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3D打印

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ORDbot Quantum三维打印机.
打印的延时摄影视频,hyperboloid物体打印(聚乳酸PLA制作),使用RepRap“Prusa Mendel”三维打印机,以热溶聚合物成型。

3D打印英语3D printing),又称增材制造Additive ManufacturingAM),属于快速成形技术的一种,它是一种数字模型文件为基础直接制造几乎任意形状三维实体的技术。3D打印运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层堆叠累积的方式来构造物体,即“層造形法”。3D打印与传统的机械加工技术不同,后者通常采用切削或钻孔技术(即减材工艺)实现。 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。特别是一些高价值应用(比如髋关节牙齿,或一些飞机零部件)已经有使用这种技术打印而成的零部件,意味着“3D打印”这项技术的普及。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长,其价格也正逐年下降。[1]

该技术在珠宝,鞋类,工業設計,建築,工程和施工(AEC),汽車,航空航天[2],牙科和医疗产业,教育,地理信息系统,土木工程,槍枝以及其他领域都有所应用。

历史[编辑]

长久以来科学家和技术工作者一直有着一个复制技术的设想,但直到20世纪80年代,3D打印的概念才算真正开始实现。1982年,日本名古屋市工业研究所首次公开实现实体模型的印制。但直到2010年代才出现商业的3D打印机。 然而,最常被冠以发明“现代”3D打印机的人是查尔斯·W·赫尔(Chuck Hull)。自21世纪初,3D打印机销量大增,进而价格也明显下降。根据总部位于美国的全球知名的从事3D打印行业研究的咨询机构Wohlers Associates, Inc统计,2012年3D打印机及其服务市场达到了22亿美元,比2011年增长了29%。

术语[编辑]

“積層製造”(Additive manufacturing)用来指通过层层叠加制造实体的技术。制造出的实体可用于从试制(即快速原型)到最终产品的规模化生产(即快速制造)整个生命周期内任何地方。

一般原理[编辑]

三维模型的分割

三维设计[编辑]

3D打印的设计过程是:先通过计算机辅助设计(CAD)或计算机动画建模软件建模,再将建成的三维模型“分割”成逐层的截面,从而指导打印机逐层打印。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来大致模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描来产生三维文件的扫描器,其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

打印过程[编辑]

打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的。一般的厚度为100微米,即0.1毫米,也有部分打印机如Objet Connex系列还有3D Systems' ProJet系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。 用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天,根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用3D打印的技术则可以将时间缩短为数个小时,当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品,而3D打印技术则可以以更快,更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的3D打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

表面[编辑]

目前3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够(在弯曲的表面可能会比较粗糙,像图像上的锯齿一样),要获得更高分辨率的物品可以先用当前的3D打印机打出稍大一点的物体,再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。

有時在打印的过程中还会用到支撑物,比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西(如可溶的东西)作为支撑物。

技术[编辑]

世界范围的快速原型成型技术
奥迪公司(Audi)使用快速成型技术的KUKA机器人来制造的Audi RSQ汽车

現在存在著許多不同的技術。它们的不同之处在于以可用的材料的方式,並以不同层构建创建部件。有些技術利用熔化或软化可塑性材料的方法来制造打印的“墨水”,例如:选择性激光烧结(SLS)和熔融沉积式(FDM),还有一些技术是用液体材料作为打印的“墨水”的,例如:立体平板印刷(SLA)、分层实体制造(LOM)。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,3D打印机的价格,物体原型的成本,还有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3D打印机来制作模具,然后用这些模具制作金属部件。

累积技术 基本材料
选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS 热塑性塑料金属粉末、陶瓷粉末
直接金属激光烧结(Direct metal laser sintering,DMLS 几乎任何合金
熔融沉积式(Fused deposition modeling,FDM 热塑性塑料,共晶系統金属、可食用材料
立体平版印刷(Stereolithography,SLA 光硬化树脂(photopolymer
数字光处理(Digital Light Processing,DLP 液态树脂
熔丝制造(Fused Filament Fabrication,FFF) 聚乳酸ABS树脂
融化压模式(Melted and Extrusion Modeling,MEM) 金属线、塑料线
分层实体制造(Laminated object manufacturing,LOM 、金属膜、塑料薄膜
电子束熔化成型(Electron beam melting,EBM 合金
选择性热烧结(Selective heat sintering,SHS Thermoplastic powder
粉末层喷头3D打印(Powder bed and inkjet head 3D printing,PP 石膏

打印机[编辑]

家用打印机[编辑]

RepRap 2.0版本孟德尔(Mendel)打印机
MakerBot Cupcake CNC打印机
Airwolf 3D AW3D v.4(Prusa)打印机

有一些機構以及公司正在努力開發一般家庭負擔得起的3D打印机,其中有许多是相关的。这项工作的推动,并有针对性地DIY/发烧友/早期采用者社区的学术和黑客社区的链接。

RepRap3D打印机是一个在桌面类的运行时间最长的项目。RepRap项目的目的是产生一个自由和开放源码软件的3D打印机,其规格在GNU通用公共许可证下发布的,并可以打印自己的部分(打印件),以创造更多的机器。截至2010年11月,RepRap可以打印塑料件,并要求电机,电子和一些金属支撑棒来完成。[來源請求]打印印刷电路板,以及金属部件的设备正在研究中。一些公司和个人出售部分建立不同的RepRap设计,开始于2012年的价格约€400 / 500美元[3]

由于RepRap具有的开放源码软件的目的,许多相关的项目都用它的设计中获取灵感,创造一个生态系统的许多相关的或衍生的3D打印机,其中大部分也是开源设计。这些开源设计的可用性意味着,发明3D打印机的变体很容易。但是,不同的打印机设计的质量和复杂性不同,套件或成品的质量也良莠不齐。这种快速发展的开源3D打印机的正在得到越来越多的关注,无论是发达国家和发展中国家都在大量定制和设计,因为它可以通过管道在公共领域使用,如Thingiverse制作的适当开源的技术。这项技术也可以协助在可持续发展,这种技术很容易在当地取得资源,因此十分经济,以满足他们的需求。

开放源码的Fab@Home项目一般使用的打印机,可以使用一个喷嘴做出任何产品,从巧克力到硅密封剂和化学反应物。打印机可以从供应商的工具包项目的设计或组装的形式,在2012年该地区的价格是2000美元。[3]

许多这些打印机以套件形式提供的,还有一些是完全组装好的形式。完全组装好的Solidoodle2,一个6x6x6英寸的打印机的价格为499美元。打印机套件的价格从400美元为开源SeeMeCNC H-1,500美元的Printrbot,这两者都是来自以前的RepRap打印机的衍生模型,到超过2000美元的Fab@Home的2.0双注射器系统。

商用和家用打印机[编辑]

开发和能超级自定义的的基于RepRap的3D打印机制作了一类新的打印机,适用于住宅及商业用途。最便宜的组装打印机是Solidoodle 2,而RepRapPro的DIY套件售价为680美元左右,是最便宜的和最可靠的。还有其他的高端工具包和完全组装好的机器,是基于RepRap的机器增强型号,能以高速和高清晰度来打印。根据不同的应用,打印分辨率和速度的程度介乎个人打印机和工业打印机之间。打印机的价格和其他信息的清单被人维护[3]。大部分最近的delta robots已经用于3D打印来进一步的增加制造的速度。[4]

应用[编辑]

3D打印的限量版首饰的例子。这个项链是由玻璃纤维填充的染色尼龙。它具有的旋转链接和其他部件都用了相同的制造步骤。摄影:Atelier Ted Noten

工业应用[编辑]

在20世纪80年代初以来,工业的3D打印机已经存在,并已广泛用于快速成型设计和研究目的。这些通常是较大的机器,使用专有的金属粉末,铸造介质(如沙子),塑料或磁带,并用于许多快速原型使用的大学和商业公司。制造工业用3D打印机的公司包括Renishaw,Objet GeometriesStratasys,3D System和Z Corporation公司。

快速成型[编辑]

快速制造[编辑]

在快速成型技术的进步所带来的使用材料用于最终制造的能力。在材料的使用这些技术进步带来的直接生产成品组件的前景。3D打印技术的优势在于相对廉价的生产少量的零件快速制造。

民用和爱好者用[编辑]

3D打印服务[编辑]

有些公司提供网上在线的3D打印服务,既对消费者也对工业界开放。人们上传自己的3D设计到3D打印服务公司网站,设计被通过工业的3D打印机打印后运到客户。3D打印服务公司的一些例子是Shapeways,Kraftwurx,i.materialise,MyMiniFactory,Threeding和Freedom Of Creation。MakerBot工业的Thingiverse允许共享的3D打印文件和作为一个社区资源。[5] [6]

新应用的研究[编辑]

其他应用程序将包括创造开放源码的科学设备[7] ,或用于其他科学为基础的应用程序,例如重建古生物化石,复制古老而珍贵文物,重建骨骼和身体各部位的法医病理学,以及重建严重受损来自于犯罪现场调查的证据。

美國太空總署(NASA)資助美國一位工程師,設計3D食物印表機,如果機器設計成功,不僅能為長途太空任務提供食物,未來地球人類過多引發資源不足時,也能直接印出食物餵飽大眾[8]

2013年11月,第一把3D列印金屬槍問世。[9][10][11]

2014年1月,3D列印建築技術問世。[12]

大批量生产[编辑]

歷史建築與數位典藏[编辑]

歷史建築的紀錄過去常以圖面或照片等平面資訊紀錄,現代因科技發展而有3D掃描技術可較精準地將歷史建築數位化進行數位典藏,而以此為基礎之資料除可妥善保存外,亦可直接或經處理後成為3D數位模型,現在透過3D印表機可將原本僅存在數位世界中的資料實體化,數位化的製造過程更可將人為的誤差降到最低,免除過去建築模入的人為意識或變更產生與實體不符之狀況。[13]

展览会[编辑]

评价[编辑]

大部份媒体都予以了正面评价[14],或者因其成本过高而对其发展速度与规模产生了疑问。也有部份媒体对其打印物是否合法产生了怀疑,质疑其打印塑料枪械和手铐钥匙威胁社会治安[15]

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ Sherman, Lilli Manolis. 3D Printers Lead Growth of Rapid Prototyping (Plastics Technology, August 2004). [2012-01-31]. 
  2. ^ 中国西北工业大学可一次3D打印超过5米的钛金属飞机部件
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3ders.org 3D printers list with prices
  4. ^ See for example the Rostock [1]
  5. ^ 乐施会与MyMiniFactory为叙利亚难民众包3D打印的洗手系统 [2]
  6. ^ 3D打印平台Threeding增添新功能 提升用户体验 [3]
  7. ^ Pearce, Joshua M. 2012.“Building Research Equipment with Free, Open-Source Hardware.Science 337(6100): 1303–1304.open access
  8. ^ NASA資助工程師設計食物印表機. 台灣醒報. 2013-05-22 (中文(台灣)‎). 
  9. ^ 不止用塑膠首支金屬3D列印槍問世中國時報,2013-11-09。(正体中文)
  10. ^ 全球首款3D列印金屬手槍問世已射50發子彈中新網,2013-11-08。(繁体中文)
  11. ^ World's first 3D-printed metal gun successfully fires over 50 rounds
  12. ^ New giant 3D printer can build a house in 24 hours
  13. ^ 李家宇,《3D都市尺度雷射掃瞄在建築數位典藏之應用-以新竹縣北埔鄉、竹東鎮及大台北地區為例》,台北:台灣科技大學建築研究所博士論文,2012。
  14. ^ 让梦想变成现实3D打印留足想象空间,中关村在线。
  15. ^ 郑渊洁叹3D打印:童话都不敢这么写,新华网。

外部链接[编辑]