān)的花費是高昂的 對于普通大眾來說更是如此 例如上面提到第一臺在京東上架的3D打印機的售價為1萬5 又有多少人愿意花費這個價錢來嘗試這種新技術(shù)呢 也許只有愛好者們吧 如果想要普及到大眾 降價是必須的 但又會與成本形成沖突 如何解決這個問題 制造商們估計要頭疼了 23 3D打印的前景 3D打印技術(shù)的前景是一種新型的生產(chǎn)方式 能夠促成新的工業(yè)革命 其擁有廣闊的市場前景 但每一種新技術(shù)誕生初期都會面臨著上述類似的障礙 但相信找到合理的解決方案3D打印技術(shù)的發(fā)展將會更加迅速 就如同任何渲染軟件一樣 不斷地更新才能達到最終的完善 事實上 3D打印技術(shù)要成為主流的生產(chǎn)制造技術(shù)還尚需時日 24