3D打印笔

2024-08-13

3D打印笔（精选9篇）

3D打印笔篇1

空中涂鸦3D物体缤纷呈现

在经过一年多的技术研发之后, 英国Wobble Works玩具公司最近生产出世界上第一款具有3D打印功能的3Doodler笔。笔的长度180毫米, 直径24毫米, 重量200克左右, 使用万能电源, 工作条件为110V或240V。如同3D打印机一样, 它也用ABS或PLA塑料当作“墨水”。每只3D涂鸦笔都配备一包这样的“墨水”, 里面有10只300毫米长的塑料, 每只可创作大约3.4米的3D作品。ABS是最常见的塑料之一, 用于很多塑料制品。“生物塑料”PLA来自玉米, 可降解并且熔点比ABS要低。从笔头喷出的塑料虽然可接触, 但由于笔尖处温度高达270℃, 因此使用时一定不要触碰笔尖。

3Doodler涂鸦笔在使用时非常方便, 只需插上电源, 等上几分钟就能在空中或物体表面作画, 开始奇妙创作。用户既不需要任何软件或电脑, 也不必苦苦等待草稿转换为电脑模型, 便可以直接画出他们所想象的内容。这款涂鸦笔基于3D打印技术, 只要使用者拿着笔在空中涂画, 笔管中的塑料就会成丝状涌出来, 并且在笔中风扇的作用下迅速凝固, 变成坚固结实的东西, 还具有一定的韧性。不少用过3Doodler涂鸦笔的人惊呼:“科技的力量真是太神奇了, 拥有一支这样的涂鸦笔感觉太爽啦!”

只要经过几个小时的练习, 使用者便能学会在空中挥舞涂鸦, 变成“神笔”马良。作画时发挥无尽的创造力, 描画出惊人的绚烂, 制作出各种形状的3D物体来。有了这支神奇的涂鸦笔, 你可以画戒指, 画手表, 画小汽车, 画房子……想到什么就涂鸦什么, 任何物体的轮廓都可以。有人甚至戏称, 如果“墨水”的成分是面粉, 甚至“画饼充饥”也不是没有可能。

有趣的是, 打印出的东西既可以作为一个平面景象, 又能够脱离平面成为立体图形, 还可以将不同的部分接在一起。落笔就定型了, 使用者可以在任何节点把“画”拿起来, 也可以再接着画。比如画了一个正方形之后, 可以把它拎起来接着画成一个正方体。又比如画了一个平面的驯鹿之后, 把它从纸上拿下来画上一些线圈把它缠绕成立体模型。

3Doodler涂鸦笔的创意内容丰富多彩, 像传统的3D图形和模型、珠宝吊坠挂饰物、装饰品和冰箱贴、日常的个性化物品和足球场等都可以打印出来。由于能在包括塑料的任何表面使用, 它能让用户充分发挥想象, 做出包括i Phone手机壳或者其它东西, 甚至还能进行简单的修复工作。通过打印模板, 用户能制作诸如埃菲尔铁塔和各种动物之类的美观立体模型。在轻而易举地将模型的一部分画出来后, 再用3D涂鸦笔把它们连接打印出来。

降低成本3D走进千家万户

3D打印技术以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。它无需机械加工或任何模具, 就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件, 从而极大地缩短产品的研制周期, 提高生产率和降低生产成本。灯罩、身体器官、珠宝、根据球员脚型定制的足球靴、赛车零件、固态电池以及为个人定制的手机、小提琴等都可以用该技术制造出来。三维打印技术的魅力在于它不需要在工厂操作, 桌面打印机可以打印出小物品,

3D打印技术在飞速发展, 3d打印机让人更加向往, 但这项技术目前价格较为昂贵, 大多数人特别是学生来说很难接受。而售价仅为50美元 (大约合312人民币元) 的3Doodler涂鸦笔却大大地改变了这一局面, 可以让人们较为廉价地使用3D技术, 从而让3D技术真正走进人们的生活。

Wobble Works公司正在寻求更多资金准备批量生产3Doodler涂鸦笔, 在“众筹网站”Kickstarter上发起了一个项目, 为全球第一款3D打印笔募资。Kickstarte是一个在线募资网站, 普通个人如果感到Kickstarte网站上某个正在募集资金的项目有可观的前景, 他就可以申请投资, 这个模式就像是先期买它的股票。一个人如果想把自己的创业项目放到Kickstarter网站上来招募资金, 他需要先向Kickstarter申请批准, 项目的发起人需要选择一个招募截止日期和最小的预期募集资金数额。如果预期募集资金数在最后期限内没有达到, 这个项目就募资失败。资金的收集是通过亚马逊支付平台完成。

Kickstarter是一个大众募资平台, 支持和激励创新性、创造性、创意性的活动。通过网络平台面对公众集资, 让有创造力的人可能获得所需要的资金, 去实现梦想。该平台的用户一方是有新创意、渴望进行创作和创造的人, 另一方则是愿意出钱、帮助他们实现创造性想法的人, 然后见证新发明、新创作、新产品的出现。Wobble Works的两位创始人彼得·蒂尔沃斯 (Pete Dilworth) 和马克斯维尔·伯格 (Maxwell Bogue) 的融资目标原本是3万美元 (大约合18.4万元人民币) , 但迄今为止, 在Kickstarter上的实际募资额已达到41.3万美元 (大约合253.5万元人民币) , 是预期的10倍以上。如果进展顺利, 3Doodler涂鸦笔将在2013年底投入市场。蒂尔沃斯和伯格两人曾在Wow Wee机器人玩具公司的研发部门工作过, 开发过多项新产品。

2013年2月, Wobble Works向一些艺术家赠送了3Doodler涂鸦笔。他们用这款神奇的创造出多种3D模型, 并在网上出售。该公司还与Etsy网站的设计师建立了合作关系, 旨在向用户展现3Doodler涂鸦笔的超强能力。Etsy是美国一个在线销售手工工艺品的网站, 于2005年6月18日上线, 网站集聚了一大批极富影响力和号召力的手工艺术品设计师。在Etsy, 人们可以开店, 销售自己的手工艺品, 模式类似e Bay和中国的淘宝网。那些在Kickstarter上出资25美元 (大约合153.5元人民币) 以上的人, 将有幸获得Etsy艺术家布德·布里万特 (Bud Bullivant) 和鲁斯·延森 (Ruth Jensen) 制作的一份3D作品。

3D打印笔篇2

3D打印笔是近些年来中小学教学实践中应用到的一种新型的教学内容及教学工具，在中小学创客教学中发挥着重要的作用。本文就3D打印笔的技术原理、在中小学创客教学中使用3D打印笔的理论依据和案例进行初探，进一步思考在中小学创客教学中有效运用3D打印笔技术的策略。

一、3D打印笔技术简介

3D打印技术是一种新型的快速成型技术，是“第三次工业革命最具标志性的生产工具”，将对社会多个行业和领域带来深刻影响。3D打印的未来发展将使大规模的个性化制作与生产变为可能。随着3D技术的发展，3D打印在教育领域中的运用受到研究者的关注。新媒体联盟在2013年地平线报告中提出，3D打印是未来四到五年值得关注的新技术，对于教育与学习具有重要价值，会带来教学、学习和研究领域的创新。我国科技部已将3D打印技术纳入国家863计划，而3D打印笔是在3D打印技术发展到一定程度出现的更有实效的打印工具，是3D打印技术产品化较为成功的案例之一。

3D打印笔技术是将热挤压头整合进一个单独的设备中，从设备末端进入一单片塑料（ABS或PLA），塑料耗材穿过笔身并迅速在220℃高温下被融化，然后从笔头涌出，最后在较短的时间内完全凝固定形。它可以在任何耐高温表面上创作，甚至可以直接在空气中作画，并且无须电脑或电脑软件支持，你只要把它插上电就可以开始你的奇妙创作，让使用者可以成为“神笔马良”。

二、3D打印笔在中小学创客教学中运用的特点与优势

创客教学是创客文化与教学的结合，基于学生兴趣，以项目学习的方式，使用数字化工具，倡导造物，鼓励分享，培养跨学科解决问题能力、团队协作能力和创新能力的一种素质教育。中小学创客教学中运用3D打印笔，就是将3D打印笔既作为学习的内容，又作为应用的工具，开拓思维。

（一）具有趣味性，充分激发中小学生的学习兴趣

通过3D打印笔学生的构思转变为真实的立体彩色的模型，将抽象概念和DIY设计带入现实世界，使学习更加生动。学生可以从设计、制作、展示、参与等角度融入学习过程中，有效激发学生实践的积极性，提高学习热情。如《我型我秀》课，给自己设计眼镜，最后学生戴着设计的眼镜走出教室。

（二）具有拓展创新性，培养了中小学生的创新精神

传统的中小学教学方法只是教师要求学生模仿教师操作，在无形中扼杀了他们的创造力，并不利于创新精神的培养。而在学习实践过程中，学生的动手能力、设计能力和思维能力等都得到全面发展和提高，这是推动学生创新精神和创造能力发展的重要环节，对创新型人才的培养具有积极意义。如《设计交通工具》课，有的学生给自行车的车轮、车龙头等位置用夜光耗材进行涂抹，提高夜晚的使用安全系数。有的学生在设计飞机内舱的时候发现空中绘制比较困难，自己制作了合适的纸膜，在纸膜上绘制出了内舱，最后用水融化纸膜进行脱模，得到了空心的内舱。

（三）打破学科壁垒，创新了学生的课程设计

呈现新颖的3D打印笔教学内容，营造更愉快的学习体验，打破学科壁垒，将信息学科和美术、音乐、综合实践等学科进行资源整合。比如《创作3D假面》这课，就是美术课的《设计面具》课，加入了3D打印笔的创客教学，生动的DIY原创面具和立体化的学习方式受到全体学生的欢迎。最后所有学生戴着制作的面具，一起在音乐中跳舞，又将音乐课的内容融入其中。又如《新年礼物》这课，学生用3D打印笔制作新年礼物，如中国结、福字、葫芦等，在雏鹰假日小队活动中，送给了敬老院的爷爷奶奶们，这又与思品课结合在了一起。

（四）充分发挥协作能力，培养学生合作精神

注重以小组为学习单位进行主题式项目学习，让学生能够在协作中完成作品设计。通常主题确定以后，以两到三人为一小组，整合设计概念，汇集小组智慧的设计图初稿，组内确定使用工具、耗材长度、耗材颜色、接着分工制作作品，最后展示交流。如《设计大桥》课中，小?M分任务负责图稿设计、桥面制作和各个面的焊接。出现大桥不稳定的问题，三人一起研究问题所在和解决方案。每一个环节学生都参与其中，分享智慧与灵感，充分发挥了团队合作精神，更有利于拓展学生的思维宽度和深度。

三、3D打印笔实施应遵循的策略

根据实践中的经验，对3D打印笔技术进行了进一步的思考，认为针对中小学创客教学的特点，要充分发挥其特点与优势，必须在实施过程中遵循以下策略：

（一）教师要不断提高3D打印的专业技术能力，更好地利用技术进行创客教学

在创客教学中运用3D打印笔的教师应该在专业技术和教学设计等层面进行学习和提高。在对创客教师进行培训时，除了打印原理、机械结构等知识外，应该重点放在培训教师对学生的思维和想象力进行引导的方法和技巧上。

（二）课程设计要符合中小学生的心理特点与认知发展水平

学生是学习的主体，中小学生年龄小，思维方式和认知水平有限，在课程设计上，要遵循两个原则。

一是教学内容，先简后繁。3D打印笔的课程，基本都是校本课程，在设计的时候一定要从简单的开始入手。课程开始是认识3D打印笔，尝试制作“线性”的平面作品，如制作姓名、太阳、花朵等。第二节课开始制作“面”的平面作品，比如设计爱心、制作创意书签等。后面课程可以加入有弧度的非平面作品，比如设计面具、制作杯饰、戒指等，再往后的教学内容可以选择立体的主题作品制作。

二是操作技术，先易后难。刚开始几课，课程设计以容易操作的内容为主，选择图案大一些、勾线内容少一些的、容易脱模的比较合适，学生在操作中可以减少调整出料口大小的次数，慢慢熟悉3D打印笔的用法。后面的课程，就可以选择设计图稿精细的、添加创意的课程。

四、结论

3D打印笔篇3

3 D打印仍是非常昂贵的技术

首先接受记者采访的是柏林工业大学3D实验室主任哈特穆特·施万特教授。近年来, 柏林工业大学3D实验室在3D技术的研究应用方面成绩显著。从应用先进的3D技术支持北极熊克努特死亡原因的调查, 到用3D打印制造奥迪和宝马合作研制的测试模型车DrivAer, 施万特热情洋溢地向记者介绍了该实验室与建筑、考古、医学和交通工程等多个领域的合作研究情况, 并展示了实验室在3D打印、3D数字化、3D建模和3D可视化方面的研究成果。

具体谈到3D打印, 施万特说:“以前人们谈论3D打印仅仅指所谓的快速原型制造, 而近几年这一技术已经向快速制造进一步发展。随着3D打印机具有更高的精度, 以及可在更广的范围内选择合适的材料, 它现在有了更多的应用可能, 不仅是创建可视化模型, 还可以制造带有产品特性的对象, 换句话说3D打印机被直接用于生产。大的汽车制造商如奔驰和宝马已经有一定数量的3D打印机被用于生产直接安装在汽车上的系列小塑料部件, 这比起专门生产或从第三方购买零部件要便宜。快速制造还有一个优势, 它可以生产定制的部件。医药行业的应用是这方面最好的例子, 比如用3D打印制造骨骼替代品, 用于牙科修复等。各种可以替代的人体'零部件', 如食道等也都可以这样生产。在世界各地的几个地方还有在组织工程中应用快速制造, 用来进行替代人体组织的研究。总体而言, 3D打印已经应用到许多领域, 而且未来几年这一趋势还将扩大。”

然而对于记者提出的3D打印技术是否会就此带来“第三次工业革命”的问题, 施万特却又给出了否定的答案。他说:“尽管3D打印技术对于科学和经济已有一个重要的作用, 并且赢得一个非常有活力的发展, 设备和软件被不断研发更新, 有了越来越多的应用领域。但我认为现在这个阶段就说3D打印将带来'第三次工业革命'是夸张的, 目前还没有人可以做这样的断言。”

施万特解释说:“目前为止, 3D打印技术仍然是一个非常昂贵的技术。设备购置、材料成本以及技术维护都还非常昂贵。在3D打印机市场上虽然可以有多种不同的技术, 但是每种技术只有一个制造商, 他们仍然试图维持较高的价格, 因此一般的中小型企业在经济上难以支撑这样的应用。还有一个更大的问题, 即3D打印是非常劳力密集型的应用, 3D打印任务不可能点击一个按钮就自动产生。大部分的工作在于密集的数据准备。这需要大量的时间并要求大部分员工有长期的经验和专门技能, 这样的人现在数量还非常少, 这也不是一个中小企业所负担得起的。”

3 D打印首先是补充生产工具

德国是传统的制造业强国, 历来重视制造技术的革新, 对于未来技术更是不遗余力地资助研发。然而迄今为止德国没有出台任何专门针对3D打印技术的研究资助计划, 仅仅在“德国光子学研究”计划中有一小部分内容与3D打印技术有关, 即选择性激光熔结技术。因此, 记者采访了“德国光子学研究”计划的负责人, 德国联邦教研部高技术司光学处处长弗兰克·席立-罗森博士。

席立-罗森博士对于业界关于3D打印的讨论并不陌生。对于目前媒体不断追踪报道3D打印的情况, 他说:“商业媒体讨论的主要是投资市场, 因此在关注周期内影响强烈。而德国联邦教研部 (BMBF) 和工业研究则是从一个连续的、长期发展的角度来考虑3D打印技术, 这一过程从大约20年前的'快速成型'概念就已开始。这其中的核心包括对由此产生的生产方式的理解, 它适用于原型或只有有限功能的单件产品的快速生产, 例如, 作设计模型或铸模使用。由于这些限制, 3D打印技术的应用迄今仍被局限于利基市场 (即高度专门化的需求市场) , 如医疗或模具。”

席立-罗森认为, 在过去的10年, 与这些利基市场平行发展的有两个新趋势:一个是用于塑料模型制造的3D打印机变得便宜了很多, 今天他们已经开始面向个人用户, 并产生了一个世界性的业余爱好活动“制造者”。另外一个则是研究机构的“选择性激光熔结”技术, 它在过去的10年中已经从一种实验技术发展成为工业生产方法。通过这种方式, 现在全功能部件生产成为了可能。

德国联邦教研部2011年5月推出了“德国光子学研究”计划, 其中从2013年初开始对“生成的制造工艺和光子过程链”进行资助, 所谓的3D打印技术仅是整个光子价值链中的一小部分。席立-罗森博士说:“该研究的目的是进一步推动3D打印技术, 使它更易于在日常工业生产中应用。至于这是否会在某个时候彻底改变工业生产, 即人们所谓的'第三次工业革命', 还有待观察。”

虽然比较委婉, 席立-罗森其实还是表达了自己的看法。他说:“近日, 《麻省理工技术评论》的编辑大卫·罗特曼在文章'制造者和制造商之间的区别'中准确地指出, 关于通过3D打印技术彻底改变工业生产方式这样感情奔放的结论往往是由于对目前的工业现实缺乏认识所造成的。从德国联邦教研部的角度来看, 3D打印技术首先是一个很有意思的补充生产工具, 它必须在未来几年的工业实践中证明自己。”

冷静看待3D打印热潮

目前3D打印技术的发展仍然主要集中在美国。德国也成立了第一批类似的公司, 并且有了自己生产的3D打印机。位于纽伦堡附近的德国3D打印机制造商Fabbster就是其中之一。为了了解3D打印机进入个人消费市场的情况, 记者采访了该公司的克里斯汀·西夫克女士。

西夫克女士介绍了她们公司专门针对个人用户的新型3D打印机:采用热融ABS塑料技术;产品最大尺寸225毫米, 精度约0.1毫米;售价1600欧元。对于该产品的销量情况, 西夫克女士以新产品为由一语带过。而据记者了解, 该3D打印机所用的彩色ABS塑料价格高达80欧元每公斤。即便不考虑建模的技术难度, 仅从价格看, 这样的3D打印机要进入家庭似乎还任重而道远。

对于目前3D打印机进入个人消费领域的前景, 施万特说:“低端3D打印机的发展很有趣, 与专业的3D打印机相比, 这些质量不高但很实惠的低端3D打印机被提供给个人消费者。尽管我个人对它可以给消费者带来的好处表示怀疑, 这应该是一个聪明的营销问题, 创建了一个还没有被关注到的需求市场。”

3D打印作文篇4

我了解到，在3D打印未发明之前，我们使用的是注塑的传统工艺。这种工艺要先开一副模具，模具反复修改有时要耗费数月时间。而且，要再做一个不同的模型，哪怕只是长度增加了一毫米，也要再开一副模具，费时费力又费钱。然而，3D打印不会这样。只要在电脑里设计好模型，就可以打印。如果想让它变大或者变小，鼠标轻轻一点，就可以直接打印出更大或更小的作品了。

活动中，老师告诉我们，3D打印使用的耗材叫聚乳酸，英文名叫“PLA”。这种材料是用玉米提炼加工的，在大自然中很容易分解，十分环保。原来制作PLA的材料都是可食用的呀！正当我疑惑它是否可以直接进肚子时，老师说，由于产生了化学反应，所以PLA就不能食用了。

让我最感兴趣的，还是3D打印在日常生活中的应用。记得古代有一个成语叫“画饼充饥”，指画出的饼是不能填饱肚子的。但是，你们知道吗，有了3D打印技术，画出的饼就可以吃了。有一位清华大学毕业的学生，放弃条件优厚的.百万年薪，转而开店卖煎饼！他的煎饼就是3D打印的！当然，用的耗材不是PLA，而是煎饼的原料。他还给这台3D打印机取名为“三哥画饼”。这是不是很神奇？

除了3D打印机，还有更为轻便的3D绘画笔。老师问我们：“如果要用3D绘画笔‘画’出一个正方体，怎么办？画出一个球呢？”我想了想，站起来说：“如果要‘画’一个正方体，就要先‘画’好六个面，再把它们拼装起来。如果要‘画’一个球，就要先用纸揉一个纸团，再用3D绘画笔往上面涂上PLA。”老师听了，说：“你说得很对。”

3D打印势头强劲篇5

自最初推出以来, 3D打印技术展区已经售出了超过3, 000净平方英尺的展区, 此后, 又将展区面积增加了25%, 以迎合参展商需求。新的技术展区目前共有9家参展商, 包括3D Systems、MakerbotIndustries、Sculpteo和Stratasys Inc.。

International CES及企业业务战略部高级副总裁Karen Chupka说道:“参展商的需求真正促使我们下决心推出该3D打印技术展区, 而该展区也正迅速成为业内最具活力、最具创新力的类别之一。

3D打印新风潮篇6

3D打印只是噱头, 如果真的能颠覆产业, “那我的‘郭’字倒过来写。”鸿海集团董事长郭台铭日前高调唱衰3D打印, 引来业界一片哗然。在业内人士看来, 3D打印的最大障碍在于商业化运用存疑。但近日, 3D打印制造商Stratasys与桌面3D打印生产者Makerbot签订最终合并协议, 宣布后者以换股并购交易的方式与Stratasys子公司合并。这意味着, 3D打印领域掀起了一轮并购潮, 而争夺的对象就是小型桌面用户。

争夺桌面用户

“在5到10年内, 让每个孩子人手一个Makerbot。”这是Makerbot创始人布里·佩蒂斯的梦想。

成立于2009年的Makerbot是美国一家小型创业企业, 凭借互联网及美国纽约的一家实体店, 2012年该公司营收1500万美元, 而仅2013年一季度, 营收已达1100万美元。

Makerbot的打印机可归类于开源硬件产品, 这类产品的好处是用户可以在之前硬件的基础上进行二次创意。在中国, 活跃着一大批创客, 不少“创客工程师”的工作方式之一就是购买一台廉价的桌面开源打印机, 设计有创意的艺术品或电子产品。

“不过这样的开源打印机往往用上2~3个月就坏了, 工程师则通过开源代码修理改进打印机, 并把相应的改进方案回馈给开源打印机公司, 使其做得更完善。”北京创客空间创始人王盛林说。

创客们“打印”出的产品, 广泛应用于艺术节展示以及DIY创意电子产品等, 不少作品亦吸引了风险投资人士的注意。此外一些高校及专业院校通过3D打印机打印教学模具或学生的创意、创造产品模型, 是3D打印机销售的另一市场, 增长速度很快。这两类用户对3D打印机的需求, 都集中在小型桌面类3D打印机上。正是在桌面用户需求增长的背景下, Makerbot选择与Stratasys合并。Stratasys董事会主席、FDM技术创始人Scott Crump表示:“目前Stratasys公司共拥有550项专利, 对于一些企业来说, 可以越过知识产权的限制。”

“目前国内3D打印在航空、高精制造领域应用成果明显, 但是尚未大规模应用。”上海卓然工程技术有限公司研发经理展益彬说, 行业发展受阻, 自身也在寻求新的突破, 小型桌面应用一定程度上解决了产业发展慢的现状。

新一轮并购潮

3D打印界有两家巨头:Stratasys与3DSystems。前者见长于工业级3D打印机制造与销售, 而后者则强于在消费领域, 有人把该公司生产的打印机誉为3D打印界苹果的i Pod播放器。

3D Systems公司生产的Cube 3D打印机主要面向消费者, 是不少美国家庭父母送给十几岁孩子们的“玩具”。2013年一季度, 3D Systems公司业绩表现强劲, 财报显示3D打印机销售额比2012年同期增长61%, 盈利比2012年同期增长24%。

2013年5月2日, 该公司宣布收购增材制造和传统制造服务供应商RPDG集团有限公司, 此前3DSystems还曾收购了扫描软件公司Rapidform。

“RPDG集团专注于注塑成型、数控加工、模具铸造、模型制作和快速成型服务, 3D Systems并购意图是希望未来其业务线从消费端走向工业制造。”一位专注3D打印的风险投资人士说。

而Stratasys并购Makerbot, 则是希望其产品线从工业级拓展到针对普通消费者的入门级产品。半年前, 美国Stratasys公司才刚刚完成与以色列著名的3D打印公司Objet的并购。

Scott坦言:“并购Makerbot可以让我们进入之前一直未进入的入门级消费者市场, 他们主要针对专业消费者、教育用户和一般消费者用户。”

“Makerbot在互联网版块增长很快, 该市场为Stratasys提供了有益的补充。”在业内人士看来, 这次并购完全是向互联网这一新领域进军, Stratasys要巩固其在3D打印领域大佬的地位。并购后, Stratasys在工业领域和小型桌面应用领域都拥有了产品及渠道。

对于一家能够生产工业级3D打印机的企业, 开发面向消费者的小型桌面3D打印机如同“小儿科”, Stratasys并购Makerbot的目地不在打印机本身, 而是看好了对方的渠道。

据悉, Makerbot的产品几乎全部通过互联网进行销售, 不仅如此, 该公司还拥有大型的3D打印设计数据库, 全部为开源文件, 没有版权问题。

“从销售打印机的台数上, 小型桌面应用产品将占主流, 至少超过55%。但是对于公司财务的贡献上, 未来5年还将是工业级产品占收入的绝大多数。”Scott说。

挣扎盈亏线:成本巨大, 国内基本无市场

在我国, 滨湖机电简单的陈列柜上, 摆放着用尼龙材料打印出来的水杯、造型独特的碗, 以及将来可以用来打印的披肩。在公司厂房里, 3D打印机被放置在空调间内, “每打印一层, 机器就会自动往上堆积一层, 逐层叠加。一个约8厘米高的杯子, 需要花5个小时打印。”公司员工表示。

滨湖机电始于1991年, 彼时, 华中理工大学 (现为华中科技大学) 校长、机械制造专家黄树槐借助学校力量, 租赁了华中科技大学一块1400平方米的厂房, 创办了国内第一批3D打印企业, 其主打产品是薄材料叠层快速成型系统。

“从1994年产品开始应用到商业化领域, 至今, 公司已累计销售各类规格机器200多台。”周建国介绍, 公司3D打印产品包括lom、LSA、SLS、SLM四种, 原料分别使用纸、液态材料、尼龙塑料陶瓷等粉末和金属材料进行打印。然而, 公司至今的盈利状况并不理想, 2012年, 营收700多万元, 亏损300多万元。

从科研院校延伸向商业化市场, 是当前中国最主流的3D打印企业模式。“一批有技术的人才, 将其科研成果商业化应用, 开始市场化运作。”连宁指出。

他所代表的是新兴3D打印企业。2007年, 连宁携其团队掌舵南京紫金立德, 该公司由传统打印机企业江苏紫金电子集团有限公司与以色列Solidimension公司合资建立, 专业生产桌面式三维立体打印机。

但其产能一直处于不饱和状态。“公司设计的年产能为2万台, 但实际产出仅1000多台。”连宁表示, 产品在国内还基本没市场, 主要靠出口欧美, 内销和出口的比例为1∶9。

而面对国外更强大的竞争者, 紫金立德寻找的市场定位是中等偏下的产品, 应用领域分别为工业设计、高等教育和生物医疗领域, 各自占比4∶4∶1。

“创业4年后, 也就是到2011年, 公司才开始实现销售收入, 至今现金流也只能支撑公司正常运转。”连宁感叹。

“在我国, 3D打印业务的商业化运用已有近30年, 但大都应用在工业领域, 发展速度十分缓慢。”颜永年指出, 直到近3年来, 行业发展才开始提速。

到目前为止, 国内从事3D打印生产、服务、工艺等业务的企业估计还不到100家, 其中, 有核心技术的只有20—30家, 而去年的市场规模也不到1亿美元。除了部分完全市场化的企业盈利能力尚可外, 另外的企业生存环境艰难。

3D打印可降低约50%的制造费用, 缩短70%的加工周期, 并能将复杂制造实现设计制造一体化。这是其被看好的理由。

“但跟其他行业不同, 3D打印的商业模式中, 更考验企业的创新能力和小批量生产能力。”周建国解释:企业研发出新的设备后, 可能一年卖不了几台、投入资金尚未回笼, 就有新客户提出个性化要求。公司需再度投入更多经费进行新品开发, 如此一来, 资金压力凸显。

“比如说去年, 滨湖机电投入200万资金开发了一种新产品, 但当年公司总营收也只有700多万元, 新品研发成本巨大, 自然影响公司业绩。”他说。

紫金立德的技术初期是从国外引进, 公司创立时陆续投入的3000多万美金中, 有750万美金用于支付专利技术费用。连宁指出:“目前, 我们基本完全掌握这些技术, 但市场需求量尚未完全释放。”

颜永年也认为, 最适合3D打印企业生存的土壤, 应该是由中国制造走向中国创造, 即国家对知识产权保护力度加强, 且全民在教育、动漫、艺术等领域的创新能力增强后, 才能让3D打印技术的市场范围扩大。

但与从业者最初的寂寞相比, 如今的3D打印行业毕竟开始变得热闹起来, 市场需求也正在放大。

“我们的感觉很明显。”周建国举例道, 有香港理工大学想与其合作打印房子, 还有客户想找他们打印巧克力, 甚至一些航天航空领域方面的需求量也开始加大。公司已计划在武汉再拿一块地, 扩大生产规模。初步估计, 今年行业增幅可达20%—30%。

经过去年国际和国内的炒作, 当前的中国3D打印市场已被催热。随着SDM (形状沉积成型) 技术变成开放式, 从业者只需订购全套零部件进行拼装, 就可从事3D打印业务。这拉低了行业准入门槛, 自去年下半年来, 有不少民间资本涌入3D打印行业。目前, 国内大多数3D打印企业都与风投接触过, 紫金立德所接触的就不下几十家。

不过, 资本追逐的是快钱。“2010年年初, 欧洲一台小型打印机售价一般在2.5万欧元左右, 行业毛利率约在50%左右。但如今, 很多设备降价至1万多欧元, 行业毛利降至20%左右。”连宁说, “因此, 当这批资本赚一笔后, 今年以来又逐步从市场上退出了。”

3D打印可降低约50%的制造费用, 缩短70%的加工周期, 并能将复杂制造实现设计制造一体化。这是其被看好的理由

对于我国3D打印的现状, 有业内人士反思道:滨湖机电开拓市场的方式相对传统, 主要靠参加行业会议、人际推广为主, 但今年来实施效果不够理想。目前, 受限于资金压力, 公司接到订单后得等到客户缴纳定金后再购买材料、生产、出货等, 交货周期一般达到4个月以上。如果合理解决资金, 公司开拓制件业务后, 市场前景更广。

连宁则认为, 目前困扰3D打印企业的因素, 还包括打印材料的限制。“未来市场需求会更多元化, 会涉及民众工作、生活各个方面所需要的材料。但目前, 专业从事材料研发的企业并不多, 经常遇到材料供应商的困难。且数据获取也是3D产业链的重要一环, 但目前这方面的市场基本也没形成。”

当电视厂商还在为如何让人们看到3D电视大伤脑筋的时候, 3D打印技术已经开始将人们置身于真正的“3D”世界了。从衣服到汽车, 从手枪到飞机, 越来越多的产品正被3D打印机“打”出来。

这是一种基于计算机三维设计模型, 以金属粉末、陶瓷粉末、细胞组织等特殊材料为原料, 最终塑造出实体产品的打印技术。相比传统大工厂制造, 3D打印制造方式用料省、成本低, 大有取而代之的气势。

然而, 慧聪研究ICT事业部负责人张本厚确表示, 3D技术受制于材料、精度、强度等方面的限制, 实际的应用范围可能主要限于小批量、定制化领域特别是其中的模具制造方面, 引领第三次工业革命的迹象暂时不太明朗。

新一轮工业革命“3D打印是在第三次工业革命之内重要的一个环节, 也是重要的领域。”日前召开的3D打印产业技术大会上, 中国工程院院士、中国工程物理研究院研究员徐志磊表示, 这种新型的生产方式能够促成第三次工业革命。

这不是第一次将3D打印上升到第三次工业革命的高度。

今年4月, 英国《经济学人》就曾刊文声称, 传统制造技术是“减材制造技术”, 3D打印则是“增材制造技术”, 具有制造成本低、生产周期短等明显优势, 将与其他数字化生产模式一起, 推动第三次工业革命的实现。

“制造业最主要的一环就是模具, 包括定型、切削, 完全都是手工的, 而且需要反复试验, 定型之后这些模具就失去利用价值了, 耗时较长, 成本较高, 浪费严重。”张本厚说, 3D打印直接从数据生成产品, 而且节材能达到90%。不过, 也有人更加看重3D打印技术对于工厂这种生产方式的颠覆。经过两次工业革命, 将人力、资金、设备等生产要素集中到工厂的生产方式广泛普及。而在3D打印技术广泛运用的情况下, 每个人都将是一个“工厂”式生产中心, 而且更加灵活、投入更少。

制造业弯道超车联想到3D打印对于工业发展的革命性作用, 部分国家已经将其列入了国家发展规划。美国总统奥巴马日前就宣布将投入5亿美元用于3D打印, 确保美国制造业回流。在一向被指责为大而不强的中国, 3D打印更是承载着中国制造实现弯道超车的厚望。

华中科技大学快速制造中心主任史玉升教授认为, 中国制造业产值位居世界首位, 依靠传统技术难以为继, 必须借助3D打印等先进技术。

在中国制造业中, 能够从起步阶段就与世界处于同一水平的, 3D打印技术当属其一。早在2009年, 中国就利用3D打印技术为自主研发的大型客机C919制造了主风挡窗框, 用时从传统工艺的2年缩短到40天, 而且成本不及模具的1/10。“只要能在计算机上设计成三维图形的东西, 无论是造型各异的服装、精美的工艺品, 还是个性化的车子, 如果材料问题解决了, 都可以打印出来。”史玉升还说, 3D打印很大程度上取决于设计人员的想象空间, 一定程度上弥补了中国制造业在设备、技术上的短板。

据悉, 中国今年4月出台的《国家高技术研究发展计划 (863计划) 、国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》中, “3D打印关键技术、装备研制”入选其中, 并将获得不超过4000万元的国拨经费支持。

3D打印的前景或被过分夸大, 从学者到企业, 再到政府。但中国中国发展3D打印技术的决心却是众志成城的。中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军更是直言, 中国有潜力成为世界最大的3D打印市场, 这一市场在未来三年从约10亿元人民币增长到100亿元。

不过, 也有人认为, 由于受到材料的限制, 3D打印的应用范围并没有想象的那么广泛。因为3D打印机必须使用与模型相同的材质, 但并不是所有的材料都可以做成胶水和粉末这些适应打印的形态, 部分能做出来也因为做工昂贵不利于普及。

“另一方面, 传统制造业经历了数百年的积累, 在精益化生产、规模化生产方面优势明显, 3D打印技术能否在精度上达到传统机械加工零件需达到的微米级别, 同时还要以同样高的效率生产出来, 这都是值得商榷的问题。”张本厚说。

此外, 在3D打印引以为傲的成本方面, 虽然减少了切削等环节, 却增加了软件、设计、材料等环节, 如果加上产品合格率低造成的浪费, 实际成本节省还是增加很难一概而论。实际上, 打印成本偏高是不争的事实, 每克成本10到100元, 放在某些行业可能得不偿失。

标准推动3D打印篇7

制造零部件,逐层叠加

现代机械和设备的很多零部件都是通过传统的减量制造生产的,从一块坚固的材料开始,通常是金属材料,在材料上面进行雕琢直到最后生成所需的形状。

而增材制造是通过建立三维目标,在CAD文件(计算机辅助技术)的指示下,这一文件包含了所有必需参数:厚度、形状、轮廓等等,使用逐渐累加层叠的方法,将材料添加进去制造而成的。

发展潜力和挑战

航空航天和军事应用已成为增材制造最具潜力的市场。Mary Kinsella,美国空军研究实验室增材制造集成产品团队的高级制造研究工程师,也是这一团队的领导,已经看到了增材制造潜力的端倪。

“目前,在航空航天领域,主要的结构性增材制造应用于模具、卡具、定制模型和设计迭代,”Kinsella如是说,“增材制造开始通过减少产品交付时间而对所有这些应用施加影响。一些非关键、非结构零件的应用,比如聚合物环境管道,已经在空中翱翔了。”

Kinsella指出通过增材制造技术能够迅速制造出原型零部件,使得更改设计更为快速且经济,她认为增材制造最终会取代零部件的模具制造并且实现零部件的“按需”制造,从而无需保持大量的备件储备。

Kinsella还指出“目前使用在军事系统的很多标准都是专用的,个别企业内部也制定了一些自主知识产权的标准,但是当技术和认知都日趋成熟时,还是需要公共标准来提供一种通用语言用以指导这些没有资源制定相关标准的企业。”

国际合作计划

ASTM F42与包括国际标准化组织(ISO)和美国制造、国家增材制造创新协会在内的国际组织进行合作。

2011年, ASTM和ISO就ASTM F42和ISOTC 261共同制定增材制造标准签订了正式协议。这一协议也标志着两大国际标准组织的合作进入重要里程碑,此后两大国际标准组织将共同制定ASTM和ISO联名标准。也就在同一年,ASTM和美国制造的上级部门美国国家国防制造和加工中心签订了制定增材制造标准的谅解备忘录。

F42在近6年的时间中,已经制定发布了11项ASTM标准,其中包括3项ASTM和ISO的联名标准。这些标准包括一项增材制造文件处理的规范,一项增材制造试样的数据报告指南和一项用于增材制造的金属粉末性能特性指南。所有这些标准为增材制造设备的生产方和使用方在进行零部件设计和使用或是增材制造材料、软件和硬件的检测提供了一种通用语言。

3D打印技术综述篇8

关键词：3D打印,综述,应急维修

近来, “3D打印”这个词在媒体上出现的频率极高, 不但能打印模具、自行车, 还能打印出手枪等武器, 甚至能够打印出汽车、飞机等大型设备装备。作为一种新型制造技术, 3D打印已展现出了十分广阔的应用前景, 不但在交通、医疗保健、军事以及教育等机构得到充分利用, 而且在装备设计与制造、装备保障、航空航天等更多的领域展现出了强劲的发展势头[1]。

1 3D打印的概念和原理

1.1 基本概念

与传统的减法制造工序 (通过对整块材料进行“裁剪”获取想要的形状) 相反, 3 D打印技术是一种增材制造技术 (A d d i t i v e Manufacturing) , 即通过叠加式制造工序, 根据计算机数据, 利用金属、塑料或其它材料逐层自动打印物品, 因此也称作叠加成型技术或快速原型技术[2]。3D打印机是应用3D打印技术来构造物品的设备。3D打印机具有仿真性强、速度快, 价格便宜, 高易用性等优点[3]。

1.2 基本原理

首先在电脑上设计一个完整的三维立体模型 (也称为计算机辅助性设计) , 然后把胶体或粉末等“打印材料”装入打印机, 再将打印机与电脑相连接, 通过打印设备软件读取设计绘图数据, 并将数据传输至3D打印机, 从而控制印刷头的移动与材料输出。在3D打印机工作时, 塑性模型材料细丝与可溶性支撑材料将被加热至半液体状态, 然后通过印刷头输出, 精确地沉积成极其细微的分层, 把“打印材料”和三维立体模型一层层叠加, 最终把计算机上的蓝图变成实物。

印刷头只沿水平方向或垂直方向移动, 模型与支撑材料将自下而上地构造。在构造模型时, 有了支撑材料的承托, 模型的悬挂部分能够顺利完成材料沉积。打印工作完成后, 支撑材料将会自行溶解, 还可按需为模型涂上颜料或者进行其他处理[4]。

1.3 3D打印的特点

(1) 精度高。目前3D打印设备的精度基本都可控制在0.3mm以下。

(2) 周期短。3D打印无须模具的制作过程, 使得模型的生产时间大大缩短, 一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印。

(3) 可实现个性化。3D打印对于打印的模型数量毫无限制, 不管一个还是多个都可以以相同的成本制作出来。

(4) 材料的多样性。一个3D打印系统往往可以实现不同材料的打印, 而这种材料的多样性可以满足不同领域的需要。

(5) 成本相对较低。虽然现在3D打印系统和3D打印材料比较贵, 但如果用来制作个性化产品, 其制作成本相对就比较低了[5]。

2 3D打印技术

2.1 概述

3D打印技术又称作叠加成型技术或快速原型技术。它源于军方的“快速成型” (Rapid prototyping, RP) 技术, 基本原理都是叠层制造。RP技术是当今世界飞速发展的制造技术之一, 诞生于20世纪80年代后期, 是基于材料堆砌法的一种高新制造技术, 被认为是近20年来制造领域的一项重大成果[6]。它集机械工程、CAD制图、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术于一身, 可自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件, 从而为零件原型制作、新设计思想的校验等提供一种高效益、低成本的实现手段[7]。

2.2 主流技术

RP技术以其高集成、高柔性、高速性而得到了迅速发展。

(1) 3D打印成型技术。使用标准喷墨打印技术, 将液态连接体铺在粉末薄层上, 逐层创建各部件。此技术在打印成型过程中不需要使用实体或附加支持, 并且所有未使用的材料都可再利用, 所开发的3D打印成型机具有处理速度快、成本低廉以及应用范围广的特点[8]。

(2) 光固化成型法。以液态光敏树脂为材料充满液槽, 由计算机控制激光束跟踪层状界面轨迹, 使液体树脂固化, 层层叠加, 最终得到一个三维实体模型。特点是原型件精度高, 零件强度和硬度好, 可制造出形状特别复杂的空心零件, 生产的模型柔性化好, 可随意拆装, 是间接制模的理想方法。缺点是需要支撑, 树脂收缩会导致精度下降, 另外光固化树脂有一定的毒性, 不符合绿色制造发展趋势。

(3) 分层实体制造法。或称为叠层实体制造, 是根据零件分层集合信息切割箔材和纸等, 将所获得的层片粘接成三维实体。特点是工作可靠、模型支撑性好、成本低、效率高, 缺点是前、后期处理费时费力, 且不能制造中空结构件。

(4) 选择性激光烧结法。常采用金属、陶瓷、AS塑料凳材料的粉末作为成型材料。特点是材料适用面广, 不仅能制造塑料零件, 还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件, 造型精度高, 原型强度高, 所以可用样件进行功能试验或进行装配模拟。

(5) 熔融沉积制造法。又称为熔丝沉积制造, 是以热塑性成型材料丝为材料, 逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。特点是使用、维护简单, 成本较低, 速度快, 一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型, 且无污染[9]。

以上是一些目前市场上主流的3D打印技术, 除上述技术外, 一些大的3D打印公司在它们的基础上也研发了其他3D打印技术。

(1) Objet Poly Jet MatrixTM技术。该技术由以色列Rehavot高新科技开发区Objet Geometries公司提出, 是3D打印的一个革命性的突破, 可以为普通消费品、电子消费品、汽车及其他制造商就双色注塑模具提供强大的解决方案, 更好地减少成本和降低风险[7]。

(2) Poly JetTM技术。Poly JetTM技术是Ob Jet公司2000年时在全球最先推出的, 先用喷嘴将感光材料以16m的厚度喷涂在基材上, 然后用紫外光固化, 再喷涂一层, 再固化, 如此反复, 直至完成打印。

(3) Ob Jet StudioTM软件。实质上是一个客户端/服务器软件, 可以快速、高效地构造高质量、高详细程度的模型, 可以接受任何三维CAD应用程序的文件, 将其分割, 驱动打印喷头喷出一层层成型材料, 完成模型的构建。

(4) Direct Metal (SLMR) 技术。采用激光烧结粉末成型, 制成的三维模型一般是金属模型, 应用领域比较广, 可应用在医学、航天和高精度工程领域的零部件制作。

(5) Voxeljet Systems技术。也是一种固化成型技术, 成型的模型较大, 适合于交通运输和医学方面的应用[10]。

3 3D打印设备

3D打印设备目前比较出名的公司主要有Z-Corporation公司、3D System公司、Objet Geometries公司和Stratasys公司 (后两者于2012年4月宣布合并) 等[11]。其中3D System公司的实力最强, 代表了3D打印目前的技术水平和未来的发展趋势, 能够为专业人士及类似消费者提供3D打印系统。

3D System公司的3D打印系统可分为个人用户解决方案、专业用户解决方案和工业用户解决方案等。

(1) 个人用户解决方案。主要特点是多功能、低成本, 是入门级产品。Bot Mill是小型的办公类型的3D打印系统, 主要打印一些小的物件。Rap Man主要用于学校教学或爱好者打印塑料模型。3Dtouch也是一款用于教学、家庭和办公领域的小型3 D打印机, 精度为0.125mm, 设备总体质量也只有38kg左右。

(2) 专业用户解决方案。专业版的Pro Jet系列主要针对办公和小型工业设计领域, 包括1000、1500、SD3500、HD3500、6000、7000等, 支持单色和彩色模型的打印。此外还有Zprinter系列的6种3D打印机[12]。

(3) 工业用户解决方案。工业产品解决方案中主要有四种不同的技术。在光固化成型技术方面, 考虑到要满足不同客户的需要, 打印尺寸和配置要求也不同, 机型也略有区别;在选择性激光烧结法方面, 精度可以达到0.08mm, 最大的成型尺寸可以达到550mm (X) *550mm (Y) *750mm (Z) 。在SLM技术方面, 目前有s Pro 125 SLM Printer和s Pro 250 SLM Printer两种机型, 速度为 (5~20) cm3/h, 每层厚度为 (20~100) m, 打印模型大小分别为125mm*125mm*125mm和2 50mm*250mm*320mm。在voxeljet systems技术方面, 有两种机型:VX500和VX800, 打印模型大小分别为500mm*400mm*300mm和850mm*450mm*500mm[13]。

Stratasys公司的Dimension 3D立体打印机由RP技术转化而来, 其成本低于RP技术, 能够测试塑形、适配和功能, 并且在桌面上即可随心所欲地进行设计迭代, 产品原型可经受严格的测试, 不会弯曲、收缩和吸收水分, 使用的ABS塑料在日常环境下比较稳定, 任何形状的零件精度都不会随着时间推移而受到环境条件的影响, 能够制作耐用的功能原型[14]。

另一3D打印大公司Objet公司也具有同样的实力。该公司的产品分为Connex家族 (能够打印多种模型材料) 、Eden系列 (高精度、高品质) 和桌上型产品系列 (实惠普及型系列) [15]。

4 3D打印应用

目前, 虽然对于产品开发和制造来说, 3D打印技术能够带来无限的可能性, 但是大部分的技术应用主要分成概念模型、功能原型、工具制造、制成品四类[16]。随着技术的发展, 3D打印的应用领域在不断扩展。

(1) 医学领域。2011年9月, Object医疗解决方案部门负责人介绍, 其新型材料非常适合3D打印植入手术导板和口腔输送盘。2011年11月, 德国科学家利用3D打印技术成功地研制了人造血管, 用3D打印骨骼、器官模型更是轻而易举的事了。

(2) 工业领域。现代工业中, 很多产品如手机、汽车、飞机等在新产品推出之前要做很多模型和零部件。基于3D打印技术的快速成型, 可以大大减少前期研发的时间, 被越来越多的工业领域所应用。

(3) 个性化领域。随着3D技术的发展, 3D打印可以打印各种各样的日常小模型, 设备也小到可以放到桌面上。如3D System公司的Cube 3D Printer, 可以打印5.5英寸*5.5英寸*5.5英寸大小的立体模型[17]。

(4) 航空航天领域。2012年, 美国宇航局完成了“添加制造仪器”的测试, 该仪器就是利用3D打印技术在太空打印宇航员所需要的模型。这是NASA对太空按需生产能力的投资, 使得3D打印机可以广泛运用于建造空间站部件, 制造航天员使用的工具、卫星甚至航天器等。研发团队认为, 未来在太空利用他们正在制造的打印机可以“打印”出太空所需三分之一的零部件[18]。

(5) 军事领域。3D打印技术应用到军事领域, 一方面可在军事装备开发阶段获取设计的即时反馈信息, 有助于降低成本和提高战技性能;另一方面还可以帮助使用维修人员利用三维模型和3D打印设备, 现场快速生产原型产品 (包括工具、零配件等) , 解决平时维修和战时抢修中可能出现备件携带不足、备件不易购买、再造周期较长、特殊备件成本太高等问题, 提高维修效率, 减轻后勤保障压力, 增强部队的任务持续能力[19]。

5 3D打印的发展趋势

未来5-10年, 随着技术的不断进步及市场需求的扩大, 3D打印将呈现三个方面的发展趋势:一是随着开拓并行、多材料制造工艺方法的采用, 3D打印速度和效率有望获得更大提升;二是随着先进材料的不断发展, 智能材料、纳米材料、新型聚合材料、合成生物材料等成为3D打印材料, 打印材料更加多样化;三是随着技术进步及推广应用, 3D打印设备的价格有望大幅下降[20]。

3D打印诞生后, 早期主要用于汽车、航空航天、机械、医疗、建筑等行业的模型制作。随着其进一步走向成熟, 3D打印已开始用来制造汽车、飞机等高科技含量零部件, 以及皮肤、骨骼等活体组织。专家预计, 在不久的将来, 从鞋、眼镜到厨房用具、汽车整车等各种产品都可以用3D打印机生产出来[21]。

6 结语

3D打印笔篇9

关键词：3D打印,数控加工,切削,工业化生产

1 引言

自上世纪80 年代以来,3D打印技术以逐步进入人们的视野, 现已发展出选择性激光烧结、熔融沉积、分层实体制造和选择性激光熔化成型等多种形式, 在工业设计、模具制造、航空航天和医疗卫生等领域均有应用[1]。目前3D打印技术已经展现出一种极具成本效益的多次迭代设计方式, 在产品研发的初始阶段, 就获得产品设计的即时反馈信息, 便于发现缺陷并及时修改, 不仅有助于降低成本, 而且能缩短产品的上市时间, 对于在产品研发阶段采用3D打印技术的企业来说, 无疑具有明显的竞争优势[2]。

欧美发达国家高度重视3D打印技术的发展, 奥巴马政府视人工智能、3D打印、机器人为重振美国制造业的三大支柱, 其中3D打印是第一个得到政府扶持的产业,并且在航空航天装备制造、生物医学等多技术领域领跑全球。在国内, 众多的研发机构和企业也积极参与3D打印设备的研发, 但总体技术水平落后于欧美。政府部门对3D打印的政策支持力度也不断加大,科技部公布的《国家高技术研究发展计划(863 计划)、国家科技支撑计划制造领域2014 年度备选项目征集指南》, 首次将3D打印产业纳入其中, 工信部联合发改委、财政部也出台了《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016)》的通知, 这一举措也为我国3D打印技术的发展指明了方向。

但在传统的3D打印过程中, 仅有靠单一的打印方式完成最终产品的制造, 大大增加了打印的难度, 导致次品率较高。而在制造行业中, 仍然是依靠切削加工方式获得高精度和高质量的产品, 以数控机床为代表的减材制造装备正不断挑战着复杂、精密类零件的制造极限, 因此可将数控加工技术引入3D打印领域, 形成3D打印与数控加工相结合的产品制造方式, 采取“打印—加工”模式不仅可以降低3D打印的制造难度, 更能大幅提高产品的制造速度。

2 传统3D打印的一般流程[3]

利用传统3D打印技术制造一件产品, 通常要经过三维建模、分层处理、叠加打印和后期处理四个步骤。

(1) 三维建模

一方面可以利用Pro/E、UG、Solid Wroks、3DMAX等软件, 通过三维建模的方式设计出所需的3D模型,另一方面还可利用三坐标测量仪或3D扫描仪, 获取目标对象的三维数据, 并且以采集到的数字化点云为基础逆向生成相应的三维模型[4]。

(2) 分层处理

通常3D打印机并不能直接读取三维模型, 这一过程需要由专门的分层软件来完成, 它将三维模型根据实际需要切分成一层层的切片。切片的厚度与打印速度和打印质量有着密切的联系, 一般来讲切片越厚则打印时间越短, 单产品越粗糙, 越薄则打印产品越精细, 耗费的时间也相对较长。

(3) 叠加打印

由打印机将打印材料逐层喷涂或熔结到三维空间中, 虽然不同类型3D打印机的工作原理的不同, 产品实现方式也有很多种, 但其基本原理无外乎先分层制造再逐层叠加。根据模型大小、复杂程度、打印材质和制作工艺的不同,这一过程需要耗时几分钟到数天不等[5]。

(4) 后期处理

由3D打印直接获得的产品的表面难免会有飞边、毛刺或是较为粗糙的截面, 这就需要对打印出的产品进行后期处理。如打磨、修整、抛光、剥离、喷涂、固化、上色等加工过程。这些处理会使产品的美观性和功能性显著提升, 从而达到最佳的制作效果。

3 熔融沉积式3D打印方法的特点

长期以来3D打印一直受到打印材料的制约, 在国内PP形式与SLA形式的3D打印机的打印耗材成本在1 万元/kg, 昂贵的打印耗材成本使得很多用户望而却步, 这也严重影响了3D打印技术的应用和普及。但熔融沉积式3D打印技术恰好弥补了这一缺陷, 这种类型的3D打印材料价格一般不超过200 元/kg(PLA材料),若采用ABS或PA66 材料则打印成本会更低, 价格在50 元/kg左右。因此, 低廉的使用成本也使得熔融沉积式3D打印机越来越受到人们的关注, 也最有可能首先投放到人们的生产和生活之中。

熔融沉积式3D打印技术通常是先把塑料类的打印材料进行加热熔化, 再从打印喷嘴处以丝状挤出, 按照分层后零件每一层的预定轨迹, 以适当的速率进行熔体沉积打印, 每完成一层, 打印喷头会相对于工作台提升一个打印层高, 进行新一层的叠加打印, 如此反复最终实现所需产品的沉积成型[6]。

采用熔融沉积型式进行产品打印, 由于采用塑料类的打印材料, 材料的配比和性能很好改变, 更加适合灵活多变的打印用途, 此外其低廉的耗材成本和较高的材料利用率也是其他打印方式无法比拟的。但是熔融沉积式3D打印的缺点在于制造精度较低, 不易制造复杂类悬臂零件, 并且加工产品的表面质量不佳。一方面是由于打印层高是由打印喷头出丝的直径决定, 通常最小出丝直径在0.1 ~ 0.4mm之间, 另一方面该打印方式是将塑料类打印材料经熔化后再凝固, 这就使得打印得到的产品存在有一定的内部应力, 从而导致产品质量大大下降,难以用于精度较高产品的制造。因此, 目前该制造方式只适合于中等复杂程度的概念类产品建模和特殊类产品的外状及功能测试, 还不能应用于大型零部件的生产。

4 “打印—切削”联动式3D打印模式

传统熔融沉积式3D打印机存在制造速度慢、产品尺寸小、打印精度低、表面质量差、后续处理复杂等问题,究其原因一方面在于打印喷头的出丝尺寸直接影响到产品的打印精度。按照传统3D打印的理念, 为保证产品的尺寸精度就必须要缩小打印喷头的直径, 而喷头的最小出丝直径决定了被打印工件的精度, 若打印喷头的直径为0.1mm,则工件的最小打印精度也在0.1mm左右。此外在逐层打印过程中,各层之间也会产生分层和纹理,同时过小的打印喷头直径将影响产品的打印速度, 使打印时间延长, 所以这种打印方法仅适合中小型零件的加工, 不宜用于大尺寸工件的制造; 另一方面, 在铸造生产中, 将液态金属导入铸模之后, 随着金属的冷却凝固,铸件难免会发生收缩和变形。而在熔融沉积式3D打印过程中也面临类似的问题, 打印材料由从融化挤出到凝固成型, 材料状态变化引起的收缩导致打印工件内部应力的产生, 进而使得被打印工件发生变形, 并且打印工件越大变形问题越严重。

因此, 传统的打印模式已经严重制约了3D打印技术的发展, 速度慢、尺寸小、精度低、质量差等一系列问题正影响着3D打印技术向实际生产和生活领域的应用和推广。为解决这一问题, 本课题组创新引入数控加工技术, 将传统的“减材制造”与“增材制造”融合在一起, 研制出一种“打印—加工”相结合的新型3D打印模式( 如图1)。该打印模式将产品的制造过程分为3D打印和数控加工两个部分, 即首先进行产品的3D打印,在打印过程中预留出一定的加工余量, 以便进行后续切削加工; 在打印完成后启动数控加工系统, 利用切削刀具去除打印过程中产生的缺陷, 并完成一些难于打印部位的加工, 使被加工零件满足设计和使用要求。

(1) 3D打印过程

在产品的打印过程中, 为提高打印速度、减少打印时间, 将采用“分级打印技术”。在实施打印时, 首先使用打印熔丝直径较小的打印喷头, 对所打印切片层的外形轮廓进行精细打印, 然后根据实际情况切换成熔丝直径较大的打印喷头, 对所完成轮廓内部进行填充打印, 这种打印方式不仅可以很好的保证打印产品的外观质量, 还可缩短打印时间、大大提高打印效率。

(2) 数控加工过程

在产品打印完成后, 启动数控加工功能, 根据实际需求选取相应的切削刀具, 以切削加工方式去除打印过程中产生的飞边、毛刺、拉丝等缺陷, 还可利用该方式完成一些不易打印位置的加工, 如薄壁结构、平面结构、大跨度悬空结构等。同时还可通过工艺调整, 在打印过程中预留一定的加工余量, 以切削加工方式去除打印过程中产生的变形, 起到降低打印难度, 提高产品质量的目的。

在产品制造过程中, 根据产品的结构特征和实际用途,有针对性的调整打印与加工的顺序, 形成“先打印后加工”、“边打印边加工”、“打印后无加工”等多种产品制造工艺,以柔性、高效的方式完成大尺寸、高精度、复杂型产品的制造。

5 数控加工系统具备特点

(1) 以数控铣削装置为基础

为实现对产品的切削加工功能, 必须在原有3D打印机上加入一套数控加工系统。在传统减材切削加工中,铣削加工的适用范围最广, 它可以加工平面、沟槽、内孔、复杂曲面等, 因此本系统将以数控铣削装置为基础,并配有加工刀库, 以便应对不同的加工需求[7]。

(2) 具有工作位置调整机构

在打印和切削加工过程中, 为避免发生运动干涉,需要引入一套工作位置调整机构, 在打印过程中它将数控加工装置收起, 以保证打印过程的顺利进行, 而在数控加工过程中又要将打印装置调整至合适位置, 避免打印机构对切削加工产生不利影响。

(3) 除屑降温功能

在传统金属切削加工中常用到切屑液。它具有清洗、冷却、润滑、防锈等功能, 实现带走切屑、减小切削阻力、降低切削温度、防止工件烧伤、减少表面粗糙度和提高尺寸精度的目的, 保证了产品的加工质量。在对打印出的塑料类产品进行数控切削加工过程中也需要使用类似切削液的物质, 一方面可以带走切削热量, 降低切削表面的温度, 防止发生粘刀和工件熔化的情况, 另一方面可以带走切屑, 保证加工的顺利进行。结合3D打印工艺的特点, 在此采用压缩空气作为“切削液”, 其具有来源广泛、输送方便、无毒害作用等优点, 适用于3D打印的工作环境。但是压缩空气吹起的切屑会产生无规则的飞溅,飞溅起的切屑除了会影响工作区域的整洁外,还可能粘附在工件的表面, 影响下一步的打印过程, 因此还需要引入一套吸尘装置, 对切削产生的残屑进行回收和储存, 即可保证工作环境的清洁又可保证“打印—加工”过程的顺利进行。

6 应用范围及推广价值

本项目研发的新型熔融沉积式3D打印机适用于装备制造业, 借助“打印—加工”相结合的新型3D打印技术, 将长期处于实验室阶段的3D打印拓展到大规模工业生产, 突破了以往仅能打印中小型工件的局面, 使大型工业产品的3D打印制造为可能。在实际应用过程中, 它可为装备制造类企业提供产品开发阶段的单件、小批量试制, 还可用于特殊类产品的订单化生产。针对目前市场及行业情况, 该3D打印机可首先应用于注塑行业, 它将改变注塑类产品的研发模式, 由传统方式:设计→开模→样品制造→模具修改, 变为新方式: 设计→ 3D打印样品→设计修改→开模。

目前国内大多数注塑类产品在开发阶段仍是以开模具为主, 传统的设计样品的制作过程从开模具到注塑生产大约需要一个月,所需费用高达几万元甚至几十万元,这就大大增加了企业的制造成本和研发周期。而借助这种新型的3D打印技术, 以“打印—加工”相结合的方式直接获取设计样品, 非常适用与大型注塑类产品在开模前的试制, 利用新方式完成一件样品的制作只需3—5天, 所需费用不过几千元, 为企业优化设计、改进工艺创造了有力条件, 进一步实现降低研发成本、缩短设计时间、提高企业的市场竞争优势的目的。

7 结束语

(1) 将数控加工系统与3D打印技术相结合, 形成“打印—加工”新型产品制造方法, 在提高加工质量的同时缩短了制造时间。

(2) 依照“打印—加工”模式的工艺要求, 产品在打印过程中需要预留一定的切削加工余量, 便于在数控加工中进行表面修整和缺陷去除。

(3) 为适应新的产品制造方法, 采取“分级打印”的方法, 通过对打印喷头和供料速度的控制, 分别完成外形轮廓打印和内部填充打印, 提高了打印效率。

(4) 在制造速度、产品质量、打印尺寸三个方面突破了传统3D打印机的局限, 将制造水平提高到工业级,真正实现大型工件的高速、高效生产。

(5) 新型的3D打印机可为装备制造企业提供产品开发阶段的单件、小批量试制, 还可用于特殊类产品的个性化生产。

参考文献

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