三维打印技术

三维打印技术（精选9篇）

三维打印技术 篇1

0引言

3D打印技术又称三维立体快速成型技术, 可描述为一个计算辅助制造过程, 即借助计算机辅助设计, 通过三维建模构造实体的虚拟数据模型, 再对数字模型进行空间分层, 最后以不同的平面加工技术对所有数据切片逐层‘打印’继而垒积实现整体造型。该技术起源于20世纪80年代[1], 德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程学院CarlDeckard和Joseph Beaman于1980年最早提出了选择性激光烧结成型技术 ( SLS) [2]; 1987年, 3D Systems公司的Charle Hull发明了三维立体光刻技术 ( SL) [3]; 1988年, S.Scott Crump开发了熔融沉积成型技术 ( FDM ) 并于1990商业化[4]; 1995年, 麻省理工学院的Jim Bredt和Tim An-derson提出了“三维打印”技术 ( 3 dimensional printing, 3DP) [5]; 2005年, Z Corp公司推出了第一款能够进行高分辨率彩色3D打印的产品。总体而言, 该技术综合应用了激光技术、CAD/CAM技术、光化学以及材料科学等诸多方面的技术与知识, 可以最快的方式获得各类产品设计的模型, 从而进行修正, 可以极大地提高生产效率、降低生产成本并缩短产品的研发周期。近年来, 该技术在教育、医疗、制造、文物保护、建筑等行业得到了快速应用, 正越来越引起人们的广泛重视。

三维打印技术根据快速成型过程中材料形式的不同可分为三类: 1) 为基于液态形式; 2) 为基于粉末形式; 3) 为基于薄片形式。本文将从原理、材料、优缺点等方面进行分析。

1 基于液态形式

基于液态形式的三维打印技术又可分为两类: 1) 为通过光照液态树脂直接进行固化方法, 具有代表性的技术为三维立体光刻技术 ( SL) ; 2) 为通过对固体材料进行熔融然后再固化的方法, 具有代表性的技术为熔融沉积成型技术 ( FDM) 。

1. 1 三维立体光刻技术 (SL)

三维立体光刻技术 ( SL) 是在传统的集成电路光学曝光光刻技术的基础上发展而来, 利用普通光束或者激光聚焦至光聚材料, 以逐线、逐面扫描的方式固化液体材料完成三维光刻快速成型。其工作原理如图1所示。首先是在计算机中对被制造的三维工件进行切片生成一层一层的2D横截面。然后通过激光束对位于容器中的液态树脂表面沿着横截面进行照射。由于光能量的作用, 树脂一类的材料得以被激发, 小分子聚合成大分子最终达到整个工件固化成型。在此结构中, 液态树脂表面下放置了一个升降台, 其在每一层固化成型的初始位置与液态树脂表面的相对距离刚好和激光被吸收的极限相同。而激光束的扫描过程则是通过一个由电流驱动且平行于x-y轴的平面镜进行偏转, 在液态树脂表面移动使其发生聚合反应最终生成一层固态图形。当模型的一层生成后, 通过控制升降台向下移动预先设置的距离, 然后在固态图形上涂上一层液态树脂并用刀片进行擦拭, 使其均匀覆盖。然后激光再在新的液态树脂表面按照计算机中图形进行照射。如此, 通过自下而上一层一层的操作, 即可生成所要设计的三维工件。当所有的分层固化成型完成后即可获得所需的工件。但该工件只有大概95% 的部分固化成功, 还需要后期紫外光照射固化处理。该方法的优点是能达到很高的精度, 且利用刀片对每层液态树脂进行擦拭, 能消除在制作具有凹陷的模型而导致树脂停留在凹陷中而不能排出的问题。但是该方法也有一定的缺点, 如所能用的材料相对较少, 仅限于感光性树脂; 并且由于使用到激光器等, 成本相当高。如今, 为了进一步提高加工精度, 三维立体光刻已延伸至单光子、双光子聚合等加工技术, 也是目前能实现最高精度的三维打印技术。而加州大学洛杉矶分校的Sun等人则提出了通过数字微镜器件 ( digital microdevice, DMD) 动态生成2D横截面图形, 然后通过投影镜头整场投射到液态树脂上来进行每一层图形的固化。很明显, 由当初的扫描方式转换到整场投射方式可获得更快的制造速度, 其原理图如图2所示[6]。

1. 2 熔融沉积成型技术 ( FDM)

熔融沉积成型技术 ( FDM) , 是使用一个喷嘴将加热的热塑性材料逐层喷涂并迅速冷却固化, 实现聚碳酸酯、聚乳酸等热塑材料的3D快速成型。如图3所示, FDM的工作原理为: 先是在计算机中对被制造的三维工件进行切片生成一层一层的2D横截面。再将聚碳酸酯、聚乳酸等热塑材料形成的细丝连接到挤压头中, 挤压头中包括了加热器、挤压气筒和喷嘴等, 其运动方式通过计算机进行控制。在运动的挤压头中, 热塑材料被加热器加热熔化至液态 ( 而且加热器的温度保持在高于热塑材料熔点0. 5℃ ) 。最后挤压头则根据所要制造物体每层2D横截面的大致轮廓进行运动。当挤压头在x-y平面移动时, 熔化的液态材料被具有高精度的气筒挤压并从喷嘴中挤出。而挤压出的材料受外部温度的影响, 在1 /10s内直接固化成型在工作台上。当工件的一层完成后, 挤压头则通过在z向移动预先设置好的距离并进行下一层的制造。而层与层之间则通过热熔性连接起来。该方法的优点是材料的可选择范围比较大, 比如具有蜡填充的塑料、所有的尼龙、熔模铸造蜡等。可以选择的颜色也有很多, 在制造过程中浪费的材料也较少。主要缺点是, 由于受到其热塑纤维厚度分辨率的影响, 其精度不是很高, 制造过程离不开一定强度的支撑结构, 且易造成后续结构坍塌以致造型失败或缺陷。

2 基于粉末形式

基于粉末形式的三维打印技术又可分为两类: 1) 为通过液态粘接剂对粉末进行粘接的方法, 具有代表性的技术为“三维打印”技术 ( 3DP) ; 2) 为通过激光对粉末材料进行熔化烧结的方法, 具有代表性的技术为选择性激光烧结成型技术 ( SLS) 。

2. 1 “三维打印”技术 ( 3DP)

“三维打印”技术 ( 3DP) 是将液态粘接剂选择性地喷涂至相应图形区域, 实现粉末材料的分层粘接、垒积, 最后通过高温加热形成3D模型。该技术基本原理如图4所示。首先仍然是在计算机中对被制造的三维工件进行切片生成一层一层的2D横截面。然后通过辊筒将材料粉末推到活塞或升降台的顶部或粉末床并进行碾平。然后根据计算机中的2D横截面进行粘接, 在该层需要固定连接的地方通过具有喷墨打印方式的液体喷嘴注入具有粘合性能的液滴进行固化, 而未粘接的粉末则用来支撑下一次铺设的粉末。如此, 则完成了一层的粉末粘接固化。当一层完成后, 活塞或升降台将下降预先设定的距离并开始新一层的粉末铺设与选择性的粘接。当整个工件完成后, 需在900℃的高温下对整个模型进行2h的加热来巩固需要固化处的粘接性能, 最后通过在水中浸泡即可移除未粘接的粉末。该技术的精度取决于注入液滴与粉末粒的大小、喷嘴的定位精度和粘合剂的扩散方式。该技术的优点是由于在整个过程中没有状态的变化, 因此在整个制造过程中将很少发生变形, 被制作的工件稳定性高。但该技术也存在缺点, 如最终生成的模型是比较易碎与多孔的, 并且由于粘合剂的扩散导致在一些孔洞部分则不能移除多余的粉末; 另一个更大的缺点是由于采用的喷头是电子扫描方式, 将可能导致在x-y方向产生阶梯效应。

2. 2 选择性激光烧结成型技术 ( SLS)

与3DP不同, 选择性激光烧结成型技术 ( SLS) 则是运用激光束代替液体粘合剂对粉末材料进行烧结, 实现逐层图形烧结并相继粘连形成3D模型。其工作原理如图5所示。先在计算机中对被制造的三维工件进行切片生成一层一层的2D横截面; 然后通过一个辊筒装置将一层薄粉末铺设到工作表面, 此处的粉末材料已经经过预热达到稍低于其熔点处。再运用大约20 ~ 50W激光束沿着粉末表面的横截面对每层需要粘接的部分一一进行扫描加热烧结, 而对于不需要粘接的部分, 激光束则不进行扫描。为了减少最终模型的失真, 其粉末依然留在原处以支撑下一层铺设的粉末。当一层横截面烧结完成后, 滚筒将铺设下一层粉末并进行新一轮的烧结固定。当整个模型烧结完成后, 可通过与3DP相同的方式移除并回收未烧结的粉末。该方法的精度主要取决于粉末粒的大小。其优点是不需要支撑结构, 生成的工件稳定性高, 可用的材料有很多 ( 几乎任何可被粉碎的材料比如尼龙及其复合材料、砂、蜡、金属和聚碳酸酯都可以使用) 。这些材料都是无毒安全并且有些材料可选择功率相对低的激光器。然而, 缺点是有些材料需要一个很长的冷却周期才能从机器上移除, 并且不同材料需要不同的加热方式、激光参数与设置, 随之而来的是操作的困难与时间的耗费。

F. Klocke等人则提出了一种新的结构, 即通过一个喷嘴进行粉末的输送同时通过激光束进行烧结。其中, 喷嘴可以位于被造工件的一边或与激光束同轴。这样可以减少无须烧结粉末的浪费与最终移除这些粉末所浪费的时间[7], 但具体应用未见报道。

3 基于薄片形式

基于薄片形式是先将材料做成薄片, 然后通过机械或光照的方式对薄片进行切割以获得所需制造的, 具有代表性的技术为分层实体制造技术 ( LOM) 。LOM技术是通过激光束, 将涂有粘合剂并加热好的金属、塑料等材料薄层直接切割成型, 并逐层粘接形成物体模型, 其基本原理如图6所示。在计算机中对被制造的三维工件进行切片生成一层一层的2D横截面; 通过供应轴与接收轴对预先加工好薄片材料进行输送; 再对薄片的一面涂上粘合剂并进行加热; 然后通过加热器将覆盖的材料与先生成的层压薄片粘合起来, 最后通过上方的激光按照设计中分层横截面的轮廓对粘合后的薄片进行切割获得所需要的形状。而每个薄片上剩余的材料可以通过真空吸收进行移除, 也可以直接保留下来作为下一层薄片的支撑。同时, 由于带有材料的薄片相对于切割区域更宽, 因此, 当按照横截面切割完成后, 剩余的完整的薄片材料可通过滚轴移动到下一层使用。一旦模型完成之后, 需要硅和环氧树脂等对其进行密封, 以防止吸收到水之后发生变形。该技术的优点是可制作较大尺寸的模型; 选可用的材料较多, 理论上任何具有薄片性质的材料都可以应用, 比如纸、金属、塑料、纤维及复合物等; 而且由于是通过固态材料进行模型的制作, 不需要预先设计支撑结构; 该技术采用了轮廓切割的方法代替固化的方法, 其制作速度相对来说也变得较快, 大约能达到其他工艺的5 ~ 10倍。该技术的缺点是精度相对较低; 当模型完成后, 通过撬动使得模型移开工作台会反过来影响模型的表面; 同时该技术也难以制作带有孔洞与凹角的模型等。

目前, 产业化的三维打印机基本是由国外公司生产, 在该行业的两大巨头分别为美国的3D System公司和Stratasys公司。而国内的三维打印技术及其设备仅处于起步阶段, 仅有清华大学[8]、华中科学技术大学[9]、西安交通大学[10]等少数科研单位具备不同程度的技术研发实力, 自主品牌的三维打印生产企业很少, 国内市场的三维打印设备多源自国外, 但售价相当高。自主品牌目前市场占有率低, 主要是基于激光选择性激光烧结成型与熔融沉积成型技术, 在精度、速度及价格 ( 贵则几百万, 少至几十万) 方面均离大规模产业应用较远, 同时还面临着国外技术封锁与出口限制等。

4 结语

基于液体形式的三维打印技术由于液体可以生成任何形状, 可用于制作各种概念性的工件或模型, 特别是三维立体光刻技术高精度的特点使得其在微米 /纳米制造方面具有非常特殊的研究意义, 唯一需要解决的问题是寻找更多可用的材料与降低成本。基于粉末形式的三维打印技术因其在制作过程中未发生状态变化, 可广泛应用于对结构要求比较高部件的制造。基于薄片形式的三维打印技术与传统工业切削方法大致相同, 考虑到其速度快且材料广泛的特点, 可用于制造对精度要求不高且需要批量生产的大型工件制造。

摘要：从材料形式与原理两方面对几种主流的3D打印技术进行了详细的对比与分析。研究表明:基于液态形式的三维立体光刻技术具有最高的精度, 但可用材料较少且成本较高;基于粉末形式的3D打印技术可用于对结构稳定性要求高的工件制作;而基于薄片形式的分层实体制造技术可用于对精度要求不高的批量制造。

关键词：三维打印,快速成型,立体光刻,熔融沉积成型,选择性激光烧结成型,分层实体制造

参考文献

[1]贾吉林, 张昌明.基于RP的快速模具制造技术的应用研究[J], 机械设计与制造, 2009 (9) :235-236.

[2]CRDeckard and JJ Beaman.Recent advances in selective laser sintering[C].Fourteenth Conference on Production Research and Technology, 1987:447-452.

[3]Charle Hull, Apparatus for production of three-dimensional objects by stereo lithography.US, 4575330[P].1986-3-11.

[4]Stratasys Inc.Fused deposition modeling for fast, safe plastic models[C].12t Annual Conference on Computer Graphics, 1991:326-332.

[5]E.Sachs, M.Cima and J.Cornie.Three-Dimensional Printing:Rapid Tooling and Prototypes Directly from a CAD Model[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1990, 39 (1) :201-204.

[6]C.Sun, N.Fang, D.M.Wu, X.Zhang.Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask[J].Sensors and Actuators A, 2005, 121:113-120.

[7]F.Klocke, T.Celiker, Y.-A.Song.Rapid metal tooling[J].Rapid Prototyping Journal 1995, 1 (3) :32-42.

[8]张人佶, 颜永年, 林峰, 等.低温快速成形与绿色制造[J].制造技术与机床, 2001 (4) :71-74.

[9]韩明, 肖跃加, 马黎, 等.薄材叠层快速成型HRP系统[J].计算机技术与应用, 1994 (2) :51-54.

[10]李彦生, 李涤尘, 卢秉恒.光固化快速成型技术及其应用[J].应用光学, 2008, 20 (3) :34-36.

三维打印技术 篇2

本报讯 一般来说，工业制造往往要经过设计、开模等步骤。这一过程不仅耗费成本，而且需要比较长的等待时间。

作为专注于三维打印系统和材料领域的厂商，Objet Geometries公司提供的三维打印解决方案不仅减少了工厂和企业设计人员的设计开发成本，而且缩短了新产品问世的时间。Objet三维打印系统材料所拥有的超薄的层厚度以及高分辨率，主要得益于其PolyJet聚合物喷射专利技术。通过这一技术，三维打印系统材料的层厚最薄可以达到16微米。

LG投影机发布新品计划

本报讯 2月16日，LG携手神州数码，在京公布了其投影机产品线2012年新品计划，以及未来投影机行业发展的主流趋势。LG宣布，2012年将继续加大对中国这一全球最重要市场的投入力度，研发的投影机新品将陆续在第一时间内与中国消费者见面。

在此次活动中，LG在现场展示了已经投放中国市场的3D及微型投影机等多款核心产品。此外，LG还在现场展示了其未来将投放市场的小体积、超短焦产品，以及以激光、LED技术为基础的混合新光源等概念产品。

Radware 树立企业级应用交付市场新标准

本报讯 Radware日前发布了Alteon 5224应用交付控制器，向企业级用户提供了10Gb以太网端口接入和ADC虚拟化功能。

Radware Alteon 5224是一款先进的ADC平台，专门用来满足中小企业日常关键应用的负载均衡和应用加速需求。凭借独具创新的按需扩展平台，Alteon 5224最高可以支持24个虚拟ADC实例，提供1Gb〜16Gb的可扩展吞吐量以及内置的10Gb以太网端口。凭借领先的特性，Alteon 5224不仅能够应对负载均衡的挑战，同时还能满足高级应用交付服务的

三维打印技术的应用与启示 篇3

为此, 江苏省南京市教育装备与勤工俭学办公室主任后有为带队去山东省济南市历城区观摩三维打印技术培训, 参观学校创新实验室, 从而了解山东在创新实验室建设方面的一些做法, 以及在创新大赛上获得佳绩和向高校输送人才的经验。

一、社会为什么需要创新设计和技术应用

《中国玩具制造业利润研究报告》显示:以玩具加工业为例, 一个芭比娃娃在美国市场上的平均价格为9.9美元, 而制作这个芭比娃娃的中国企业只能拿到0.35美元加工费。中国企业所依赖的是相对低廉的劳动力和原材料成本, 对外的竞争力也只是低成本带来的价格优势, 所以只能依靠大批量生产, 以薄利多销来赚取不多的加工费。我国很多行业产品生产的关键技术大部分来自进口, 其中:工程机械高技术产品80%;数控机床70%;石油化工装备76%;集成电路芯片制造设备80%;光纤制造装备100%;通讯、半导体、生物、医药和计算机行业60%~90%;彩电、手机和微机的CPU都是掌握在别人手里[1]。

历史上, 中国是人类创新和技术进步的摇篮, 世界著名科技史学家李约瑟博士曾经列举了中国传入西方的26项技术, 世界科技史上的前27项重要发明中18项来自中国。我国古代科技发明灿若星辰, 对世界科技发展做出了巨大贡献。美国学者坦普尔在《中国: 发明与发现的国度》一书中详细描述了“中国领先于世界”“西方受惠于中国”的中国古代100项技术发明。以史为鉴, 古为今用, 技术进步源于创新, 创新设计源于服务现实, 创造未来。大项目是创意, 小改进也是创意, 高科技是创意, 简约明快也是创意。功能原理是创意, 美化外观也是创意。灵感来源于生活, 创意让世界更美好。

二、创新设计在初高中技术教学中的应用

我国“十二五”规划提出要深入实施科教兴国战略和人才强国战略, 加快建设创新型国家, 需要创新型人才, 创新型人才培养, 教育是基础和前提。李克强同志强调:“要注重从青少年入手培养创新意识和实践能力, 积极改革教育体制和改进教学方法。”2011年, 奥巴马总统推出的新版《美国创新战略》指出, 美国未来的经济增长和国际竞争力取决于其创新能力。“创新教育运动”指引着公共和私营部门联合, 以加强创新技术教育。

南京市教育装备与勤工俭学办公室主任后有为到济南市历城区参观三维打印技术创新实验室

三维打印技术是专家预测的2013年十大技术革命之一, 在打印过程中, 打印机将根据计算机设计的模型从底部开始逐层堆积塑料、金属、合金等材料。凭借三维打印技术可以依据数字设计文件制造出固体结构, 一旦物品能够在家或办公室远程打印出来, 新技术将引发一场制造业革命[2]。三维打印技术在初高中技术教学中的应用, 将对培养创新型人才产生重要作用。

1.提高教学效率, 发展学生的创新思维

三维设计软件、结构设计软件在三视图学习中针对学生学习时间少、没有基础等问题提供全新的教学手段, 辅助三视图及其画法教学, 快速识读技术图。学生进行创新设计时, 设计软件提供简单易学的设计手段及完整的设计资源库。直观的三维模型系统教学手段, 让设计像搭积木一样简单有趣, 对立体模型进行平行移动、旋转、放大、多视窗等操作[3]。

2.降低学习坡度, 突破教学难点

从三维设计到二维出图, 学生在三维设计软件里轻松完成, 快速工程图的生成能使学生做到设计与动手能力的完美结合, 促进教育教学改革与学生学习方式的变革, 是促进师生共同成长的研究与实践过程。

3.动手动脑结合, 强调学生的动手创造

三维打印是一种快速成型技术, 它以数字模型文件为基础, 通过逐层打印的方式来构造物体, 让动手与动脑相结合, 让信息技术与通用技术相结合, 让三维设计与二维设计相结合, 让学生的设计和加工相结合。通过三维动画可以让学生更好地理解弹性碰撞, 让机械机构运动的分析更加直观清晰。

三、创新设计帮助学生放飞创新的翅膀

创新设计软件平台在教育信息化中的精确定位是和探究实验室、通用技术实验室、综合实践实验室、信息技术实验室、动漫社相结合。创新软件系列产品及三维打印机将掀起一场教育创新运动。通过创新软 件的运用, 让我们的孩子和美国的孩子同步学习和发展, 学有度、思无界、行无疆, 创新设计软件平台及三维打印技术在教育中的促进作用有三:

一是可以引导中学生在生活中发现问题, 去主动思考如何解决问题, 而不是简单地去抱怨问题, 培养学生的人文精神和社会责任感。

案例1:旋转窗

创意来源: 在高层楼房擦玻璃是很危险的, 有没有既安全又方便的擦窗户方案?窗户有调节风、光的作用, 如何利用窗户来改善室内的空气循环和光线照明?

设计原理:百叶窗的结构有可调节性, 此类窗户也可以使用类似的结构, 即将每扇窗分成若干扇小窗, 每扇小窗可以绕轴旋转。这样可以实现调节风和光的作用, 并且在雨天也可以开窗。尤其是高层楼房窗户玻璃的擦洗变得十分简便了。

二是可以帮助中学生固化自己生活的直接经验和亲身经历中的“小灵感”, 并通过自己的设计—制作—评价, 达到“创造”的教学效果。

案例2:可升降课桌椅

创意来源:学校普遍存在着课桌椅不符合学生身材的现象, 总会让人觉得或高或低, 影响学生的身体健康, 于是便想到去设计一种可以升降且更具实用性的课桌椅。

设计原理:把思路定格在齿轮的传动上。在桌腿内部各安装两个齿轮和两条齿条, 中间有一根传动轴连动, 再在其中一个桌腿的一侧开孔, 利用一个把手转动齿轮, 这样便能使桌面水平升降。

三是可以让中学生高度综合各学科、各方面的知识, 并立足于实践, 实现“做中学”和“学中做”。

案例3:自动上下楼梯的自助轮椅车

创意来源:家里有残疾人, 上下楼梯不方便, 有没有可以帮助残疾人自动上下楼梯的自助轮椅车呢?

设计原理:市面上有自动上下台阶的拖车, 主要是依靠行星轮系的工作原理。如果把这个原理应用到轮椅上, 不就是可以帮助残疾人自动上下楼梯的自助轮椅车吗?

案例4:物理学科中的成像原理

创意来源:来源于初中物理实验凸透镜成像实验。这个实验十分重要, 但许多学生只知道概念而不清楚其中的原理与演示的过程。创意的意义在于把生活中的现象用自己的方式表现出来。

设计原理:运用新颖的视觉与动画, 让大家耳目一新, 将传统的枯燥教学转换为全新的模式, 从而调动起大家的学习兴趣和热情。

四、创新设计大赛为学生提供创新实践的平台

为了丰富中小学生学习生活, 激发创新精神, 培养实践能力, 全面推进素质教育, 培养有国际竞争力的创新人才, 2013年第十四届全国中小学电脑制作活动和第二届中国国际学生信息科技创意大赛专门设立了比赛项目 (9) 创新未来设计[4]。参赛者参考生活中的常见事物, 通过计算机三维立体设计平台创作设计作品。要求首先完成设计说明书, 根据设计说明书, 通过软件进行三维模型的设计、搭建和零件装配, 并制作相关功能演示动画。

作品设计的事物尺寸不超过150 mm×200 mm×200 mm, 薄厚不小于2 mm。

初中组设计命题为“未来桥梁”, 在保证桥结构稳定的前提下, 从功能、外观等方面进行创意设计。桥所应用的情境不做约束, 可充分结合自己设定的场景进行设计。

高中组设计命题为“智慧汽车”, 从外形、功能等方面加以创意设计。车辆的动力源和工作环境不做约束。

提交文件包括:设计作品, ICS或EXB文件;演示动画, SWF, 3GP, MPG, AVI或MOV文件;设计说明书。

作品 (含设计作品、演示动画、设计说明书) 总大小不超过50 MB。

评比指标包括:

1.思想性、科学性、规范性 (28分) (见表1)

2.创新性 (27分) (见表2)

3.艺术性 (25分) (见表3)

4.技术性 (20分) (见表4)

五、我们的思考

从山东省的创新办学标准来看, 他们已经在如下方面做了尝试:创新设计软件和探究实验室相结合 (初、高中) , 和通用技术实验室相结合 (高中) , 和技术教室相结合 (初中) , 和综合实践实验室相结合 (小学) , 和信息技术实验室相结合 (通用) , 和动漫室相结合 (通用) 。

南京市教育装备与勤工俭学办公室主任后有为说过:我们不一味追求最新的、豪华的、最先进的设备设施, 而是选择科学的、实用的、适用的和优质的设备设施。这对于建设创新实验室提供了很好的思路, 选择科学的、适用的、适度领先的物质技术及其承载信息, 并通过恰当的、优化的、科学的形式整合成能促进教育与学校发展的, 能促进教育教学改革与学生学习方式变革的, 能促进师生共同成长的研究与实践过程。

南京市教育装备与勤工俭学办公室技术科 组织相关人员调研三维打印应用

参考文献

[1]张武城.创造创新方略[M].北京:机械工业出版社, 2011.

[2]维克托·巴雷拉.专家预测2013年十大技术革命包括三维打印技术[EB/OL].http://www.china.com.cn/international/txt/2013-02/23/content_28040400.htm.

[3]沈俊.创新设计在通用技术中的教学和实践[Z].2012-08-20.

三维打印，成就工业发展之梦 篇4

2016年是“十三五规划”的开局之年，更是中国制造2025战略规划全面启动之年，中央和各级地方政府纷纷启动了支持计划。其中，《北京技术创新行动计划》强调在其组织实施的重大专项中，重点组织实施数字化增材制造创新及产业培育计划。

北京市计算中心（以下简称“计算中心”）在3D打印技术研究和社会化服务方面起步较早、发展较快，拥有国际领先的高精度喷墨型3D打印机和工业级低成本熔融挤压成型3D打印机，最近一两年开始对企业提供高精度、低成本的3D打印解决方案和服务。2016年，计算中心主动配合北京市相关项目规划，开展贯穿全年的“3D打印梦想——2016年3D打印科普行动计划”，旨在推动3D打印技术的深入应用，培养更多应用型人才。为此，本刊记者专程走访了北京市计算中心常务副主任刘彤博士。

智能制造：北京市计算中心作为国内成立最早的计算中心之一，是我国很有影响力的计算机应用服务专业机构，曾经为国内，尤其是在北京地区的计算机技术普及、应用和发展做出了重要贡献，请您介绍一下计算中心的大概情况，主要产品和服务都有哪些？

刘彤：北京市计算中心成立于1973年，是经北京市计划委员会、北京市科教组织批复成立的一所科研服务型事业单位。1984年，北京市成立了北京市科学技术研究院，北京市计算中心划归市科研院管理。2000年，计算中心转制为全民所有制企业，致力于应用计算技术研究和服务。2009年起，计算中心的业务向高性能计算和云计算领域发展。2010年，计算中心开始创建“工业云”服务平台。2011年，经北京市经信委认定，工业云成为北京市“祥云计划”十大重点示范工程项目之一。工业云是面向工业企业，尤其是为制造型中小企业提供产品创新的公共服务平台。它是通过互联网向广大用户提供的一种新型IT服务，涵盖了工业产品计算机辅助研发所需要的各种工具软件。该工业云平台聚集内、外部专家资源，向企业提供工业设计、仿真、数字建模、渲染、培训等线下和在线的延伸服务。2010年到现在，计算中心在全国范围内开展工业云的应用，并将工业云的理念和架构包括它的整体技术体系进行推广。

计算中心的业务领域主要有三个方面，第一个是工业云计算；第二个是面向科研服务的高性能计算；第三个是面向各种服务展开云服务模式的研究和大数据的研究。我们在这三个研究领域之上演化出了智慧工业、智慧健康、智慧文博、智慧互联和智慧学习。目前，在智慧工业和智慧健康领域，我们的服务是能力最强的；在智慧文博领域，我们的服务是最有特色的；在智慧互联、智慧学习领域，我们的服务也在积极地拓展中。

智能制造：在“十三五规划”中智能制造是重头戏，要实现智能制造，工业大数据的分析计算必不可少，请问计算中心在工业云平台和高性能计算方面的工作有哪些？目前有哪些项目取得了较好的成果？

刘彤：计算中心是较早进入智能制造领域的IT技术公司，建成具有代表性的工业云平台，并以云平台为基础，开发了许多细分领域的云服务产品，包括工业仿真设计、数字化验证、3D打印，针对工业领域应用的物联网技术，以及针对物联网收集的数据进行分析加工的相关工作，形成了一定的产品优势。在智能制造行业中，我们不断针对行业应用和社会需求来进行相关关键技术的研发与市场培养。目前我们的“赢在云端”系列产品主要是为中小型企业信息化以及快速提供信息化基础设施的服务（包括主机服务、基础性办公软件和库存管理软件等运行软件的在线服务以及在线提供的设计软件）。另外，在细分领域层面，我们有这样一条“云链”，在不同领域内针对行业的个性化需求，提供包括案例、知识库等资源性服务，可对不同阶段使用的软件进行二次开发，并将这些软件打通。这样通过“云链”汇集资源的使用者和资源的提供者，实现软件资源层面的对接。

智能制造：3D打印技术近几年倍受关注，“北京技术创新行动计划”明确强调北京市组织实施的重大专项中需要开展数字化制造技术创新及产业培育，重点组织实施数字化增材制造（3D打印）创新及产业培育等任务。很多地方对3D打印产业有浓厚的兴趣和很高的积极性，请您介绍下计算中心在3D打印技术和服务方面的优势。

刘彤：计算中心在3D打印领域的优势，首先是客户资源，工业云服务平台运行以来，我们收集和联系到很多不同行业的客户，了解到不同行业、不同体量和不同时期的企业用户以及创业创新组织对3D打印的认识程度和个性化需求，掌握了大量的客户资料。另一方面，3D打印能够缩短产品研发设计周期，能为客户提供开模、验证等“产品实现”方面的帮助。所以我们一直坚持积极地推进这一先进技术，同时为了推动落实”北京技术创新行动计划”，不断拓展3D打印技术的应用领域，从工业领域扩展到消费电子领域，继而在医疗领域也有较大的应用，如用于手术方案的制定、医患交流和特殊案例教学等。应该这样讲，我们是从工业领域开始，但不会止步于此，还会将3D打印技术应用到更多的惠及民生的、与生活息息相关的领域。为此，我们将不断加大推进力度，来实现这一目标。

智能制造：我国当前正处于改革的攻坚期，机遇与挑战并存，国家提出“中国制造2025”战略计划，其中着重强调了增材制造（3D打印）的重要性，然而目前3D打印产业最大的瓶颈是是人才的短缺，而且普通大众对3D打印产业和服务的了解也不够深入，请您介绍一下此次3D打印科普计划行动主要目的？对我国3D打印技术的普及与发展有何积极意义？

刘彤：目前3D打印技术在我国要想取得快速或者突破性的发展，需要解决两个制约性问题，第一个就是人才紧缺，第二个就是普通大众以及制造型企业对这项技术与自己的关系认识得不很充分。我们组织科普活动的目的就是为了解决这两个方面的问题。第一，通过3D打印科普计划行动吸引和培养这方面的人才；第二，通过科普品牌的建设，使得更多的普通大众和企业关注这项技术，并通过这次科普活动能够找到和自身相关的部分。对于老百姓而言，他可能首先对3D打印的医疗服务，如打印假牙，或者打印艺术品感兴趣，同时通过科学原理的宣讲使大家了解这项技术其实并不难以掌握，而且很多的创意想法可以通过这项技术得以实现。对于企业来说，可以深层次地了解这项技术，并惊喜地发现其对工艺技术的改进和工作方法的提升效果巨大。

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智能制造：此次科普行动中重要的一个环节是高校巡讲，让大学生亲身体验3D打印技术的魅力，请问刘主任，我们有没有类似创意竞赛或者技能指导的后续活动，使大学生能更进一步地了解3D打印产业？

刘彤：首先，计算中心作为北京市科委认定的北京市级科普基地，一贯按照科委的要求，坚持“走出去，请进来”的方式举办相关活动。高校巡展实际上就是“走出去”活动的一部分，另外我们也举行了很多“请进来”活动，邀请用户、社会团体和青年学子走进计算中心，体验3D打印以及其他信息技术服务，这次科普活动我们也会继续采取这样的方式，同时，在跟用户以及学员的沟通过程中，了解大家对这项技术或者课程培训体系的需要，然后不断地完善课程内容、下一步将合作的外部资源，包括专家、行业典型案例等。您刚才提出的想法很好，我们后期也会联系一些大型科技园和创客比较集中的区域，比如创客空间等等，举行一些比较有针对性的活动。科普活动的主要目的是让大家学以致用，让做出来的东西跟潜在用户有一定紧密的联系，潜在用户可能是企业或者艺术品设计人员等。所以，我们会逐渐地丰富完善活动内容，让大家在学以致用方面获得更好的体验。

智能制造：未来中小企业的发展将对影响中国制造业产生深刻的影响，目前对3D打印技术有需求的中小企业对产业发展动向非常关心，我们计算中心能给这些中小型企业提供哪些产品和服务以满足其需求？

刘彤：计算中心的定位就是为中小型企业服务，我们能够提供的服务方式和内容除了上面提到的3D打印以外，还围绕云平台本身的服务内容和服务能力来展开，我们将其命名为“产品实现的创新服务”。不论是中小型企业还是创客，只要有产品设计或者改进的想法，就可以把作品放到我们平台上来，利用平台上提供的软件工具、软件创新资源、数据库、案例库、创新方法和背景知识等等。同时计算中心拥有很多研发设计人员，对于客户idea的形成会给予专业的指导，当最后产品设计完成以后通过3D打印或数字化验证实验室对设计方案进一步的验证、成型，所以从产品实现全流程的角度来看，提供平台、工具、专业指导和产品验证就是我们为中小型企业和创客群体提供的产品和服务。

智能制造：请介绍一下北京市计算中心未来的发展规划，如何使更多人享受到云平台、高性能计算给生活带来的方便？

刘彤：云平台的建立，就是为了缩短资源供应者和使用者之间的距离，我们通过整个平台把大家好的创意、好的资源和好的工具（包括现有大型商业软件甚至用户自己编写的软件、算法）在最大范围内发挥作用。这就是我们计算中心作为平台型企业的出发点和我们在“十三五”期间的努力方向，同时，我们通过云平台不断地开发各种大型应用，主要的目的就是使更多人能享受到信息技术所带来的便利，然后开展更多数据服务，收集和分析数据并从中提炼出相应的价值。举例来说，3D打印技术本身就会产生很多过程数据，比如模型的文件等，排除了商业价值因素，其本身也是一种非常有价值的信息，我们把这些模型的数据放到平台上，大家稍微改进后加上自己的创意就可以形成其他产品。在“十三五”期间，我们将不断地构建平台，不断开发平台新的应用功能，不断地布局新的资源格局，使大家在可借鉴的基础上，加快产品研发和创新速度，并保证和提高产品质量。

【采访手记】

采访中，除了计算中心常务副主任的行政管理身份，记者更多地看到了刘彤博士身上技术派和行动派的范儿。在过去几年，北京市计算中心的工业云服务和高性能计算服务产生了巨大的经济效益和社会效益，这种效益体现在对开放网络平台内各种资源的高效利用，以及大幅度降低业务成本等多个方面。2016年启动的3D打印科普活动无疑将是计算中心平台服务发挥更大作用的契机，势必会增强3D打印技术的社会影响力。其实“3D打印梦想”——不仅是北京市计算中心这次科普行动的口号，也是我们对于3D打印技术将给我国制造业，乃至普通人的生活带来精彩变化的美好期许。

三维打印技术应用现状及前景展望 篇5

一、三维打印技术分类及优势

目前比较典型的三维打印快速成形技术主要分为三种:粉末粘结三维打印、光固化材料三维打印与熔融材料三维打印。

1、粉末粘接三维打印

粉末粘结三维打印是目前应用最为广泛的三维打印技术。其工艺过程如下:首先, 在工作平台上均匀铺洒单位厚度的粉末材料;其次, 依据实体模型离散层面的数字信息将粘结剂喷射到粉末材料上, 使粉末材料粘结, 形成单位实体截面层;再次, 将工作台下降一个单位层厚;最后, 重复第一步至第三步, 逐层堆砌, 形成三维产品。粘接三维打印技术的优点一是成型速度快, 二是由于粉末本身可以作为支撑, 因此不需要加入额外的支撑结构。其存在的缺点是, 通过粉末粘连成形的零件精度和强度偏低, 一般需要后续工艺提高其强度, 但后续处理工艺会导致零件体积收缩, 变形严重。目前ZCorp公司的粉末粘结三维打印机占据市场主导地位。

2、光固化三维打印

光固化三维打印又称光敏三维打印, 该技术使用液态光敏树脂作为原料制作零件模型, 然后利用紫外光对其进行固化。其工艺过程如下:首先, 根据离散的虚拟实体截面数据, 喷射形成单位厚度的实体材料与支撑材料截面;其次, 使用紫外光照射使截面固化;再次, 不断重复上述过程, 直至完成零件实体与支撑实体;最后, 通过后续处理清理支撑实体, 得到零件。光固化三维打印结合了光固化成形与喷射成形的优点, 提高了零件的精度并降低了生产成本。目前, 光敏三维打印机市场由美国的3Dsystem公司与以色列的Objet公司垄断。

3、熔融材料三维打印

熔融材料三维打印成形原理和工艺过程与光固化三维打印成形的原理和工艺过程类似, 但熔融材料三维打印技术是通过直接喷射熔融态的热塑性塑料打印成形的, 省略了紫外光照射固化工序。虽然简化了工艺, 但熔融材料三维打印对成形设备与喷头性能的要求更为苛刻, 而且目前可供其选择的支撑材料极其有限, 从而制约了这种工艺技术的市场扩张。

三维打印技术是快速成形技术中的一种, 除三维打印外, 目前技术成熟、应用比较广泛的商业化快速成形工艺还包括光固化/立体光刻成形 (SLA) 、选择性激光烧结成形 (SLS) 、堆叠实体制造 (LOM) 、熔融堆积成形 (FDM) 等。SLA、SLS、LOM快速成形技术需要配备价格昂贵的激光系统, 与之相比三维打印快速成形设备具有价格相对便宜、运行成本低、易于维护的优势。FDM技术成形材料单一, 成形温度区间短, 与之相比三维快速成形技术具有成形材料种类多、成形温度区间长的优势。此外, 三维快速成形技术实现过程简单, 基本无生产污染, 适合大规模推广应用。因此, 三维打印技术被认为是最具生命力的快速成形技术, 发展潜力巨大, 应用前景广阔。

二、三维打印材料与设备

打印材料的适用范围决定了三维打印技术的应用广度, 成形设备的打印精度、打印速度等性能决定了三维打印技术的应用深度, 设备与材料的相容性则决定了三维打印技术的应用边界。不同的材料物理化学性质不同, 对应的预处理过程、打印过程、工艺参数也有所差别。因此, 不同属性的材料必须配备相应的打印机, 即设备与打印材料是绑定的。

目前, 3D打印机设备主要提供商有ZCorporation、Objet、Stratasys、3Dsystems等, Stratasys公司与3D Systems公司是3D打印设备两大巨头。Stratasys公司近期收购了以色列的Objet公司;3D Systems公司2012年初完成了对Z Corporation的收购。为表述方便, 仍采用未收购前的公司及产品名称。ZCorporation公司自1995年开始研发粉末粘结成形三维打印快速成形设备, 目前公司已成功开发出具有成形速度快、成形色彩范围广和成形尺寸大等特点的多个系列的三维打印快速成形机, 成形材料包括容易获取的石膏、橡胶、淀粉、石蜡和铸造砂等。Objet公司成立于1998年, 公司致力于开发光固化三维打印快速成形设备及相关的成形材料。2007年, Objet公司推出的Eden系列产品获得市场广泛认可。目前, Objet公司已经成功开放出具有不同性能的多种光敏树脂打印材料。Stratasys公司成立于1989年, 公司致力于研发熔融材料三维打印设备与材料, 在全球市场份额较大, 公司近期推出了采用多种颜色的ABS成形材料和水溶性支撑材料的Dimension1200es系列高端打印机。3Dsystems公司1999年推出了首台以石蜡为成型材料的热喷式三维打印快速成形机, 这种打印机的成本和材料均较为低廉。此后, 3Dsystems公司又研发了成型精度高的以热塑性塑料为成型料的热喷式三维打印快速成形机和以光敏树脂为成型料的三维打印快速成形机。除了生产销售专业打印机外, ZCorpration、Objet、Statasys、3Dsystem等公司也积极研究开发低价位、小型桌面化的快速成形设备, 促使桌面三维打印设备市场进入快速成长期。

三、三维打印的应用

随着三维打印快速成形设备功能的不断改进与打印材料的不断开发, 三维打印的应用范围将逐渐拓展。尤其在机械加工、医学工程、家庭消费等领域应用空间巨大。

1、机械加工领域

三维打印快速成形技术可以用于快速制模与快速制造。ZCorporation公司生产的粉末粘结三维打印快速成形机能够快速地制造出可直接浇铸低熔点金属的铸造模。三维打印快速成形技术可以直接将陶瓷粉和金属粉粘结成形, 然后通过烧结固化、渗入低熔点金属等工艺获得陶瓷或金属零件, 也可以直接喷射熔融的陶瓷悬浮液或金属液进行打印, 再经过简单的辅助处理得到陶瓷或金属制件。

由于受到打印材料、打印尺寸的约束以及设备精度低导致的成品性能降低, 目前三维打印的金属制件大多局限于部分低端制造业领域, 但随着打印机价格的下降及设备精度的提高, 三维打印在机械加工领域的应用范围将不断拓展。三维打印机的应用将降低零部件生产的技术门槛, 同时减少零部件生产对劳动力的依赖。未来, 伴随三维打印的普及, 那些依靠廉价劳动力获得生存空间的低端制造企业的比较优势将会逐渐消失, 而无一技之长的劳动力也将面临更加严峻的就业压力。

2、医药工程领域

运用三维打印技术可以快速精确地制造人体的器官模型。借助器官模型, 医生可以对患者进行病情诊断。同时人体器官模型可以帮助医生充分进行术前讨论, 以寻求最佳的手术治疗方案, 从而能有效缩短手术时间, 降低手术风险。由于医用模型的应用易于推广, 该市场在发达国家正迅速扩张。除了医用模型, 利用三维打印还可以制造出高效药品。由于药品的尺寸形状相似度高, 且成形工艺过程易于移植, 应用前景广阔。美国科学家已成功利用三维打印快速成型技术制造出可供口服的可控释放药片。三维打印也可制造出人工骨骼, 将可降解的工程材料作为打印材料, 利用三维打印设备制作成携带活性因子且疏松多孔的人工骨骼, 当人工骨骼植入生命体后, 经过一段时间的降解、钙化, 可被生命体完全吸收并形成新骨, 其有效性已经在动物实验中得到了验证。

3、家庭消费领域

早期的三维打印机主要面向工程与医药领域, 且价格昂贵、功能单一、体型硕大, 严重制约了其在家庭消费领域的应用。但随着面向家庭与个人应用的桌面三维打印机的问世, 三维打印家庭消费市场逐渐升温。随着面向家庭应用的三维打印机的的价格不断降低, 功能日益多样化, 三维打印机在家庭消费领域的应用将迅速扩大。以食品领域为例, 2011年, 康奈尔大学的创新机器实验室研发出一台三维食物打印机, 用它可以制作出巧克力、棉花糖甚至蛋糕。2012年, 宾夕法尼亚大学的科学家使用三维打印机技术在实验室打印出了人造肉, 鲜肉组织可在糖类物质构成的框架上生长, 口感与真肉十分相近。虽然三维打印食品仍处于实验阶段, 但是近期研究成果显示其在食品领域具有广阔的应用前景。

四、三维打印的前景展望

1、材料多元化

制约三维打印快速成形技术应用推广的主要因素是成形材料的特殊性与成形设备的适用性。目前可用于商业化三维打印快速成形的材料主要包括高分子材料、无机非金属和金属材料。虽然高分子材料在商业化三维打印机已经得到广泛应用, 但其他材料的应用仍处于探索阶段。有限的可选择的打印材料限制了三维打印技术的推广。而随着技术的进步, 可利用材料的种类越来越丰富, 未来将出现更多具有良好综合性能的成形材料, 为三维打印技术的推广提供了良好的支撑。

2、产品应用领域扩大, 性能提高

随着可供选择的打印材料的不断扩充, 三维打印机能够打印出来的实体将不断增加, 应用领域将不断扩大。更为重要的是, 随着新工艺的开发和设备的改进, 产品的尺寸精度与性能将进一步提高, 对低端制造业的冲击将逐渐显现。

3、专业打印机与个人打印机并行发展

在商业领域, 拓展三维打印设备的体积以容纳更多零部件是拓展市场的前提。而个人应用领域, 面对消费者个性化的需求, 将会出现外形更为小巧, 更加经济实用, 适合办公室工作环境的机型。

虽然目前三维打印技术制造的商品在整个全球制造业中所占的比重微不足道, 三维打印技术的应用受到各种制约, 比如材料限于特定的塑料、树脂和金属, 精度只能达到微米级, 但是随着研究的深入与技术的进步, 打印材料将会更加多样性, 设备功能将会更加完善, 三维打印的应用领域将不断扩大, 并对传统生产方式产生深远影响。

摘要：本文首先简要介绍了三维打印技术的原理及其分类, 然后描述了三维打印技术商业发展状况, 之后分别从机械加工领域、医药领域、家庭消费领域分析三维打印技术的应用前景, 最后总结三维打印技术的发展趋势。

关键词：三维打印,应用前景,发展趋势

参考文献

[1]刘厚才、莫健华、刘海涛:三维打印快速成形技术及其应用[J].机械科学与技术, 2008 (9) .

[2]刘海涛、莫健华、黄冰:一种用于三维打印系统的光敏预聚物的合成[J].高分子材料科学与工程, 2008, 24 (12) .

[3]伍咏晖、李爱平、张曙:三维打印成形技术新进展[J].机械制造, 2005 (12) .

[4]张丰收、高乐、崔凤奎:基于CT的骨骼三维打印技术的发展现状与趋势[J].现代制造工程, 2011 (7) .

三维打印技术 篇6

2013年5月29日至5月31日, “2013世界3D打印技术产业大会”在北京举行, 来自美国、英国、德国、法国、比利时、以色列、新加坡、中国、香港、台湾等国家和地区的近600位嘉宾及60多家中外媒体参加了会议。

本次大会的主题是:“科技创新推动生产方式变革”, 大会围绕3D打印在文化创意、工业制造、生物医学等领域的应用以及3D打印材料、全球3D打印技术的发展现状和趋势等内容进行了深入研讨, 同时为国内外3D打印企业合作与交流搭建了平台。

江苏省三维打印技术创新战略联盟组织了14家成员单位40余名代表参加了本次大会。联盟理事长南京紫金立德电子公司总经理连宁、副理事长南京师范大学教授杨继全、联盟专家技术委员会名誉主任清华大学教授颜永年、联盟理事江阴瑞康健生物医学科技有限公司总裁刘青在本次大会上做了专题演讲。南京紫金立德电子有限公司、南京宝岩自动化有限公司、无锡飞而康快速制造科技有限责任公司等企业在大会上展示了江苏制造的3D打印机和3D打印产品。参会成员单位纷纷表示这次会议信息量很大, 对他们了解全球3D打印技术与产业的走势很有帮助, 同时通过与国际大公司的交流, 对公司自身的发展定位更为清晰, 也将衍生出一些合作机会。

三维打印技术 篇7

三维打印技术已广泛应用于工业产品开发、教育与科研、医疗卫生、建筑、军事、艺术等领域。近年来,三维打印技术在医疗方面的应用不断扩展能够定制特定手术模型、植入物、假肢和个性化手术设备等,但三维打印技术在医疗设备维修中的应用却较少[1,2]。

在日常的医疗设备维修中,因零配件缺损或配件定价较高而导致维修困难的情况较为常见。而三维打印技术的优势就在于能够在控制成本的基础上于短时间内制造复杂物品,这使其在医疗设备维修中的价值越来越明显,它能够缩短维修时间,最大程度挽回因设备损坏给医院带来的损失[3,4]。

笔者采用两种不同的建模方法(三维建模与反求工程)将缺失的零配件进行了三维还原,并使用三维打印机将建模还原的零配件进行打印成型,并将其与原零配件进行了属性比较,通过实验验证了三维打印技术在医疗设备维修中的应用价值。

1 参数化建模

数字空间中的信息主要有一维、二维、三维几种形式。对于虚拟现实技术来说,事物的三维建模是其难点。建模技术是将现实世界中的物体及其属性转化为计算机内部可数字化表示、分析、控制和输出的几何形体的方法。按使用方式的不同,现有的建模技术主要可以分为线框模型、表面模型、实体模型、装配模型、参数化建模、特征建模等类型[5]。

多数产品的设计都是改进型产品设计,而约70% 的原产品设计信息中在新产品设计时可以被重新利用,参数化设计技术就是在这样的背景下产生的。就医疗设备维修而言,最重要的是缩短维修时间,因此需要能够快速对设备的零配件进行建模,获取其三维数据,所以医疗设备零配件的设计需要具备一定柔性,所设计的模型既要能满足实际工作需要,又能迅速进行重构,使零配件的设计信息能够被重复利用。因此,使用参数化建模最符合医疗设备零配件建模的需要。

在参数化设计中,设计者可以根据自己的设计意图勾画出设计草图,并能够通过计算机系统自动建立所设计对象内部各设计元素之间的约束关系,以便设计者在更新草图尺寸时,系统能够自动更新、校正草图中的几何形状,并获取几何特征点的正确位置分布。

1.1 零配件三维建模

在支持参数化建模的设计软件中,Solid Works设计软件具有操作简单、兼容性高的特点,因此笔者选用Solid Works对医疗设备的零配件进行三维建模。以下介绍使用Solid Works设计软件对某进口品牌注射泵零配件进行三维建模以及打印成型的实例。

临床上常因摔落、用力扳折或使用不当等原因,造成注射泵的推杆活动卡槽断裂,影响注射泵的正常使用(图1)。由于该注射泵为进口医疗设备,其配件的更换周期较长,且对应配件的更换过程较为繁琐,同时临床上因注射泵紧缺、轮转使用不畅等原因只能使用人工监测其运行状态,不仅给临床工作带来了较大压力,还给医院带来了相应损失。

笔者结合注射泵的实际工作情况,根据活动卡槽的断裂面设计出了替代零配件的模型草图,随后使用游标卡尺对模型各面进行了精确测量,确定了各边长度,在Solid Works设计软件中完成了零配件建模(图2)。

1.2 零配件成型制作

笔者使用具有熔融沉积(FDM)工艺的打印机替代零配件的成型制作。根据现有设备,选用上位机控制软件(Bao Yan Printer)和FDM工艺打印机(DOGO 480)进行模型切片和零配件制作。

(1)将已经设计好的推杆活动卡槽三维模型导出成三维打印机识别的STL格式(图3),在Bao Yan Printer中载入推杆活动卡槽三维模型,进行切片(图4)。活动卡槽三维模型经过切片形成一层一层堆积的二维平面,每个平面内显示的是喷头在这一层中的运行轨迹,同时编译出了机器可识别的G-code代码。

(2)对已经建模好的卡槽模型进行应力分析。以该注射泵为例,通过FLUKE IDA 4 PLUS输液设备分析仪测得50 m L注射针管的阻塞压强为500 mm Hg,转化为推杆压力约为47 N[6,7]。由于要将卡槽模型的后端底面固定于注射泵上,因此在应力分析时,以该模型的后端底面为固定面,以固定针管推杆的卡槽为受力面,计算出推杆在后段与中段的连接处所受压强最大,转化为压力值约为82 N(图5)[8]。

(3)将FDM工艺打印机(DOGO 480)(图6)通过USB接口与计算机进行连接,将计算机内经过切片所得的G-code代码分批发送给打印机的主控板。主控板读取G-code代码内容,并将其转译成对应的机器语言,完成对打印机X、Y、Z三轴方向的联动控制,使得打印机喷头完成如图4 所示的每一层中的运行轨迹。然后将加热套加热至230 ℃,通过挤丝电机将固态的ABS工程塑料丝挤入到加热套中,使其在加热套里熔化。打印机喷头在沿着某一层轨迹运动的同时挤丝电机也在工作,如此在预先设计好的路径上便会堆积熔化状态的塑料丝,塑料丝在堆积到成型台上时会迅速凝固,将上下两层紧密粘合。以此类推,当喷头完成所有轨迹运动时,模型也就完成了打印制作(图7)。

(4)将已经打印完成的推杆活动卡槽模型从成型台上取下(图8),固定其后端底面,在卡槽处施加82 N的推力,卡槽并未折断,因此在打印时选取30% 的填充量足以满足其工作时所需的应力要求。随后再将成型件装配到损坏的注射泵上(图9),注射泵开机运行即可正常工作。

2 反求工程建模

在日常的医疗设备维修中,往往会因为维修配件较贵导致维修成本过高。如果可以对已有易损耗的零配件进行复制制作,便可降低维修成本,缩短维修时间,提高设备的使用率。反求工程技术的发展为零配件的复制成型提供了可能。

反求工程一般分为4 个阶段:① 零配件原形的数字化:通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描仪等测量装置来获取零配件原形表面点的三维坐标值;② 从测量数据中提取零件原形的几何特征:按测量数据的几何属性对其进行分割,采用几何特征匹配与识别的方法来获取零配件原形所具有的设计与加工特征;③ 零配件原形CAD模型的重建:将分割后的三维数据在CAD系统中分别进行表面模型的拟合,并通过各表面片的求交与拼接获取零配件原形表面的CAD模型;④ CAD重建模型的检验与修正:根据所获得的CAD模型,重新测量和加工出样品,以检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求,对不满足要求者重复以上过程,直至模型达到零件的逆向工程设计要求[9]。三维扫描反求流程图,见图10。

2.1 零配件反求建模

根据现有设备,笔者选用三维扫描成像系统SHINING对零配件进行建模。以下介绍使用扫描仪对某进口品牌冲洗消毒机的旋转卡槽进行扫描建模成型制作的实例。

将旋转卡槽零配件放入三维扫描仪中,扫描仪通过网格激光线,获得正对激光头模型面的信息;然后旋转扫描托盘,再次扫描,直至旋转回零点;随后对不同扫描角度获得的面信息进行三维重建,在重合处进行点云数据合并,通过信息互补,便可精确还原实体零件(图11)。

注:a.模型面(扫描后);b.旋转扫描托盘,再次扫描;c.回到零点;d.三维重建还原实体零件。

2.2 零配件成型制作

将扫描获得的三维模型使用FDM工艺打印机制作成型(图12)。由于该冲洗消毒机在正常工作时,其工作温度将达到180 ℃,因此需要选用特定的成型材料。根据其硬度与熔点的性质,笔者选用ABS工程塑料作为其成型材料,该材料熔点可达250 ℃以上,可满足该设备正常工作需要。

3 结论

笔者使用三维建模和反求工程的方法,将缺失并难以订购和已有并价格昂贵的零配件进行了建模,随后使用三维打印机对零配件进行了成型构建,达到了1 :1 还原的目的。本组实验结果显示,将三维打印技术应用于设备维修中,不仅可降低维修成本,还能够缩短维修周期,优化医院资源,方便患者就医。本文所述的两个实例只是三维打印技术在医疗设备维修应用中的一小部分,三维打印技术在医疗设备维修中的应用值得进一步探索。

注:左图为选用ABS工程塑料制成的成型件;右图为在设备中的使用示意图。

摘要：三维打印技术在医疗领域的应用范围越来越广泛,能够定制特定手术模型、植入物、假肢和个性化手术设备等,但三维打印技术在医疗设备维修中的应用却较少。在日常的设备维修保养中,设备零配件的缺失和高昂的价格给维修工作带来了诸多不便。本文结合日常维修实例,对已有或缺失的零配件使用不同的建模方法进行三维还原,比较了三维成型件与原零配件的特性,并通过实验验证了三维打印技术在医疗设备维修中的应用价值。

关键词：三维打印技术,三维建模,设备零配件,设备维修

参考文献

[1]张冠石,翟为.三维打印技术及其在医疗领域的应用[J].中国医疗设备,2014,29(1):66-69.

[2]王安琪,冯晓明,杨昭鹏,等.3D打印在医疗器械领域的应用现状及展望[J].中国医疗器械信息,2014,20(8):1-7.

[3]王彩梅,张卫平,李志疆.3D打印在医疗器械领域的应用[J].生物骨科材料与临床研究,2013,11(6):26-28.

[4]管吉,杨树欣,管叶,等.3D打印技术在医疗领域的研究进展[J].中国医疗设备,2014,29(4):71-72.

[5]毕硕本,张国建,侯荣涛,等.三维建模技术及实现方法对比研究[J].武汉理工大学学报,2010,32(16):26-30.

[6]王梦婷,徐林.微量注射泵的质量控制检测及问题分析[J].中国医疗设备,2014,29(6):58-60.

[7]商洪涛,徐涛,唐辉.输液泵和注射泵检测技术探讨[J].中国医学装备,2013,10(8):42-44.

[8]成凤文.基于Solid Works的压力容器三维建模及应力分析[J].工程图学学报,2006,(27):53-57.

三维打印技术 篇8

关键词：单兵武器系统,三维打印技术,教学

某式单兵武器系统是我军基于信息系统体系作战能力思想对陆军单兵的最新体现, 它由若干分系统组成, 采用系统化设计、模块化结构, 具有多种编配组合方式, 满足班组不同的作战任务需要。该系统涉及火力控制、通信、计算机、智能弹药、电气等复杂技术。要使武器系统形成战斗能力, 必须提高武器系统教学训练的效果。实装训练是目前部队和院校最基本的训练方式, 但也存在一些缺点。

一实装训练存在的问题

第一, 训练装备不足问题。目前该系统已配备部队, 教学任务迫在眉睫, 而用于教学的装备数量有限, 开展教学时学员数量较多, 供需矛盾十分突出。

第二, 训练成本高。该系统集成多种先进技术、应用高性能材料, 价格昂贵, 而在教学训练中不可避免地会出现磨损、损坏现象, 造成训练成本加大。

第三, 训练效果不佳。利用实装开展单兵武器系统教学训练, 一般只能直观地体现单兵武器系统外部结构, 进行一般的操作训练。往往无法了解装备内部结构和工作原理, 无法开展故障维修训练, 且装备零件细小、繁多, 学员对零件和机构动作的认知和了解都停留在表面, 存在不直观、不深入的问题, 对零件尺寸和机构动作没有一个定性和定量的把握。

二三维打印技术

随着三维打印技术的出现, 在珠宝首饰、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航天、牙科及医疗方面都能得到广泛的应用, 并取得了较好的效果。因此, 将三维打印技术应用于单兵武器系统教学中非常有必要, 能解决训练时受装备数量、时间、场地等限制难题, 节约训练经费, 提高训练效果。

三维打印技术出现在20世纪90年代中期, 三维打印机是三维打印技术的技术体现。三维打印机利用光固化和纸层叠等技术实现快速成型, 它与普通打印机工作原理基本相同, 三维打印机内装有液体或粉末等打印材料, 与电脑连接后, 通过电脑控制把打印材料一层层叠加起来, 最终把计算机上的蓝图变成实物。这种打印技术称为三维立体打印技术。三维打印技术是一系列快速原型成型技术的统称, 其基本原理都是叠层制造, 由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状, 而在Z坐标上间断地作层面厚度的位移, 最终形成三维制件。与传统打印技术比较, 三维打印技术具有速度快、价格便宜、高易用性等优点, 可以打印出真实的三维物体。

三三维打印技术应用于教学的优势

将三维打印技术引入单兵武器系统教学课堂, 可以弥补传统训练教学的不足。

第一, 由于单兵武器系统只在少数数字化部队装备, 装备数量少, 应用三维打印的形式, 突破传统训练的时空和装备数量的限制, 实现形象直观化教学, 待熟练掌握后, 再去现实环境中操作, 既解决了现实中无法开展的难题, 又在一定程度上保证了安全性。

第二, 传统的武器修理需要通过机械加工制备零件, 耗费的时间和精力多, 零件精度不高, 重复工作强度大。将三维打印技术引入修理课堂, 能实现快速制备武器零件, 节省时间, 提高精度, 避免真实操作所带来的各种危险。

第三, 通过对零件进行建模, 不仅能加深学员的学习层次, 将机械制图与专业课结合起来, 又能实现对零件的准确定量描述, 加深学员对零部件的熟悉, 而建模本身也是一个加深对零件认知的过程, 形象、生动、有趣, 激发学员的学习热情, 并且能提供很好的交互性鼓励学员积极参与。

四结束语

利用三维打印技术的特点, 积极探索将三维打印技术应用于该系统的教学训练, 会对新装备教学能力、战斗力和保障力的形成产生深远影响, 随着该系统的推广和应用, 必将获得良好的军事经济效益。

参考文献

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[3]杨继全.三维打印产业发展概况[J].机械设计与制造工程, 2013 (5)

三维打印技术 篇9

利用组织工程技术实现牙齿的再生是人类解决牙齿缺失问题的终极目标。传统的组织工程技术的基本原理是将体外培养扩增的种子细胞复合到支架材料上,构成细胞-支架复合体,再进行体外培养或植入体内相应的病损部位[1]。支架材料内部细胞分布难以控制。生物打印是一种新型的组织工程手段,是快速成型技术在生物医学中的应用,即:在计算机辅助下,按照预先设计的特定的三维结构,对活细胞、生物活性组织及相关生物材料等基本构件的逐层堆积的生物制造技术[2,3,4,5]。与传统的组织工程技术相比,生物打印技术可以个性化控制细胞分布以及精确控制支架成型。人牙髓细胞(human dental pulp cells, hDPCs)的生物打印研究可为牙齿组织工程提供新的思路和方法,相关工作未见报道。

1材料和方法

1.1主要试剂和仪器

1.1.1 主要试剂

Ⅰ型胶原酶(Worthington Biochem,美国);碘化丙啶(propidium iodide,PI)、dispase酶、胰酶、海藻酸钠、明胶(Sigma-Aldrich,美国);胎牛血清(HyClone,美国);α-最低必需培养基(α-minimum essential medium,α-MEM)(Gibco,美国);钙黄绿素-AM(calcein-AM,CAM)(Invitrogen,美国)。

1.1.2 仪器

生物打印机Cell Assembler Ⅱ(清华大学,中国);激光共聚焦显微镜LSM 5 Excitor(Carl Zeiss,德国)。

1.2实验方法与步骤

1.2.1 hDPCs的培养

临床收集(18～25)岁因阻生拔除的人第三磨牙,无菌条件下取出牙髓,剪碎,用3 mg/mL的Ⅰ型胶原酶和4 mg/mL的dispase酶在37 ℃消化1 h。加入含20%胎牛血清的α-MEM培养基终止消化,台式离心机以1 000 r/min离心5 min后收集细胞。加入20%胎牛血清的α-MEM培养基,转入培养瓶后置于37 ℃,5%CO2孵箱内培养。隔天更换培养基。传代后改用含10%胎牛血清的培养基培养,取状态良好的第4代细胞用于实验。

1.2.2 细胞-基质共混物的制备

将明胶干粉溶于α-MEM培养液中,获得14%(w/v)的明胶溶液,高压灭菌消毒。海藻酸钠干粉,高压灭菌消毒后,在无菌的超净台内用α-MEM培养液溶解,获得6%(w/v)的海藻酸钠溶液。将明胶溶液与海藻酸钠溶液按体积比1∶1混合,于70 ℃磁力搅拌达到均匀共混,调节pH值在7.2～7.4,得到10%的海藻酸钠-明胶透明胶状液体,记为SG。胰酶消化第4代hDPCs制成细胞悬液。用台盼蓝染色检验细胞的存活率大于90%后,将SG与hDPCs轻柔混匀,细胞终密度为2×106/mL。

1.2 3 细胞-基质共混物的三维生物打印

生物打印过程采用生物打印机Cell Assembler Ⅱ(图1)进行。首先,将细胞-基质共混物置入1 mL一次性无菌注射器,注射器的前端与金属喷嘴连接,固定在密闭的温控成形室内。然后,采用步进电机驱动柱塞挤出的成形方法,将共混物喷出到低温成形腔,在载有无菌培养皿的三维微动平台处拉成线状。挤出的共混物因明胶的温度敏感性发生交联,由溶胶转变为凝胶。在具有层片信息的预设计算机辅助设计模型(图2)数控驱动下,逐层挤出/沉积形成不同的层面。不同的打印层面之间依次交错叠加,最终形成三维结构体。主要成形参数见表1。

为维持三维结构体的稳定性,使未完全交联的结构体进一步交联,将成形的结构体在4°C的1%的无菌氯化钙溶液中浸泡5 min,然后用生理盐水反复冲洗,获得含有hDPCs的三维结构体。将结构体转移到α-MEM培养液中,在37°C,5 % CO2培养箱中培养。

1.2.4 三维结构体的观察

肉眼观察结构体外形,然后用倒置相差显微镜观察结构体。

1.2.5 打印后细胞活性分析

取培养24 h的结构体,用生理盐水漂洗,用含5 μmol/L的CAM和3 μmol/L的PI的α-MEM无血清培养液孵育45 min,生理盐水反复漂洗,用激光共聚焦显微镜分别在488 nm(CAM激发波长)和543 nm(PI激发波长)的激发光下在Z轴每隔20 μm扫描观察结构体内细胞的活性,保存所获图像。

2结果

2.1三维结构体的观察

通过生物打印技术,获得大小约为5 mm×5 mm×1.5 mm的半透明的网格状三维结构体(图3)。该结构体符合预先计算机辅助设计的结构。倒置显微镜下可见三维结构体中微丝直径约350 μm,孔隙的尺寸在350 μm左右,结构体中hDPCs的密度高,细胞在结构体中呈圆球形均匀分布(图4)。

2.2细胞活性分析

图5(a)和图5(b)分别为不同层面细胞在结构体中的情况。图5(a)为Z轴高度255 μm平面,图5(b)为Z轴高度340 μm平面。激光共聚焦显微镜在不同层面上可见细胞均匀分布,大部分细胞呈绿色荧光,少量被染成红色荧光的死细胞零散分布。

3讨论

生物打印是在快速成型技术发展的基础上,结合细胞生物学、计算机辅助设计和生物材料学等多个领域发展而来的一种新型的组织工程技术,其最终目标是实现器官打印[2]。与传统的组织工程技术相比,生物打印技术有诸多优势: (1)通过对生物打印喷头的三维协同控制、精确定位,在构建形态、结构复杂的组织工程结构体的同时可实现多种细胞在三维空间的同时精确定位[2]。(2)所构建出的组织内部细胞密度较高[6]。(3)可以在打印组织结构的同时在组织内部打印血管网,因而可解决较厚的组织结构的血管化问题[7]。(4)该技术自动化程度高,可升级而且重复性好,有利于进行大规模的工业化组织工程生产[2]。(5)细胞打印是完全由计算机控制的高通量细胞排列技术,可发展成为直接在生物体内进行的原位操作技术[8]。将生物打印技术运用于牙齿的再生,有望解决传统组织工程手段所难以解决的一些问题。

本研究所采用的生物打印技术的基本原理是结合离散-堆积快速成形原理和溶胶-凝胶相变机理,在计算机控制下,根据预先设计的三维数字模型,构建含活细胞的三维结构体,从而实现细胞打印[9]。本研究以明胶-海藻酸钠水溶胶为载体,在打印前将2×106/mL的hDPCs与水溶胶均匀混合,实现了细胞在三维结构体里的均匀分布(图4)。在4 °C的低温成形室内,以容积驱动挤出成形的方式,通过精确的三维定位系统,按照计算机软件预先设计的结构体外形、大小和内部孔径,将水溶胶以微丝形式精确挤出,不同层面的微丝逐层交错堆积,相邻层面的微丝相互粘接,构建出了含有hDPCs的网格状三维结构体(图3)。该结构体符合预先设计的尺寸和外形,结构体内部具有互相连通的孔隙,有利于组织形成及材料内部的hDPCs新陈代谢。打印过程中,微丝中的明胶水溶胶在低温环境下转变为凝胶,使结构体得以成形。经氯化钙溶液浸泡,结构体中的海藻酸钠与氯化钙溶液中的钙离子发生化学交联,转变为海藻酸钙凝胶,使结构体的稳定性得以维持。

细胞活性是评价细胞打印效果的重要指标。细胞打印过程容易对细胞造成损伤,如果不能使细胞所受损伤降至最低或零损伤,形成的三维结构体随着细胞的大量死亡也失去了意义。CAM和PI是用于细胞活性检测的典型荧光指示性染料[10]。CAM扩散进入活细胞,被胞内非特异性酯酶所水解,产物在波长为488 nm的激发光激发下发射明亮的绿色荧光;PI扩散进入丧失膜完整性的细胞(死细胞),与胞内DNA结合形成复合物,该复合物在波长为543 nm的激发光激发下发射红色荧光。激光共聚焦显微镜观察双荧光染色三维结构体的结果(图5)提示,本研究所采用的打印方法对hDPCs的损伤很小,hDPCs经三维生物打印存活率高。

综上,本实验将hDPCs和海藻酸盐-明胶水凝胶形成的共混物在生物打印设备上按照一定参数打印,构建出了具有自定义形状、尺寸,可控细胞密度,高细胞存活率的具有活细胞的三维结构体。这为生物打印技术进一步应用于牙齿组织工程奠定了基础,有望为牙齿再生提供了一种新的手段。尽管本研究利用生物打印技术构建的结构体尺寸较小、结构较简单,但现有研究工作已经验证了生物打印技术在牙齿组织工程中应用的可行性。

摘要：通过生物打印方法构建含人牙髓细胞(human dental pulp cells,hDPCs)的组织工程三维结构体。探讨对hDPCs进行三维生物打印的可行性。用常规体外培养hDPCs至第4代。将细胞悬液与海藻酸钠-明胶水溶胶混合,制备hDPCs-海藻酸钠-明胶水溶胶共混物。细胞终密度为2×106/mL。用生物打印机根据预先设计的参数进行生物打印,构建组织工程三维结构体。对结构体进行肉眼观察和倒置相差显微镜观察。用钙黄绿素-AM和碘化丙啶双荧光染料对结构体进行染色,激光共聚焦显微镜观察分析结构体中hDPCs的活性。通过生物打印技术的结果可按照预先设计的参数打印出含有hDPCs的网格状的水凝胶结构体,该结构体的大小约为5 mm×5 mm×1.5 mm。倒置相差显微镜下可见结构体内微丝的直径约300μm,微丝间的孔隙相互通连,孔隙大小约350μm×350μm,hDPCs在结构体中呈球形均匀分布。激光共聚焦显微镜观察证实结构体中大部分细胞存活。初步证明hDPCs可耐受生物打印过程。通过研究说明三维生物打印技术构建出了含人牙髓细胞的组织工程三维结构体,实现了hDPCs的生物打印,为生物打印技术应用于牙组织工程奠定了基础。

关键词：生物打印,组织工程,牙髓细胞

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