神奇的3D打印技术

神奇的3D打印机•内容简介：•发明历程、发展过程•工作原理•技术特性、优点•应用领域•国内外形式•发展前景、未来趋势•待解决问题•3D扫描仪3D打印的概念早在几十年前就已提出。上世纪70年代，随着3D辅助设计的兴起，设计师能在电脑软件中看到虚拟的三维物体，但要将这些物体用粘土、木头或是金属做成模型却非常不易，可以用费时费力费钱来形容。3D打印的出现，使平面变成立体的过程一下简单了很多，设计师的任何改动都可在几个小时后或一夜之间重新打印出来，而不用花上几周时间等着工厂把新模型制造出来，这样可以大大缩短制作周期、降低制作成本。而随着科技的不断进步，更多材料的产品被打印出来，人们才发现原来还可以这么玩。《经济学人》杂志曾评价：“伟大发明所能带来的影响，在当时那个年代都是难以预测的，1750年的蒸汽机如此，1450年的印刷术如此，1950年的晶体管也是如此。而今，我们仍然无法预测，3D打印将在漫长的时光里如何改变这个世界。”3D打印机究竟为何物•3D打印机，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。机器的上半部分是个半透明的罩子，有一排控制按钮，旁边是一台电脑。掀起罩子，左边立着四盒不同颜色的墨水，右边的工作区摆放研磨得很细的石膏粉末。工作时，这些粉末会一层层地被液态连接体也就是特殊胶水粘合，按照不同的横截面图案固化，一层层叠加，感觉像是在做蛋糕那样创建三维实体。发明历程•3D打印机是一位意大利名为恩里科·迪尼的发明家设计的一种神奇的打印机。为了测试这台大型打印机，恩里科·迪尼为诺曼·福斯特公司在阿布扎比建造的全球首个绿色乌托邦“马斯达尔城”，打印了一部分建筑的骨架外墙，结果证明完全可行。•现在，他正与诺曼·福斯特建筑设计公司以及阿尔塔太空公司合作，研究设计一种可以使用月球尘埃打印的3D打印机，届时可以在月球上快速建造人类基地。恩里科·迪尼（EnricoDini）发展过程20世纪初期3D打印源自100多年前美国研究的照相雕塑和地貌成形技术，上世纪80年代已有雏形，其学名为“快速成型”。20世纪80年代在20世纪80年代中期，SLS被在美国德州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利。20世纪末期1995年，麻省理工创造了“三维打印”一词，当时的毕业生JimBredt和TimAnderson修改了喷墨打印机的方案，变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案，而不是把墨水挤压在纸张上的方案。工作原理3D模型特殊的胶水一系列数字文件切片原材料计算机建模软件建模数据传到打印机并设置参数用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来将各层截面以各种方式粘合起来打印过程•其实3D打印机原理很简单，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。完成后，要处理掉物品周围沾满的粉末，这是可以循环利用的，再涂上增强硬度的胶水。•眼下3D打印机有两种类型，一种是堆叠法，一种是烧结。原理基本都是多层分片打印，而堆叠和烧结只是成型技术的区别。堆叠只能成型塑料、硅之类的材质，对固化反应速度有要求，而烧结可以利用激光的高温对金属粉末进行处理加工出金属材质的东西出来，实体可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。所以3D打印机和普通打印机，最大的区别是“墨水”。•现有的3D打印技术能够实现600dpi分辨率，每层厚度只有0.01毫米，想完美地展现头发丝还是很困难的，但是做小零件、模型绰绰有余。技术的发展和粉末很有关系，材料越细，每一层就更薄，做出来的东西精度就越高。技术特性，优点提高原材料和能源的使用效率,大大节省工业样品制作时间成本较高弯曲的面会比较粗糙（打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可）大幅降低生产成本,减少对环境的影响，几乎可打造任何形状的模型每种技术都有各自的优缺点，因而一些公司会提供多种打印机以供选择。一般来说，主要的考虑因素是：打印的速度和成本，三维打印机的价格，物体原型的成本，材料以及色彩的选择和成本。可以直接打印金属的打印机价格昂贵，有时候人们会先使用普通的三维打印机来制作模具，然后用这些模具制作金属部件。3D打印为何能火•新的三个有关3D打印的报道很吓人，一个是打印房子，另一个打印飞机，三是打印手枪。其实在欧美，注重创造力的发达国家，3D打印技术已经成功商用，尤其是消费电子业、航空业和汽车制造业。它们不光可以离开传统的大规模机床来制造小数量的部件，而且可以用不同方法来制造，比如单个制作喷气式飞机上的空气动力导管，而不再需要很多不同的元件来组装它。用发展的眼光来看，3D打印首先会影响的是模具行业。即便在国内制造行业不景气的今天，模具行业仍然风景独好，一方面是对技术要求高，另一方面是市场有需求，在产品大规模生产之前，必须要进行多次打样和修改。3D打印机的出现，其实是消灭了模具反复打造的流程，能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，极大地缩短产品的研制周期，大幅减少成本投入，对于一些复杂而精细的造型，3D打印机表示毫无压力。3D打印为何能火•其次是会引发个性风潮。对一些小厂家来说，迫于模具制造的高成本，往往会采用公模来生产，虽然在功能上能满足用户的需求，但千篇一律的造型，很难迎合时下个性化的发展趋势，所以卖不出高价，只能靠低价来吸引消费者。在机械化和流水线盛行的年代，人们对于手工的东西有特别的亲切感，即便价格昂贵数倍，也不愁找不到买家，原因是手工制作不可能有相同的，而且品质有保证。3D打印机的出现，一方面满足人们对个性化产品的追求欲，完全可以量身定制，另一方面在大大提高生产效率的同时，还能降低成本。•第三是激发了人的想象力。极客牙医用它进行牙齿正畸和数字化种牙，减少风险和痛苦；外科医生更厉害，直接打印骨头，只不过把材料换成添加了硅和锌磷酸钙，用于临床手术；汽车维修公司用它来打印稀缺的汽车零部件，原先要等全球物流下2个月才到的一个东西，1个小时搞定了；英国科学家还在3D打印机的基础上成功改造，使用液态巧克力作为“油墨”，可以打印各种形状的巧克力，几乎所有人都相信，3D打印机会成为食品界杀手级工具。3D打印应用广泛医疗行业最近，一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。随着技术的发展，甚至可以打印出具有活性的人体组织等。科学研究美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，更适合研究。产品模型比如微软的3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打印出来模型，能够让设计制造部门更好的改良产品，打造出更出色的产品。建筑设计在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美。完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。3D打印应用广泛制造业制造业也需要很多3D打印产品，因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用3D技术能带来很多好处，甚至连质量控制都不再是个问题。食品产业没错，就是“打印”食品。研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。当然，到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。汽车制造业不是说你的车是3D打印机打印出来的(当然或许有一天这也有可能)，而是说汽车行业在进行安全性测试等工作时，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，在追求效率的同时降低成本。饰品/工艺品这是最广阔的一个市场。在未来不管是你的个性笔筒，还是有你半身浮雕的手机外壳，抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指，都有可能是通过3D打印机打印出来的。甚至不用等到未来，现在就可以实现细数世界最新颖的几大3D打印技术世界上最大的3D打印机Objet1000Objet1000的由来就是它拥有1000x800x500mm的可打印面积，这通常是同类别3D打印机的三倍。Objet1000不仅拥有超大的可打印面积，同时继承了Objet公司世界一流的3D打印精度，能刻画出16微米的打印层。更厉害的是，Objet1000支持同时以14种打印材料完成作业。Objet1000究竟有多大呢？直观地说，它能够容纳238磅（约合108千克）的树脂（3D打印原材料），这就已经比许多3D打印机还要重了。纳米级别微型3D打印机•能制作纳米级别的微型结构，以最高的分辨率，快速的打印宽度，打印出不超过人类头发直径的三维物体。用沙土做原料的VoxelJet3D打印机•VoxelJet公司采用固体颗粒（沙子）和胶水作为打印原材料，以此制造金属铸造中使用的模具。打印出来的成品会留有孔隙和管道，使用者可以直接将铁水等液态金属浇注进去。当模具内的金属冷却后，直接用锤子把沙模敲碎就好了。一件曾经的CAD模型就此来到了现实中。用纸做原料的MCOR打印机•MCOR公司的3D打印机的与众不同之处在于，它们使用办公用纸作为打印的原材料。MCOR公司的3D打印机会胶合常见的20磅纸（这是常见的书本纸），然后有一把刀具会一遍又一遍地在“纸块”上把3D模型雕刻成产品•使用纸张作为打印原材料的最大优点就是不会造成污染（虽然造纸业污染严重），MCOR胶合纸张使用的胶水也是绿色环保的树胶，这种原材料会比塑料更让人舒服一些。使用纸张作为打印原材料的另一个优点是：材料到处都是，你不必专门去购买树脂或塑料。拥有“激光武器”的ConceptLaser3D打印机•ConceptLaser公司生产的3D打印机以金属粉末作为打印原材料，而他们融化金属采用的“武器”就是高温的激光束。ConceptLaser的3D打印机可以应用在贵金属首饰加工，或是航空航天使用的钛合金材料部件加工上。同时，还有不少人使用ConceptLaser的产品生产医疗器械，因为这些器械的材质通常是不锈钢和钛金属。“理想很丰满，现实很骨感”，这是3D打印产业的现状•在率先实现3D打印产业化的美国，公共服务平台在产业链中扮演着非常重要的角色，承担了教育普及、创意呈现、在线企业服务等功能。如全球知名的Shapeways公司，它建立的3D打印网络平台能够为客户定制他们设计的各种产品，包括艺术品、首饰、iPhone手机壳等，还为客户提供销售其创意产品的平台。通过这类平台，企业和个人都可轻松实现自己的3D打印构想，而不需要购买昂贵的设备，由此带来了3D打印在美国的繁荣。3D打印机并非天价•工业用的3D打印系统价格从1.5万美元左右起，最贵的要100多万美元。但是，普通的桌面3D打印机并不像大家想象的那么昂贵，原因是它采用了开源硬件Arduino。Arduino由5个国际工程师研发，刚开始是为了促进意大利艾维里互动设计学院的发展，旨在帮助学生们实现把输入的数据原型输出。它括一个简单易用的I/O电路板，以及一个基于Eclipse的软件开发环境，可以用来开发可独立运作、并具互动性的电子用品，也可以开发出与PC相连的周边装置，同时能在运作时与PC上的软件进行沟通。因为Arduino让生产3D产品又快又便宜，所以整个制造过程被大大简化透明了。对整个3D打印产业来说，正是因为有了Arduino和其他尾随的开源技术，才变的更普遍、更廉价，要知道它的重组成本接近为零。•以杭州某创业者为例：从2010年底到现在，他已经卖出了150台桌面3D打印机，不仅包括代理的国外品牌，还有他们自己制造的机器。第一代产品售价是4000元，只有一个喷头，只能打印一种材料；第二代产品正在内测中，安装有两个喷头，价格也不会过万。3D打印离我们生活还有多远•3