3D打印机器人（共12篇）
3D打印机器人 篇1
摘要：设计了一种新型多输出3D打印机器人,该机器人机构以Delta并联机构为主构型,以Stewart并联机构为辅助构型,在末端执行器上布置多个打印头,实现多输出。根据建立的运动学模型,分析了该机器人机构的运动学反解,得到速度雅可比矩阵,解得各驱动关节的速度和加速度。给定动平台的运动轨迹,仿真分析了机构的运动协调性,并对机构的灵巧性与静刚度进行了分析。
关键词：3D打印机器人,并联机构,雅可比矩阵,灵巧性,静刚度
0 引言
打印材料和设备的不断创新和发展使得3D打印技术在电子产品、汽车、航空、医疗、地理信息及艺术设计等领域得到越来越广泛的应用[1,2,3]。由于3D打印高端RP系统价格昂贵，运行成本高，对环境要求比较高，且需要专人操作和维护，而基于喷射技术的三维打印（3DP）成形技术设备和材料便宜，运行成本低，操作简单，成形过程无污染，打印速度快，且适合办公室环境，可制作精细复杂零件，故基于喷射技术的3D打印技术成为RP行业近几年的研究热点。1993年麻省理工学院（MIT）获3D实体印刷技术专利，为3D打印技术迅速发展提供了平台[1,4]。2005年Z Corp．公司成功研制了基于喷墨技术的高清彩色打印机Spectrum Z510[5]，该公司的Z系列打印机是采用MIT发明的基于喷射黏结剂粉末工艺的3DP设备，其构型均为串联机构，相关研究人员对该3D打印机的打印精度进行了分析[6]。RepRap项目已经发布了4个版本的3D立体打印机，分别为：2007年3月发布的Darwin、2009年10月发布的Mendel、2010年发布的Prusa Mendel和Huxley，这些3D打印机是基于笛卡儿坐标的串联结构打印机[7]。美国Fab@home实验室于2009年研制出第一台具有两个打印头的串联结构开源双色3D打印机Model 2，这种打印机价格便宜、体积小，适合家庭桌面办公[8,9]。最近几年，国内外出现了采用聚乳酸（Polylacitc Acid）材料打印实体模型的并联机构3D打印机，如3D打印Delta机器人[10]等，能够满足一般性产品的打印要求。
现有的大部分3D打印机只有一个打印头一个输出，一台打印机只能生产制造一个产品，不能同时打印多个产品，打印批量产品耗费时间长、生产成本高。本文设计一种新型基于喷射技术的3DP成形技术多输出3D打印并联机器人，其结构以Delta并联机构为主构型，为了确保打印机末端执行器的刚度和运动的精度，通过3组对称分布的平行双联滚珠丝杠副将每根刚性连接杆与定平台连接，构成Stewart并联机构，为动平台提供支撑力，并且通过控制动平台运动时产生的振动提高打印机末端执行器的运动平稳性。"
1 机构的结构描述
设计的多输出3D打印并联机器人样机模型如图1所示。由定平台1、动平台11、3条由滚珠丝杆副7和杆端关节轴承从动杆4组成的运动支链、驱动电机和联轴器8构成Delta并联机构（主体机构）；由3根刚性连杆10、6条由3组双联滚珠丝杆副3和球副5以及连杆组成的运动支链、驱动电机2构成Stewart并联机构（辅助机构）；设置有4个打印头6、4个工作台9。结合以上各部分，整体构成一个闭环系统。
为了简化机构模型，提取图1中机构的一条支链进行具体表达，见图2。ΔA1A2A3与ΔB1B2B3为等边三角形，固定坐标系Oxyz与动态坐标系O1x1y1z1的原点分别为定平台和动平台的几何中心，x轴（x1轴）与OA1(O1B1）共线，y轴（y1轴）平行于边A2A3(B2B3),z轴（z1轴）垂直向上，定平台与动平台的外接圆半径分别为R和r，即|OA1|=|OA2|=|OA3|=R，|O1B1|=|O1B2|=|O1B3|=r，并且R>r。O1Q3过点N3，|O1Q3|=d>R。设计时每组对应的平行双联滚珠丝杆副采用同步驱动，在运动过程中，两根驱动丝杆始终保持平行，限制辅助机构3个转动自由度，该机器人机构只有3个纯移动自由度。
2 运动学分析
2.1 位置反解分析
由向量OAn、AnPn、PnBn、BnO1、O1O构成主体机构的运动支链闭环，n=1,2,3。
在固定坐标系Oxyz中，An的位置坐标为
同样，在固定坐标系Oxyz中，Bn的位置坐标为
根据空间几何关系，令|AnPn|=Lbn，那么，点Pn在固定坐标系Oxyz中的位置矢量可以表示为
由向量OMn、MnQn、QnO1、O1O构成辅助机构的运动支链闭环。在设计时，同步驱动每组双联滚珠丝杆副，因此每组驱动只分析其中一条支链即可。为了不发生干涉，两球副5与刚性连杆连接点之间的距离e应该满足：,e0为平行杆干涉的临界距离。
在固定坐标系Oxyz中，Mn的位置坐标为
同样，在固定坐标系Oxyz中，Qn的位置坐标为
令|BnPn|=La为定长杆的杆长，根据|BnPn|2=La2、|MnQn|2=Ln2建立如下约束方程：
为了满足动平台的运动设计要求，辅助机构每组对称分布的平行双联滚珠丝杠副对应的驱动关节径向输入速度应是一致的，将θn=2(n-1）π/3，γn=(2n-1）π/3代入式（1）和式（2）可得包含6个未知数的6个约束方程：
分析机构的运动学反解，可以确定驱动关节的位移范围，得到机构动平台运动范围即可达工作空间。工作空间的最高点和最低点应满足如下条件：
此时，动平台的几何中心在固定坐标系的z轴上。
给定结构设计参数如表1所示。
mm
结合表1所给的设计参数及所建立的约束方程式（3）和式（4），求得该机构的可达工作空间边界曲面如图3所示。工作空间的最大截面与该截面上外接圆的关系如图4所示，外接圆半径为S。为避免刚性连杆与主体机构滚珠丝杆副的直线导轨发生干涉，刚性连杆的最大水平宽度为h(0<h<R-S）。
给定机构动平台几何中心O1在可达工作空间内的位置坐标，如表2所示。结合式（3）和式（4）求得机构对应输入关节位置的数值解，如表3所示。
mm
根据机构给定的输入范围，求得的4组位置数值解符合设计要求。为了使两种组成机构的运动支链驱动机构动平台同步运动，需要分析输入关节速度和加速度的对应关系。
2.2 雅可比矩阵分析
雅可比矩阵能够将动平台的运动速度与支链各个关节的瞬时运动速度和加速度相关联，这里主要分析驱动关节的运动速度和加速度。将式（1）对x,y,z，θn,Lbn分别求关于时间的偏导数，写成矩阵形式为
式中，J1为主体机构的雅可比矩阵。
将式（2）对x,y,z，γn,Ln分别求关于时间的偏导数，写成矩阵形式为
式中，J2为辅助机构的雅可比矩阵。
由式（5）和式（6）得到多输出3D打印机器人机构的速度雅可比矩阵为
那么有
式中，为驱动关节的瞬时速度。
当给定机构参数以及动平台速度时，由式（8）即可求得各支链驱动关节的瞬时输入速度。同样，其余各个关节的瞬时速度也可以根据此方法求得。
将式（5）和式（6）两边分别求关于时间的偏导数，即可得到加速度模型：
由式（9）可知，各个支链的输入加速度的变化与其处于该位置时的输入速度和加速度都相关。
2.3 运动仿真分析
为了满足打印机末端执行器在工作空间内的运动要求，设定打印机喷头直径为0.4mm，给定一个打印头运动轨迹，如图5所示，为顺时针上升螺纹线，直径为60mm，螺距为0.4mm，圈数为20。根据设计要求，多输出3D打印机器人的4个打印头运动轨迹是一样的，如图6所示。打印头做速度为30mm/s的匀速运动。
用ADAMS软件对建立的多输出3D打印机器人机构模型进行仿真。反求得各个驱动关节的位移、速度和加速度。主体机构3组滚珠丝杆运动副驱动滑块的线位移、速度和加速度随时间的变化曲线如图7所示；辅助机构三组对称分布的平行双联滚珠丝杠副轴向线位移、速度和加速度随时间的变化曲线如图8所示。
分析结果表明，在给定动平台的运动和轨迹时，主体机构和辅助机构的驱动关节位置、速度和加速度随时间的变化曲线是分别对应呈一定相位变化的。这样的变化是由各运动支链在动定平台上的相对位置决定的。将加速度变化曲线（图7c、图8c）与式（9）对比发现，机构不同支链相应驱动关节的加速度变化是一致的。若要实现机构驱动关节协调控制打印机的输出，必须精确控制打印机器人输入电机的运动。
3 运动性能分析
3.1 奇异和灵巧性分析
机器人的可操作度定义为雅可比矩阵及其转置的乘积的行列式的开方[11]，即
当ω=0时，机构处于奇异位置；当ω≠0时，机构处于非奇异位置。用机器人的可操作度来衡量机构的整体灵巧性。结合表1所给参数，给定输入关节变量数值，如表4所示。求得机构的可操作度ω值在工作空间截面z=-400 mm,z=-200mm处的分布，如图9所示。可以看出ω最小值不为0，该机构不存在奇异位置，具有良好的可操作性能。
因为该机构具有3个纯移动自由度，为了更加精确地描述输入偏差对输出偏差的影响，还需用条件数进行评估[11]。当输入存在一定的偏差时，执行末端即动平台也有一定的速度偏差δv，那么：
将式（11）减去式（8）得到：
由式（12）可以得到机构输入与末端执行器的速度v有如下关系：
其中，‖J‖‖J-1‖即为雅可比矩阵的条件数，记为κ（J），且1<κ（J）<∞，κ（J）越大，机构输入速度变化对输出的影响越大；当κ（J)=1时，机构的运动传递性能最好。
目前常用谱范数计算矩阵的条件数定义为
式中，x为任意列向量，其元素个数与J的列数相同。
对式（15）两边取平方可得
‖J‖2即为矩阵JTJ的最大特征值。如果J为非奇异矩阵，那么JTJ为正定矩阵，特征值都为正数。
由此可知，J的谱范数是该矩阵的最大奇异值，，同理J-1的谱范数为矩阵的最小奇异值的倒数，为1/σmin，那么：
在工作空间z=-400mm,z=-200mm截面上，机构条件数随着x、y变化，多输出3D打印机器人机构条件数分布如图10所示，主体机构的雅可比条件数分布如图11所示，辅助机构的雅可比条件数分布如图12所示。
从图10～图12中可以看出，在接近截面的原点处κ值最小，机构的灵巧性最好，在工作空间截面边界处κ值最大，机构的灵巧性降低。多输出3D打印机器人机构雅可比矩阵J的条件数要小于主体机构的雅可比矩阵J1的条件数，稍大于辅助机构雅可比矩阵J2的条件数，具有良好的灵巧性。
3.2 静刚度分析
对于并联机器人，其静刚度是指动平台处的输出刚度，刚度性能指标能评估机构运动关节的输入输出性能[12?13]。一般通过建立驱动传动系统的输入刚度与动平台的输出刚度之间的映射关系求解并联机器人的静刚度问题，在此过程中，假设各杆件是没有柔性的。
令τ=（τ1，τ2，…，τi)T为各个支链中主动副处的驱动力旋量，Δqi为相应关节的变形，χ=diag(k1,k2，…，ki),ki为等效弹簧常数，写成矩阵形式为
机器人机构的速度雅可比矩阵可以表示为
将式（18）用微分形式可表示为
式中，ΔX为动平台的微小变形。
并且定义动平台的等效力旋量F为
可以推导出：
可以看出机器人的刚度矩阵K也是对称矩阵，其结果与机构的驱动刚度和雅可比矩阵有关。因此，机器人机构的静刚度与机器人的位形参数和坐标系选择有关。
利用表1中的设计参数及表4中给定的机构输入参数，选取工作空间截面z=-300mm，取等效弹簧系数k=1000，分析此时机构的静刚度矩阵的特征值随x、y的变化。多输出3D打印机器人机构、主体机构和辅助机构刚度矩阵最大特征值和最小特征值分布如图13、图14所示。
在实际情况中，为了使末端执行器在该工作空间截面上具有更高的精度，最小静刚度要大于某个特定值，一般选用最小特征值表示此位置机构的整体静刚度。从图13、图14中分析可知：(1)在此工作空间截面上，多输出3D打印机器人机构的刚度矩阵的最大特征值远大于主体机构和辅助机构的刚度矩阵最大特征值，说明此处3D打印机器人机构的动平台最大静刚度性能较好；(2)多输出3D打印机器人机构的刚度矩阵的最小特征值大于主体机构和辅助机构的刚度矩阵最小特征值，且远大于0，说明机器人机构相对于主体机构和辅助机构整体静刚度有所增大，能够提供更好的运动稳定性。
4 结论
(1）通过建立的运动学反解约束方程，求得3D打印机器人机构的速度雅可比矩阵，将动平台的运动速度与支链各个关节的瞬时运动速度和加速度相关联。
(2）给定3D打印并联机器人执行器末端的运动速度和轨迹，通过仿真分析可反求得各个输入关节的运动速度，为实现机器人控制提供依据。
(3）结合雅可比矩阵分析可操作度和灵巧性，机构不存在奇异位置，具有良好的灵巧性。
(4）分析刚度矩阵，得到的结果满足设计要求，辅助机构在为刚性连杆提供拉力的同时，还能够提高设计机构动平台的稳定性及刚度。
3D打印机器人 篇2
首先映入我们眼帘的是一米多高的“人民英雄纪念碑”，紧接着是“重庆大剧院”、“骨骼”、“人物雕塑”等等。除了大小其他的简直和真实的一模一样。所有的作品都栩栩如生，看得我们眼花缭乱，不禁感叹这么精致的各类器具、模型居然都是用打印机打印出来的。
看着一个个惊讶的面孔，工作人员陈俊羽老师笑着说：“3D打印是叠层制造，是快速成型技术的一种，它是一种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的技术。像大的.建筑模型都是由许多零部件组装而成的。”
随着参观的深入，我们还了解到3D打印技术的核心领域分为：工业制造领域、生物医疗领域、教育科研领域、创意消费领域、文化创作领域、影视动漫领域等等。3D打印技术不仅可以用于制造航空、航天、汽车模具，还可以制作牙齿骨骼等等。
带着满心的震撼、惊讶、好奇、还有期待，我们来到了3D打印教室。工程师一步一步教我们怎么在电脑上使用三维建模软件。建模完成后，我们就来到3D打印机前，等机器升温到205度，我们用PLA材料打印的“提物器”便诞生了。看着我自己制作的3D打印作品，我的心里别提有多激动了。
3D打印机器人 篇3
来自英国伦敦的未来学家詹姆斯·贝利尼表示，这是一个趋势也是一个信号，2015年这些技术将会加速前进，“未来，我们的家里将充满了各种高科技的设备和智能电器。”
贝利尼是在出席英国电力公司SSE（原苏格兰及南方能源公司）的一个报告发布会上说出上述那番话的。这份名为《未来的家庭》的报告指出，在2015年，人们最想要的产品可能是3D打印机；随后是类人机器人，接着是能与手机相连的智能设备，主要包括恒温器、安全系统以及太阳能充电器等。
3D打印食物渐入佳境
报告指出，3D打印正在掀起一股风潮。现在，3D打印技术不仅能打印机械手臂，还能打印牙齿，甚至食物。
去年7月，美国佛罗里达大学航空航天工程专业的博士生阿尔伯特·曼尼洛使用3D打印技术，只花了7周就为一名6岁的独臂小男孩阿历克斯制作了一个3D打印手臂，价格不到350美元。通过肱二头肌肌肉激活手臂，阿历克斯终于如愿以偿拥抱了妈妈—这是他生平第一次能够用双臂拥抱妈妈。无独有偶，三个月后，两名美国科学家利用3D打印机，别出心裁地给小女孩艾玛（从生下来就不能自如活动身体关节，甚至连自己拿东西吃和拥抱也做不到）“打印”出了一副机械手臂。在机械臂的帮助下，艾玛可以用手拿起玩具，能够自己吃东西，也能和妈妈互相拥抱。
科学家们表示：“3D打印的未来是为人体直接打印活性组织，通俗地说，就是打印耳朵、鼻子、皮肤、牙齿，缺什么就打印什么，不过目前这一技术还在研究阶段，进入实验验证还需要若干年。”
现在，3D打印设备已经开始零售，很多移动应用也应运而生，使用户能制造和购买由3D打印技术打印出来的玩具和公仔。3D打印机的成本也在快速降低，最便宜的不足777美元，且功能多样。
贝利尼说：“3D打印技术被很多人看成是自亨利·福特在20世纪初引入生产线制造以来最大的经济创新。美国航空航天局（NASA）已经开始使用3D打印技术制造火箭零件；他们也在研发技术，希望能用3D打印技术制造飞机舱，为2030年以后进行的载人火星任务服务。”
据媒体报道，总部设在美国德克萨斯州的“系统材料研究公司（SMRC）”已获得NASA提供12.5万美元的补助款，以便研发让3D打印机创造出适合航天员食用的“营养又好吃”的食物。根据该公司的计划，通过数位食谱，3D打印机能混合粉末，制造出在结构与纹理上都跟真品一样的食物，连香味也行，届时航天员或许只要按一下3D打印机按钮，就能享用主菜或甜点。
NASA发言人表示，目前的太空食物营养不够丰富，存放期限也远低于火星之旅所需的5年。目前航天员吃的是军用食物，口味欠佳又过度加工，不仅营养不足，而且，品种也不多，用3D打印技术打印食物除了能用于太空之旅外，也能用来帮助地球上的饥民。
贝利尼说：“3D打印机或许会像上世纪80年代的传真机和微波炉一样，飞入寻常百姓家。打印一款新的智能手机套只需要30分钟，我们还可以用其打印玩具、手柄、围棋以及其他设备，当然也包括食物。营养学家们希望能用3D打印机为老人量身打印食物，从而满足他们个人的营养和口味的需求。尽管我们目前还处于用3D打印技术打印披萨和巧克力的初级阶段，但每个家庭用3D打印机打印出各种食物将不再是一个遥远的梦想。”
家用机器人成香饽饽
SSE公司的研究报告也发现，家用机器人是人们最想要的一款家用产品中的一种，26%的被调查对象强调称，他们希望很快能拥有一款类人机器人。
近年来，随着人工智能技术的急速发展，不仅实现了机器人与人类对答，机器人更能模仿人类的“情感”，打破了昔日的冰冷形象，逐渐登堂入室。多款家居机器人明年起陆续投入市场，开始成为人们日常生活的一部分，甚至改变传统家庭关系。
类人机器人中的翘楚是技术巨头日本本田公司研制出的家用机器人“阿西莫（Asimo）”。据报道，“阿西莫”是全球最早具备人类双足行走能力的类人型机器人，于2000年问世，目前已是第三代，已于2014年年初在欧洲惊艳亮相。最新的“阿西莫”机器人身高1.3米，体重48公斤，不但能跑能走、上下阶梯，还会踢足球和开瓶倒茶倒水，动作十分灵巧。
另据国外媒体报道，日本最大的手机制造商软银宣布，该公司将于今年夏季通过Sprint零售店在美国市场开售人形机器人“Pepper”，这款人形机器人被称为“全球首台具有人类感情的机器人”，其仿造人类的外表设计，市场定位是儿童玩伴。它除了懂跳舞、说笑话，也能通过脸部的激光感应器分析及回应人类情感。“Pepper”已于2月在日本开售，定价19.8万日元（约合人民币10218元），夏季将在美国开售。
另一款备受瞩目的机器人“JIBO”则具备拍照、视频通话、提醒你约会、呈现信息、语音交流等多种功能，其杀手锏在于，它能识别不同的家庭成员，并提供量身定制的服务。比如和孩子玩耍时，“JIBO”能够朗读有趣的故事，甚至会辅以肢体动作，摇头晃脑、眨眼卖萌，尽其所能。“JIBO”预计9月发售。
英国伯明翰大学机械智能高级讲师霍斯相信，未来，机器人会变得更“人性化”。不过，他也担心机器人若走入家居，可能分散家庭内的凝聚力。
贝利尼指出，随着智能手机和手提电脑数量的不断增加，我们要开始见证电视、有线电话以及老式的手提设备传统技术的没落。他说：“2014年是临界点，在英国，传统样式的电视机的总数量首次开始下降，我们发现，有越来越多人会在手提电脑和其他设备上观看电视和电影以及玩游戏。”
他补充道：“在移动时代，固话就像装满沙子的沙漏煮蛋器一样过时。16-24岁的人当中，有三分之一的人；25-34岁的人当中，有26%的人在家里只用手机。而那些超过75%的人当中，这一数字仅为1%。”
很多大型技术品牌也表示，“物联网”对他们产生了巨大的影响，最终，房间内所有的设备和电器都将通过网络联系在一起，而且由单一设备控制。
（本文转自《科技日报》）
3D打印机器人 篇4
3D打印技术也称增材制造技术,与传统的去除材料加工技术完全不同,是通过逐层增加材料来生成3D实体。有人指出,3D打印技术与当今发达的数字技术相结合,再加上互联网的普及以及微小而成本低廉的电子电路的广泛使用,将会打开第三次工业革命的大门[1]。
国内外很多学者对3D打印进行了研究[2,3,4,5],并提出了一种多向打印的概念,这种多向3D打印可以把材料沿着不同方向累积到成形的表面,提高了分层制造的质量,但要求机器人至少具有4个自由度。Lee等[6]设计了一种五自由度的3D打印机器人以实现多向打印。Keating等[7]把3D打印技术和多轴铣等加工技术结合到一起,用六自由度的KUKA KR5sixx R850机器人实现了多功能和多材料的加工。但上述机器人主要采用的是串联机构,串联机构惯性大、误差较大,目前市场上的大部分3D打印机器人都采用的是串联结构,打印出的产品的精度和相对复杂程度都比较低[8]。并联机构因其具有精度高、刚度大、速度快、承载能力强等优点,被广泛地应用,但并联机器人工作空间小,其应用受到了很多限制。目前基于并联机构的多向3D打印的研究相对较少,Song等[9]把Stewart并联机构应用在3D打印上,但是六自由度Stewart机构可以实现的工作空间比较小,不能满足尺寸较大的零部件的加工,且利用率较低。
本文设计了一种新型多向3D打印机器人。为保证多向3D打印机器人末端执行器刚度与运动的精度,采用并联机构,通过4个平行四边形结构与动平台、定平台组成闭环结构;为获得大的工作空间,采用具有可变机构的动平台(铰接动平台)。
1 机构简述
如图1a所示,本文分析的3D打印并联机器人模型由动平台、定平台、支撑杆、驱动滑块、平行四边形连杆、连杆PL和连杆PR组成,连杆PL和PR与支撑杆由复合支链PRPaR连接,其中P表示移动副、R表示转动副、Pa表示由4个R副组成的具有平行四边形机构的复合运动副。动平台与连杆PL和PR通过R副连接,如图1b所示,PL和动平台中间连杆PM之间由转动副R3连接,PR杆和动平台由转动副R1连接。
传统的刚体动平台自身没有自由度,连杆与连杆之间或连杆与动平台之间具有较大的干涉作用,并联机器人的工作空间受到很大的限制。本文分析的并联机器人的动平台区别于传统的刚体动平台,具有一个被动转动关节R2,图1b所示是一种铰接动平台,可以实现绕X轴的转动。由于4个复合支链PRPaR和刚性动平台构成的并联机构(H4)具有三个移动的自由度和一个绕Z轴转动的自由度[10],故本文设计的3D打印并联机器人把铰接动平台与4个复合支链PRPaR连接,可以实现三个自由度的移动和两个自由度的旋转,并把该五自由度3D打印并联机器人命名为2R3T_PM。
2 运动学反解分析
2.1 几何模型
2R3T_PM 3D打印并联机器人的几何模型见图2,定坐标系为ObXbYbZb,动坐标系为OXYZ,O位于动平台的中心,O1、O2和O4分别为运动副R1、R2和R3的中心,O3为连杆PR的中心,且在Y轴上,Ci(i=1,2,3,4)分别表示PL杆和PR杆与Pa的连接运动副的中心,Aj(j=1,2,3,4,5)表示驱动部件运动副中心,Bi(i=1,2,3,4)表示驱动部件与Pa的连接运动副中心。参数l1、l2、l3、r1、r2、r3分别表示BiCi、C1C2、C3C4、O1O2、O1O3、O2O4的长度,r4表示O4到C3C4或O3到C1C2的Z方向上的距离,pj表示驱动滑块在Z方向的位置。
2.2 位置反解
O在定坐标系中的位置为bo=(x,y,z)T,j和i分别表示X、Y瞬时轴,绕X、Y轴的转动可表示为先绕i轴转动角度α,再绕j轴旋转角度β,旋转矩阵分别表示为RY(α)和RX(β),则总的变换矩阵为
O1和O2在动坐标系中的位置分别为
可得O1和O2在定坐标系中的位置分别为
得Ci(i=1,2,3,4)在定坐标系中的位置为
Bi(i=1,2,3,4)的定坐标分别为bbi=(bbxi,bbyi,pi)T,由几何约束条件可得到关系式:
由式(4)可得驱动滑块在Z方向上的位置pi为
bbix和bbiy由几何条件决定,根据设计要求pi应取正值。
引入变量角度δ表示连杆D1E1和Zb方向上的单位向量zb的角度。如图2b所示,转动关节B1的轴线始终与Yb轴平行。D1E1垂直于转动关节B1的轴线和B1C1所在的平面,D1E1的单位向量可以表示为
其中,yb为Yb方向上的单位向量。因此
则p5可由p1表示为
式中,l4为D1E1的长度;l5为D1B5的长度。
给定结构设计参数如表1所示。
mm
3 速度雅可比矩阵
设驱动滑块的速度矢量其中可以用B1转动副的角速度ωΒ1来表示,所以输入的速度矢量动平台输出的速度矢量则它们之间的映射关系可表示为
其中,Jx和Jp分别被称为并联机构的间接和直接雅可比矩阵。根据螺旋理论,动平台相对于基座的瞬时速度旋量V可以写成每条支链中的各个关节的速度以及运动副旋量的线性组合[11]。对于支链k(k=1,2)有如下关系式:
式中,VR为连杆PR上与定坐标系ObXbYbZb的原点Ob瞬时重合的一点的速度旋量;jwi为关节速度值,为第i条支链中的第j个关节的运动副旋量;jsi、jri分别为定坐标系下第i条支链中第j个关节的方向矢量和位置矢量。
3$i是复合关节Pa的单位螺旋,可表示为
其中,是CiFi(CiFi位于平行四边形的平面内且垂直于BiCi,表示复合关节Pa的平移方向)的单位矢量,如图3所示。为了简化被动关节的速度,这里运用反螺旋理论,对于PRPaR运动链,如果考虑1$i是主动关节,则其反螺旋是一个力螺旋1$ir且通过Bi和Ci,表示为
其中,ni为平行于BiCi的单位矢量。如果2$i是主动关节,则其反螺旋2$ir可表示为
式中,为GiCi的单位矢量。
可以根据下式求出:
用式(9)和式(10)与式(8)进行互易积可得
对于2R3T_PM的支链3和支链4,有与式(8)类似表达式:
其中,VL为连杆PL上与定坐标系ObXbYbZb的原点Ob瞬时重合的一点的速度旋量;支链3和支链4的反螺旋同样可由式(9)和式(10)求出,与式(13)求互易积,可得
从式(8)和式(13)中可以看出螺旋VR和VL都表示与Ob瞬时重合点的速度,但分别属于连杆PR和PL。PR和PL的速度可以表示
其中,wR和vR分别表示PR杆的角速度和线速度,wL和vL分别表示PL杆的角速度与线速度。PR杆可以实现三维移动和绕Yb轴转动,所以wR=(0,wy,0)T,wy表示绕Yb轴转动的角速度。PL杆可以实现三维移动,不能转动,因此wL=0,PL杆上各点的速度都相等,所以点O4的速度等于vL。因为O2和O4在同一轴线上,所以O2点的速度等于。化简式(15)可得
因为O1是固定在PR杆上的点,它的速度可以表示为
其中,y为平行于轴Yb的单位向量。相对于PL杆,PR杆可以绕i轴和j轴旋转,即有
其中,wj是绕(O,j)的角速度,由式(16)到式(18)可以看出,VR和VL可以用速度矢量来表示。对式(12)和式(14)化简,得到的关系,用矩阵的形式表示:
式(6)对时间求导可得
4 运动性能分析
4.1 工作空间
机器人工作空间是机器人末端操作器的工作区域,它是衡量机器人性能的重要指标之一。并联机器人工作空间可分为定姿态的位置工作空间和定位置的姿态工作空间。
4.1.1 定姿态的位置工作空间
本文基于Gosselin几何法[12],利用运动学反解来分析2R3T_PM定姿态工作空间,根据杆长约束条件,取Zmin<pi<Zmax(Zmin、Zmax分别表示pi在Z轴方向的最低位置和最高位置,i=1,2,3,4,5)。由以上条件可求出2R3T_PM的定姿态工作空间,如图4所示,其中α、β都为零。
从图4中可以得出,2R3T_PM可以像Delta和H4并联机器人一样有很大的位置工作空间,且该工作空间关于平面YbZb对称,但不关于平面XbZb对称。
4.1.2 定位置的姿态工作空间
同定姿态的位置工作空间分析方法,求出2R3T_PM在定位置bo=(x,y,z)T时的姿态工作空间,图5a~图5d分别显示了bo=(0,0,175mm)T,bo=(0,0,200 mm)T,bo=(0,0,220mm)T,bo=(0,0,240mm)T时的姿态工作空间。
由图5可以看出,当给定驱动滑块在Z轴上的移动范围,动平台原点的位置从bo=(0,0,175mm)T变化到bo=(0,0,240 mm)T时,2R3T_PM并联机器人姿态工作空间逐渐变大。在位置bo=(0,0,240mm)T时,姿态角α的变化范围是-120°~120°,β的变换范围是-180°~180°。所以,当Z取适当的位置时,2R3T_PM并联机器人可以实现大范围的转动,甚至姿态角β在理论上可以实现360°的旋转,克服了并联机器人转动工作空间小的缺点。
4.2 奇异性分析
由速度分析可知,该机构的速度映射包含式(7)和式(21)所示的两部分。其中,式(21)中的奇异可以很容易得到,当δ=0°或δ=180°时,式(21)发生奇异。而式(7)中的奇异位形要复杂得多,根据奇异性的分类,并联机构的奇异是由式(7)中的雅可比矩阵Jp或Jx降秩而导致的。若Jp发生奇异,称为逆运动学奇异;若Jx发生奇异,称为正运动学奇异。
4.2.1 逆运动学奇异
逆运动学的奇异性很容易得出,由于Jp是对角矩阵,故若Jp降秩,则AiCi×ni·1si=0(i=1,2,3,4)或即上述的三个向量都在同一平面或叉乘部分为零,则奇异发生。
显然,这些奇异位置在工作空间的边界位置上,属于边界奇异。
4.2.2 正运动学奇异
由于方程det Jx=0是非常复杂的非线性方程,很难求出其解析解,故本文用矩阵Jx的条件数来判断Jx是否奇异,矩阵Jx的条件数越大,说明机构越趋于奇异位置。由于Jx既包含有移动分量,又包含有转动分量,而不同分量的度量方式不同,因此,需首先将Jx正则化,本研究采用文献[13]提出的特征长度方法。下面所使用的条件数都是通过正则化后所计算出的。
首先,分析在位置bo=(0,0,z)T(z可以取任意值)处的Jx的条件数。图6显示的是β=0,α的变化范围是-120°~120°时,条件数κ(Jx)倒数的变化曲线。从图6中可以看出1/κx存在零点,说明在该位置条件数κx无穷大,是奇异位置。为了使2R3T_PM实现大转角转动,保证在工作空间内正常运动,必须消除奇异位置,本文采用在被动关节处添加冗余驱动的方式,即将冗余驱动添加在关节B2、B3、B4上。图7显示的是添加冗余驱动后κx随α的变化曲线,可以看出,条件数κx在2.50~2.85之间,κx随α的变化曲线变化平稳,没有突变的峰值,完全消除了奇异位置。添加冗余驱动后,κx随β的变化曲线也比较平稳,如图8所示,条件数κx在3.0~3.5之间,不存在奇异位置。下面的运动性能分析都是针对添加冗余驱动后的五自由度3D打印并联机器人的。
4.3 灵巧性分析
为了衡量3D打印机器人运动输入与输出之间的传递关系失真程度,需要对雅可比条件数进行评估[14]。雅可比条件数越大,机构输入速度变化对输出的影响越大,当雅可比条件数等于1时,机构的运动传递性能最好。用雅可比条件数评定具有纯移动或纯转动的机构的灵巧性比较合理,但对于这类既有转动又有移动的少自由度并联机器人机构,无法保证其结论的正确性。因此本文采用文献[15]提出的局部条件指标来分析。
输出速度同时存在线速度V和角速度ω:
于是改写成:
其中,JV和Jω分别表示雅可比矩阵移动部分和转动部分的局部矩阵,据此可以得到矩阵JV和Jω的条件数,分别记为κJV和κJω,它们称为线速度和角速度各项同性指标,分别用来评价机器人线速度和角速度的各项同性和灵巧性,其分布结果如图9、图10所示。
由图9、图10可以看到,在其整个工作空间内,条件数是一个很小的值,变化平稳,没有突变的峰值,保证了机构在整个工作空间内具有良好的灵巧度指数。从图10中可以看到在负Y轴上具有良好的灵巧度指数,y=-50mm时条件数的最大值分别为20和3.6左右,在x取值变化范围内曲线平稳,在设计的时候考虑把2R3T_PM的初始位置定在负Y轴上,以获得更好的灵巧性。
5 运动仿真分析
本文设计的多向3D打印机器人可以实现在已成形的零件上加工另一部分的功能。给定打印头运动轨迹,设定打印机喷头直径为5mm,打印头移动的法线方向如图11所示。用ADAMS软件对2R3T_PM模型进行仿真,反求得各个驱动关节的位移和速度,图12为各个驱动关节的位移和速度随时间变化的曲线。为实现3D打印机器人的运动,必须对驱动关节进行协调控制。
6 结论
(1)本文设计的3D打印机器人2R3T_PM采用五自由度并联机构,可实现多向3D打印。
(2)2R3T_PM采用了铰接动平台,这种新型机构可以像H4和Delta机器人一样实现大范围的移动和转动,解决了一般并联机器人工作空间小,转动能力差的问题。
1.驱动关节1 2.驱动关节2 3.驱动关节34.驱动关节4 5.驱动关节5
(3)2R3T_PM机器人在工作空间内存在奇异位置,通过添加冗余驱动的方式能很好地消除奇异位置,并且添加冗余驱动后的机器人具有良好的灵巧性。
3D打印技术 篇5
3D打印技术，即快速成型技术的一种，它是一种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的技术。3D打印是一种“自下而上”分层添加材料实现快速产品制造的技术，具有制造成本低、生产周期短等明显优势，被誉为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”。
一、3D打印基本概念
传统的切割加工是利用刀具进行材料的切削去除，是一种“自上而下”的加工方式。这种加工方式是从已有的零件毛坯开始，逐渐去除材料实现成型，因此受到刀具能够达到的空间限制，一般很难制造出复杂的三维空间结构。
3D打印技术的成型原理与上述传统方法截然不同，采用材料逐层累加的方法制造实体零件，相对于传统切割加工技术，该方法是一种“自下而上”的制造方法，3D打印的实质是增量制造：“通过增材制造，从零件的电子、数字化描述直接到最终产品的过程”。因此3D打印技术具备两个本质特征：一是数字化模型直接驱动，将产品的数字化模型输入3D打印机，就能直接“输出”最终产品，实现快速制造，不需要制模或铸造；二是基于离散-堆积成型原理的逐层材料添加方式，可成型任意复杂空间结构，具有很高的柔性。
二、3D打印技术的优缺点。
优点：①不需要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；②通过摒弃传统的生产线，有效降低生产成本，大幅减少材料浪费；③可以制造出传统生产技术无法制造出的外形，让产品设计更加随心所欲；④可以简化生产制造过程，快速有效又廉价地生产出单个物品，与机器制造出的零件相比，打印出来的产品的重量要轻60%，并且同样坚固。
缺点：可打印的原材料少、打印精度低、速度较慢、打印成本高。
(3D打印原材料：工程塑料、光敏树脂、橡胶、金属、陶瓷等)
三、3D打印军事应用现状
（1）2012年，美国Sciaky公司的新型电子束3D打印技术取得重要突破，具备大型金属部件加工能力，美国国防部和洛克希德•马丁公司准备将其用于生产F-35战斗机的钛、钽、铬镍铁合金等高价值材料的高品质零部件，前期检测全部达到要求。
（2）3D Systems公司的激光熔融技术取得重要进展，美国空军将在此基础上开发用于打印F-35战斗机和其他武器系统的3D打印机。
（3）美国太空制造公司的太空3D打印技术的成熟度达到6级，具备在太空中的模型或样机演示能力，2012年11月获得NASA的第二阶段合同，进一步将技术成熟度提升到8级，完成实际系-2-统并通过试验和验证，最终具备应用于太空站维修、升级和延寿，载荷升级改进，硬件太空制造等方面的能力，2014年向国际空间站运送首台3D打印机。
（4）早在2002年，美国就开始将激光成型钛合金零件装上战机试验。但由于无法解决制造过程中钛合金变形、断裂等技术难题，美国始终只能生产小尺寸钛合金部件和对钛合金零件表面进行修复。近年，美国积极开展3D打印技术生产大型钛合金部件的研究。美国军方和军工企业正与3D Systems和Sciaky等3D打印技术公司合作，推进大尺寸钛合金3D打印技术在战斗机制造上的应用。
（5）2013年，美国开始使用3D打印技术批量生产喷气发动的燃料喷嘴。在3D打印技术应用于轻型物质制造方面，2013年，美国“固体概念”公司成功制造出世界上首支3D打印金属手枪，能够连续发射50发子弹并保持完好。
（6）维修方面，美国已开始部署基于3D打印技术的维修保障装备。2012年7月和2013年1月，美军部署了两个移动远征实验室，用于装备维修保障。此移动远征实验室是一个20英尺长的标准集装箱，可通过卡车或直升机运送至任何地点，利用3D打印机和计算机数字控制设备将铝、塑料和钢材等原材料加工成所需零部件。此举可以在战场快速生成需要的零部件，甚至快速设计和生产急需的装备，实现及时精确保障。此外，美国陆军开发了一种轻质便宜的3D打印机，可以放到背包中，用于在
-3-战场中快速、便宜地制造替换零件。
（7）我国的激光快速成型3D打印技术已达到世界领先水平。北京航空航天大学已掌握使用激光快速成型技术制造超过12平方米的复杂钛合金构件的技术，并成功应用于武器装备研制，相关成果“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成型技术”获2012国家技术发明奖一等奖。西北工业大学掌握了一次打印超过5米长的钛金属飞机部件的3D打印技术。
（8）我国是世界上唯一掌握钛合金大型主承力构件激光快速成型制造技术并工程应用的国家。北京航空航天大学和西北大学的3D打印技术已成功应用于多个国产航空项目的原型机制造。我国自主研发的大型客机C919的主风挡窗框、大中央翼根肋，正在设计的新型战斗机的钛合金主体结构均采用激光快速成型技术制造。
（9）据报道，歼-10飞机研发用了近10年时间，而运用3D打印技术后，我国在3年时间内就推出了舰载机歼-15，直接跨入第三代舰载战斗机方阵。在我国国防科技装备领域，目前，3D打印技术已被全面应用于歼-20隐形战斗机和歼-31第五代战斗机的研发中。有外媒惊呼，3D打印机正在制造空军发展的“中国速度”。
加快3D打印技术的发展与应用是弥补我国当前武器装备设计、制造与维修保障能力的不足，提升研发效率，降低制造成本，提高维修保障时效性与精度的有效途径。我国3D打印技术在钛-4-合金大型复杂整体构件激光成型等方向居于世界领先地位，但整体水平仍有很大的提升空间。应着眼武器装备长远发展，统筹规划，汇聚各方面力量推动3D打印技术的发展与应用，为实现“能打仗、打胜仗”的目标提供技术支撑。一是将3D打印技术作为我国制造业升级的关键，军民融合、整合资源，集全国之力进行发展；二是针对当前存在的问题，加强材料技术3D打印核心关键技术研究，改变我国核心关键设备受制于人的状况；三是积极探索3D打印技术在武器装备建设中的应用，以应用牵引技术发展方向与重点。
四、3D打印技术的实际应用
（一）开源3D打印枪支的例子
美国得克萨斯大学法律系的大二学生和一群自称分布式防御组织成员的朋友发起了一个项目，称为“维基武器项目”：设计出全球第一款可从网络下载蓝图的枪械，并能够完全利用RepRap这样的开源3D打印机制造出来，然后将之与世界共享。2012年7月，利用3D打印机制造的下机匣组装在一把实用的AR-15步枪上，试射了200发子弹，而下机匣部件未见任何磨损。下机匣尤其引起争议，因为法律上认定它是枪械的主体部件，其销售及分销是受到管制的。有了通过3D打印机制造的下机匣，枪械爱好者将能购买其他不受法律管制的部件并进行组装。2012年12月，对3D打印机出产的AR-15步枪进行了测试，在刚开始的测试射击中没有任何质量问题，但在第六次射击时，枪支三处
-5-涌现分裂。
美国得克萨斯州奥斯汀，科迪﹒威尔逊（法律系25岁学生）演示一支3D打印手枪，可发射一枚子弹。除击针为金属，枪支全部部件为塑料。开源打印枪支使得恐怖主义和社会安全问题变得更为复杂，可能导致枪支泛滥，在政界和民间引发忧虑，因此美国国会众议员史蒂夫﹒伊期雷尔近来呼吁禁止制造3D打印枪。
此外，美国得州“固体概念”3D打印公司设计制造的世界第一把3D打印金属手枪，有30个零件，已经成功射出了50发子弹。该公司打印手枪的目的不是真的为制造手枪，而是要显示3D打印技术在强度和精度方面的技术进步。
（二）3D打印无人飞行器的例子
3D打印技术以其快速成型的特点在产品开发与优化方面具有明显优势。英国南安普顿大学设计和试飞了世界上第一架打印的飞机，采用EOSINTP730尼龙激光烧结打印机。由英国利兹大学学生设计的翼展1.5m的无人机在航展亮相，通过3D打印技术优化结构和空气动力学性能，而用其他方法就很难并且代价昂贵。美国空军也正在应用3D打印机制造无人飞行器。
（三）3D打印隐身斗蓬的例子
DARPA资助的麻省理工学院的3D打印项目之一是梯度折射率透镜（石英）的3D打印。梯度折射率的光学折射率呈梯度变化，其中折射率沿轴向变化的梯度折射率透镜用于消像差；折射-6-率沿径向变化的梯度折射率光纤能够减少色散，用于提高传输信号的速率或通信容量。梯度折射率光学已经成为光学的新分支。隐身斗篷就是采用梯度折射率材料实现的，使入射光线在物体周围偏转并绕开实现隐身目的，是目前光学领域的一个热点，在国际光学权威期刊上多次相关论文。实现负折射率的唯一可能是通过超材料----一种人工材料，之所以具有特殊光或声波性能，不是因为其成分，而是因为其特殊结构，可用3D打印。
（四）3D打印弹头的例子
洛克希德马丁申请的打印弹头的专利，通过逐层添加熔融材料制造弹头结构，高能密度技术可以是激光、电子束、等离子体等，与高冷却速率结合制作均匀微结构，给料可以是丝状或粉末，添加过程中可变材料类型。
（五）3D扫描士兵制作修复假肢的例子
这也是美军计划的一个项目，在士兵投入战场之前对其进行三维扫描，用于3D打印符合士兵个人特性的修复假肢，以备服役期间伤残治疗之需。
（六）3D打印飞机零件的例子
飞机框架传统造工艺需要万吨级重型锻造装备、系列大型锻造模具等。传统制造工艺的材料加工量大，利用率低，加工周期长，成本高。
（七）医学辅助快速原型制造
例如，某患者颅底肿瘤位臵深，肿瘤与颈内动脉、视神经、-7-垂体柄等周边重要结构关系复杂，手术难度十分大。
湘雅医院神经外科，依据患者的CT和MRI（核磁共振）图像建立实际模型，用3D技术打印颅内复杂肿瘤原型，让医生在手术前充分了解脑内肿瘤部位周围组织的毗邻关系，在完整切除肿瘤的同时最大限度地保护肿瘤周围正常组织，降低了并发症和后遗症的发生率。2014年1月4日，手术成功。
（八）人体骨骼快速制造
2012年，生物打印技术的发明者之一，曼彻斯特大学教授Brian Derby在《科学》杂志上发表了综述，阐述了用打印技术生产细胞和组织结构的新进展，以及该技术用于再生医学的前景。Derby教授介绍了利用3D生物打印实验，制造多孔结构骨骼“脚手架”用于生长细胞，之后植入人体。这种“脚手架”包含数千微孔，其中注入造骨细胞。造骨细胞培育生长的同时，“脚手架”生物分解消失。目前世界各地都在对这一技术进行临床试验。
另一种成功的应用是制造钛合金骨骼支架，如3D打印下颚，又如瑞典的一个女孩通过3D打印髋骨移植，摆脱了轮椅。
（九）生物活体器官重造
生物打印(Bioprinting)是用计算机辅助转移工艺制造和装配活性与非活性材料成为给定的二维或三维组织，以生成生物工程结构，可用于再生药物、药理学和基本的细胞生物学研究。
3Ｄ生物打印技术利用类似喷墨打印机的技术，直接生成三-8-维生物组织，3D生物打印机有两个打印头，一个放臵最多达8万个人体细胞，被称为“生物墨”，另一个可打印“生物纸”所谓生物纸其实主要成分为水的凝胶，可用作细胞生物的支架3D生物打印机使用来自患者自己身体的细胞，所以不会产生排异反应。生物打印机与普通3D打印机的不同之处在于，它不是利用一层层的塑料，而是利用一层层的生物构造块，去制造真正的活体组织。
五、部分领域3D打印发展趋势
（一）工业3D打印
1、在生产流程和生产工艺环节对传统传统制造业的全面渗透和覆盖，特别是在铸造、模具行业广泛应用。
2、稳定性、精密度将会大幅提高，材料可以全面突破，成本大幅降低、打印速度将显著提高。
（二）生物3D打印
1、将不再局限打印牙齿、骨骼修复等方面，打印部分人器官将成为常态。
2、整体应用推广将取决于各个国家的政策支持程度。
3、复杂的细胞组织和器官打印还有很多技术难题需要突破。
（三）军事3D打印
1、将实现武器装备半成品制造、现场塑造和部署，根据周围环境和作战目标，优化调整设计参数，实现环境自适应，大大提高武器装备的环境适应能力、伪装效果和作战效能。
2、小批量制造成本低、速度快，显著降低武器装备特别是复杂武器装备的制造风险、缩短研发周期。
3、具备快速制造不同零部件的能力，可有效提升武器装备维修保障的实时性、精确性。
六、3D打印世界之最
世界最大3D打印机：图中这套巨无霸设备名为“big delta”，它高达12米，是专门为进行大型物体3D打印而建造的大型3D打印机。
世界最小3D打印机：这款全球最小的3D打印机名为XEOS，由德国工业设计师Stefan Reichert打造，它的长、宽、高分别为47cm、25cm、43cm，是目前世界上体积最小的3D打印机。
世界首款3D打印跑车：来自美国旧金山的Divergent Microfactories(DM)公司推出了世界上首款3D打印超级跑车“刀锋(Blade)”。整车质量仅为1400磅(约合0.64吨)，从静止加速到每小时60英里(96公里)仅用时两秒，轻松跻身顶尖超跑行列。
世界首架3D打印飞机：“SULSA”是一架使用3D打印机制造的小型无人驾驶飞机，翼展2米，最高时速可达100英里，还配备有微型自动驾驶系统，可用于巡航。这是世界上第一架“3D打印”飞机，日前已试飞成功。-12-
世界最小3D打印魔方：这款微型3D打印魔方来自俄罗斯的艺术家格里高列夫之手，堪称世界上最小的魔方，这个魔方的边长只有1厘米，打破了原为1.2厘米的世界纪录。
世界首款3D打印汽车：Urbee 2是世界上首款完全使用3D打印技术制造的汽车，该车配备三个车轮，动力为7马力（5kW），采用后轮驱动，电力驱动模式下Urbee 2的行驶里程可以达到64公里。
全球首座3D打印桥梁：由MX3D公司负责开发和设计、由Heijmans完成的全球首座3D打印桥梁坐落在在荷兰阿姆斯特丹运河上，这座桥梁将通过3D打印机器人来完成，并且由运河的一端慢慢向另一端完成，而并不像传统建桥方式那样两端同时进行。
世界首座3D打印办公楼：据俄罗斯今日电台网站6月30日报道，迪拜宣布将建造世界上首座3D打印办公楼。计划建造的3D打印办公楼为单层建筑，占地面积约为2000平方英尺(约185平方米)。它将被20英尺(约合6米)高的打印机层层打印出来，办公楼内部也是由3D打印而成。
世界首辆3D打印摩托车：在今年的加州RAPID 2015展会上，出现了全球首辆全功能的3D打印摩托车。除了发动机、各种电子器件、传送带、制动系统及一些螺栓之外，这辆摩托车的其它部分全部都是用ABS塑料打印而成的，而且它可以承载两位成人骑手的重量。
世界最小的3D打印电钻：来自新西兰的技术宅Lance Abernethy做了一个全世界最小的电钻，关键是这个电钻是能用的。整个电钻的内部结构工作原理和普通电钻一模一样，唯一不同的是这个电钻的钻孔是毫米级的。
世界最大3D打印建筑结构：2015北京国际设计周，来自北京市侨福芳草地展区中庭空间的VULCAN，成为世界最大的建筑学意义上的三维打印构筑物，获吉尼斯世界纪录。
世界首台3D打印空调：近日，海尔集团在上海举办的世界家电博览会上展示了一款3D打印出来的空调。海尔宣称，这是世界上首款3D打印空调机。这款空调采用了可定制的3D打印部件，可以让消费者实现功能和装饰上的完美协调。该产品售价6395美元，至于产品的上市日期和定价等细节，海尔暂时还没有透露。
全球首款3D打印金属手枪：美国一家公司制造了全球首款3D金属手枪，而且已经成功发射了50发子弹，手枪的设计出自经典的1911式手枪，这是全球首支利用3D技术打印出来的金属枪。
世界首支3D打印步枪：枪械发烧友“HaveBlue”于2015年在其博客中公布了其3D打印步枪(A.22 步枪)的文档说明书（通过 AR15 论坛），文档中详细说明了打印经历和测试结果，成为首个成功打印出3D步枪并试枪成功的例子。
全球首个3打印酒店：菲律宾一家名为Lewis Grand Hotel（刘易斯大酒店）的四星级酒店宣称要3D打印世界上第一个商业建筑——别墅式酒店。里面的管道、家具、卫浴等生活设施也都是3D打印的，据说这是世界上首个3D打印酒店式别墅。目前这个项目没有完工，其3D打印机仍处于工作状态。
3D涂鸦笔：全球首款3D打印笔 篇6
Have you ever just wished you could lift your pen off the paper and see your drawing become a real three dimensional object？ Well now you can！
3Doodler is the world’s first and only 3D Printing Pen. Using ABS plastic （the material used by many 3D printers）， 3Doodler draws in the air or on surfaces. It’s compact and easy to use， and requires no software or computers. You just plug it into a power socket and can start drawing anything within minutes.
Oh， and it’s also the most affordable way to 3D print by a long way！ With 3Doodler we’re making fun 3D creation accessible to everyone.
有没有想过也许有一天你的笔一离开画纸，你的画能变成真正的3D模型？现在你的愿望成真了！
3D涂鸦笔是全球首款也是唯一的3D打印笔。采用ABS塑料（其用于许多3D打印机），3D涂鸦笔能在空中或物体表面作画。它外观小巧，使用方便，不借助任何软件或电脑。你只需插上电源，几分钟内便可开始作画。
当然，相对于3D打印机来说，它更经济实惠。拥有3D涂鸦笔，每个人都能做出3D物体来。
How does it work？ 它如何工作？
If you can scribble， trace or wave a finger in the air you can use a 3Doodler.
As 3Doodler draws， it extrudes heated plastic， which quickly cools and solidifies into a strong stable structure. This allows you to build an infinite variety of shapes and items with ease！ Most people will instantly be able to trace objects on paper， and after only a few hours of practice you will be able to make far more intricate objects. 3Doodler is a brand new way of creating objects and artistic works.
如果你会涂鸦，会临摹，会在空中挥舞手指，你就一定会使用3D涂鸦笔。
用3D涂鸦笔作画时，它会挤出受热的塑料笔墨，笔墨迅速冷却变成坚硬稳固的结构。这样便能轻而易举地制作各种形状和物件了！大多数人在刚使用时都能直接描画纸上的东西，而只需几小时就能制作更为复杂的物体。3D涂鸦笔是创造物品和艺术品的新方式。
What can I make with 3Doodler？
我能用3D涂鸦笔制作什么？
There are many ways 3Doodler can be used. 3Doodler can be created as flat forms and peeled off a piece of paper as freestyle 3D objects， or in separate parts， ready to be joined together using the 3Doodler. The creative opportunities are endless， including：
Basic 3D shapes and 3D models
Jewellery， pendants and hanging ornaments
Decorative art and fridge magnets
Personalization of everyday objects
And much much more...
3D涂鸦笔有许多用处。它打印出的东西既可以呈现平面图形又能脱离平面成为立体图形，又或者用3D涂鸦笔可以将不同的部分接在一起。展示创意的机会是无限的，包括制作：
传统的3D图形和模型
珠宝，吊坠和挂饰物
装饰品和冰箱贴
日常的个性化物品
等等等等
The Special Arts 特别的手工艺品
Some fantastic wire artists showcase how 3Doodler can be used to create beautiful objects and pieces of art.
一些手工艺品设计师向人们展示了3D涂鸦笔是如何被用来创作漂亮的物品及艺术品的。
3Doodler Components & Accessories 3D涂鸦笔的构成
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The pen： The 3Doodler pen is 180mm by 24mm. The pen weighs less than 200 grams or 7 ounces （the weight of a typical apple）， although the exact weight will depend on the final shell specifications once in production. 3Doodler is not a toy for children （it’s recommended for ages above 12）. While the plastic extruded from 3Doodler is safe to touch once it has left the pen， the pen itself has a metal tip that can get as hot as 270℃.
笔：3D涂鸦笔长180毫米，直径为24毫米。笔重不会超过200克或7盎司（重量和一个苹果差不多），但实际重量会根据出厂后的外壳规格而定。3D涂鸦笔并不是给孩子们的玩具（建议12岁以上使用）。虽然涂鸦笔挤压出的塑料是可安全触摸的，但笔尖处温度可高达270摄氏度。
The Ink （ie ABS/PLA plastic）： The 3Doodler uses 3mm ABS or PLA plastic as its “ink”—just like a 3D printer. Each 3Doodler comes with at least one bag of plastic tubes； each bag will contain ten 1ft strands of plastic tubes； and each 1ft strand produces approximately 11ft of 3Doodling fun. ABS is one of the most common plastics around. PLA is what we call a “bioplastic”. It’s made from corn， is biodegradable and has a lower melting temperature than ABS. 3Doodler plastic has different prices vary from $30 to $55.
墨水（即ABS/PLA塑料）：3D涂鸦笔使用ABS或PLA塑料当作“墨水”——同3D打印机一样。每支3D涂鸦笔配有一包墨水，每包墨水有十支1英尺长的塑料管；每支可创作大约11英尺的3D作品。ABS是最常见的塑料之一。PLA被称为“生物塑料”。它来自玉米，可降解并且熔点比ABS低。涂鸦墨水有不同的价格，从33美元到55美元不等。
3D打印机器人 篇7
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打印机器人 篇8
这货专门配备了一个传感器, 一束用来识别声纹的激光扫过, 总统就开始演讲了, 侧面的播放控制也是用手势感应来激活。他们这些玩儿数字艺术的人想法的确是够创意啊有木有?其实这种记录声音的方式和老式的黑胶唱片的原理是一样的, 就是通过声音所形成的有特殊纹理、凹凸不平的波纹来转换成声音后实现的。但是用3D打印这么“高大上”的手段来实现, 并且正好是总统展望3D打印行业未来时的一段话, 如果3D打印真有了“工业革命”的节奏, 那这货的纪念意义就非凡了。
不过小猫还是接地气的想象, 以后家用的CD音响、MP3、4、5播放器是不是都要弱爆了?家里放个这玩意儿, 既美观又实用, 既然声音可以打, 那视频应该也差不多吧?以后出去旅游回来直接把视频打印成一座雕塑, 照着视频中那样回放一下, 太高大上了简直!
这是小猫第一次挂视频内容, 因为这么有纪念意义的消息不放视频你根本体验不到这个艺术品的魅力。所以一顿研究以后找到了这段视频, 猫友们局域网内可以欣赏一下。
3D打印新风潮 篇9
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。
3D打印瓷杯 篇10
在国外的工业领域, 早就有用3D打印来制造建筑用瓷的企业, 现在, 艺术家也把目光投向了这项革命性技术———利用传统的工艺烧造技术加上无限创意, 就能打造出绝美的瓷器。
西班牙设计师伯纳特·屈尼 (Bernat Cuni) 就借助了3D制瓷打印, 完成了他所谓“每天一个咖啡杯”的计划。 在30 天的时间里, 屈尼每天都会制作出一个稀奇古怪的咖啡杯。 每个杯子从构思、设计、成型到制成, 所花费的时间都控制在24 小时之内。
从概念变身实物, 最重要的是构建现实模型, 整个3D打印过程需要花费大约4小时的时间。 在平铺的瓷粉上的特定区域沉积有机粘结剂, 每建成一层, 在顶部继续添加瓷粉和黏结剂, 直到整个模型完工。之后, 模型将会被送入炉中加热, 这样, 黏结剂就会被固化。 出炉后, 扫掉外层的瓷粉末, 一个实体的模型就算是做成了。被清理掉的瓷粉还可以用于下一个模具的制造。
为了让屈尼的杯子永久地保持住结构外形, 它需要被送入炉子中再用高温“磨炼” 一番。 通过使用一种水性喷雾对其预先上釉, 可以减轻表面的粗糙程度, 然后再进行低温加热, 为最终在表面上釉打下基础。 层层加工之后, 带着亮丽光泽的咖啡杯就修成正果了。
原本只是模型的咖啡杯变成了触手可及的现实事物, 充分体现出了3D制瓷打印技术的可操作性和便捷性。 屈尼制造的咖啡杯虽然在实用性上有所欠缺, 但新鲜的想法和技术带给人耳目一新的感觉。
如果说, 传统制瓷工艺高温烧结的魅力是3D陶瓷打印无法企及的话, 那么3D制瓷打印的造型技术, 却能完成传统制瓷工艺所无法表现的繁复三维结构。
传统的方法中, 制作雕塑要抟泥、塑型, 考验工匠的用刀和对泥土湿度的把握。而3D制瓷打印则是承担了过去手工塑型制模的整个过程。
3D 打印梦想 篇11
我爱上了一个新鲜玩意儿——3D打印，你知道它吗？只要你画出想要打印的物品的平面图，输入打印系统，就可以打印出立体的物品。像不像变魔法？为了更了解3D打印，我还去做了好多研究，等不及要告诉你们啦！
你知道吗
3D就是三维空间，3D打印技术就是在三维空间内打印出立体物品。相对于平面打印（比如把文字和图片打印到一张纸上），它可以让人更直观地观察物体的内部构造。对于我们小学生来说，它可以让我们更快学会立体思维。
看看别人有多厉害
前年，爸爸带我参加了“世界3D打印技术博览会”，这个博览会专门普及3D打印技术，推广3D打印设备和材料，以及分享全世界在这一块的研究成果。我爸爸自己设计制造的一台3D打印机也参加了展会。
对于我这个3D打印狂热爱好者来说，参加这个博览会简直是如鱼得水。我看到了好多有意思的作品，比如我们喜欢的胖乎乎的大黄鸭，形象逼真的手模型，还有各种动物和人物肖像……你可别小看我手上这个小鸭子，它价值几百块钱呢！因为打印材料很贵，像黄金一样是按“克”来计算的。
爸爸告诉我，3D打印技术可不是单纯用来玩的，更多是用在机械零件、珠宝模具制造，以及定制版医疗器官研究制造等领域。比如病人需要一个心脏，但是很难找到正好合适的捐献者。3D打印技术可以根据病人的心脏，打印出另一个一模一样的“心脏”来。当然啦，打印心脏对材料和医疗技术的要求就更高了，目前还在试验阶段。
从爸爸的实验室开始
自从看了这些3D打印的成果之后，我就深深爱上了这个技术，想要知道更多。大家可能要问了，3D打印这么高科技的事情，我一个小学生去哪儿了解呢？我刚好有这个优势，因为我的爸爸是一位大学老师，从事的是材料加工专业，主要研究快速成型制造技术。这3D打印，不就是一种“快速成型”技术吗？
爸爸这几年都在做3D打印的课题，有时候妈妈不在，爸爸被逼无奈只好带我去实验室玩。看到爸爸带着研究生哥哥姐姐们操作3D打印机，我羡慕极了，也想要打印属于自己的3D物品。于是一有机会，我就在实验室里转悠，还真让我发现了好多小细节呢。
原来3D打印机也分很多种类！有几百万元一台的“大块头”，也有和普通打印机差不多的“小个子”。打印的材料特别有意思，它的名字叫PLA，像一卷一卷的彩色面条。（嘿，同学，别吃啊，小心烫！）而且呀，它竟然是从玉米里提取出来的，好环保呢！
我仔细看了爸爸这台3D打印机，它还是一台“实验机”，没有外壳，只是把各种部件结合在一起，像一个丑陋的机器人。但工作时，它很听爸爸的话。我好希望它也能听我的话。爸爸说，要让它听话，首先你得说出让它听得懂的语言，咦，这是什么意思？
3D怎么打印
怎么才能说出3D打印机能听懂的语言呢？那就请电脑帮忙吧！经过观察，我发现3D打印是这样完成的：
第一步，设计。首先要在电脑里设计好你想要打印的物品。感觉第一步就被难倒了……设计是打印的模板，设计得有趣，打印出来才有趣。设计出了错，那打印出来的物品也就惨不忍睹。这个要求我们要有特别强的空间想象力和创意。
第二步，计算。我看到哥哥姐姐们要算好多东西，比如每个部位的尺寸、每一种材料的用量等等，错一点都会功亏一篑（kuì）。原来每一样看似有趣的科技背后，都要经过这些无趣，甚至无比枯燥的准备工作呢！
第三步，打印。打印机开始工作啦，“吱嘎吱嘎”，预热完毕。打印机的底板和喷口温度需要达到200多度，才能把像“玉米面条”一样的打印材料PLA融化。我们需要用镊子小心地把PLA放置在底盘上，当然，这时你可以选择自己想要的颜色。简单说呢，打印的过程就是把PLA材料从固体加温到融化，再凝固成你想要的样子。
我的报告
最近，我们学校开展了“3D打印小创客”兴趣小组，老师让我们通过自己的学习观察去了解3D打印技术。哇，这简直就是为我量身打造的呀！我把自己这几年所了解的整理成了《3D打印技术起源与发展的调查研究》，感觉自己做成了一件有意义的事情，特别开心。
虽然我爱3D打印，但是对自己爱的东西尤其要严格要求，对不对？我的报告中特别写了一些它的缺点，先给大家透露一点吧。
我发现，3D打印机工作速度特别慢，打印一个核桃大的小哨子，就需要半个小时甚至更长的时间。3D打印材料的色彩很少，只有最基本的10种。若是广泛应用到生活当中，10种颜色的世界谁能受得了呢？并且价格如此“高贵”，大家想说爱它也不容易呀！
3D打印技术综述 篇12
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16m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