3D打印算法（共10篇）
3D打印算法 篇1
0引言
3D打印是一种依据零件或物体的三维模型数据,利用成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术,具有广阔的应用前景[1]。3D打印制造技术本质上是通过层层粘接叠加来实现三维实体的制造的,其分层方法对制造精度、成品表面质量和加工效率有着直接的影响[2]。目前常用的分层方法为均匀分层,其算法虽然简单,但无法同时兼顾计算效率和精度。由于分层制造本身存在阶梯误差的固有缺陷,均匀分层导致成品整体阶梯误差不均匀,从而造成局部地方误差过大[3]。为此,研究者们提出了各种自适应分层方法,有曲率算法、面积算法和重复均分算法等。但这些算法均存在计算量大、存储量大、阈值不易确定等缺陷。林俊义[4]以法向矢量入手,直接根据加工精度计算分层厚度,简化了计算。但该算法不可避免地会将模型中小三角面片对精度的影响遗漏掉。李文康[5]在此基础上针对模型特征进行了算法改进,但计算量仍然较大。针对STL模型文件中存在小尺寸三角形的模型部位需要精细打印这一特点,提出基于三角面片法向矢量算法的改进算法。1算法描述及分析
1算法描述及分析
针对基于三角面片法向量分层算法存在忽略小尺寸三角形而导致精度降低的问题,对其进行改进。首先提取与当前切面有交线(或交点)的所有三角面片中对应的法向量,以此确定与分层方向夹角最大的三角面片。依据给定精度和最大夹角,便可求得分层所适合的分层高度,并计算当前所有三角面片在分层方向上的高度差。取上述两个数值的最小值作为当前分层高度值,最终再根据加工设备的精度范围(最小、最大加工层厚)确定分层高度。
1.1分层高度的计算前提
由于分层高度的计算是3D打印制造中的关键步骤,为了减小分层打印存在的阶梯误差,提出在分层高度的选择上采用变高分层。一方面由于三角面片法向量与分层方向的夹角可以反映出模型外表的变化趋势,同时三角面片在分层方向上的高度尺寸一般都大于分层高度,表明当前提取的三角面片可以反映模型的变化趋势,从而可以保证分层精度。另一方面由于STL模型表面中凹凸部位的三角面片均为小尺寸,有时甚至必须进行局部加密来提高该模型的精度[6]。这些部位需要以较小分层高度进行打印,以尽可能地保证分层精度。
1.2STL模型文件信息的提取
STL模型文件是以三角形对三维模型进行表面离散化后得到的数据文件,将曲面模型转化为小三角面片组成的三维多面体模型。它代表的是一个空间封闭的、正确的、有界的、唯一的三维数据模型,其文件中包含了每个三角面片的法矢量和3个顶点的坐标值。
根据STL文件的特点,首先建立一个二维数组,用来存储三角面片信息。将每个三角面片的法向量和它的3个顶点坐标值依次放入一行中。模型文件读取结果便是一个N行12列的数组。在分层时,依据分层高度的Z坐标值与三角面片顶点的Z坐标值的比较来提取出只与该分层层片存在交点的所有三角面片,并存入一个新数组。
1.3三角面片Z向高度差计算
通过对STL模型文件的提取,三角面片的信息已经保存到固定格式的二维数组中。只需提取三角面片最高点和最低点的Z坐标差值便可得到当前面片的Z向高度差。假设最小Z向高度差为Δh1。
假设当前分层为第i层,从新数组中提取第j个三角面片的坐标信息(j取1,2,3,…,k,k为所提出三角面片的总个数),设其最高点Z坐标为Zi,j,max,最低点Z坐标为Zi,j,min,该三角面片的Z向高度差Δhi,j为式(1)。
为了快速提取和对比每个三角面片在Z向的高度差,将高度差值保存到二维数组的第13列中。只需要对比该列数据便得到当前所有三角面片中最小Z向高度差,即Δh1。
1.4分层高度的计算
三角面片与轴正方向的夹角存在以下两种情况,如图1所示。所夹钝角需要进行角度转换。
设αi,j是三角面片与分层方向的夹角βi,j所对应的锐角。如图1所示,当0°≤βi,j≤90°时,αi,j=βi,j;当90°<βi,j≤180°时,αi,j=180°-βi,j。由图1可知,在给定精度的条件下,夹角αi,j越小,得到的分层高度h也就越小;反之夹角越大,分层高度也越大。为了使一层中的各部分都符合给定精度要求,应取其中最小夹角来求得该层的分层高度,记为Δh2。
由上述方法可知,要想得出下一层的自适应分层的计算高度,不需要计算夹角,只需找出当前层所有三角面片法矢量的Z坐标绝对值中的最大值,再由给定精度便可计算出当前层对应的分层计算高度Δh2。
1.5分层高度的确定
对于依据分层高度值提取出来的一组三角面片,通过上述计算可以得到Δh1和Δh2。Δh1反映STL模型在当前分层高度上表面凹凸变化的程度,Δh1越小,小三角面片越多,则越需要降低分层高度来保证成形精度。Δh2反映在给定精度下,三角面片的倾斜程度。Δh2越小,三角面片法向量与轴正方向夹角越小,那么越要以较小的分层高度来减小阶梯误差,来使各个阶梯误差保持一致性,提高模型整体精度。可见,Δh1是对Δh2的补充,更好地保证在模型有凹凸部分上能降低分层高度来提高打印精度,与此同时降低效率和精度之间的对立性。因此,本文选取两者中较小的值作为当前层的分层高度Δh。图2为自适应分层算法的处理流程。
2算法验证
基于MATLAB软件设计了3D打印分层程序,分别实现了等高分层、自适应分层和本文改进的自适应分层这3种算法,并通过模型对比以上3种分层方法的效果。
实验中,模型打印的精度和分层高度范围由用户根据设备能力和打印要求自行输入。这里选取误差精度δ为0.1 mm,模型分层高度范围为0.1~0.4 mm。为了使均匀分层能尽量保持模型阶梯误差的一致性,取其分层高度为最小分层高度,自适应分层和本文所提算法采用相同的分层高度范围和误差精度。不同实例的三角面片数及三种分层算法的切片数见表1。
图3为表1实例3的分层效果展示。其中,图3a是一个手掌的STL模型,其Z坐标的最小、最大值分别为0 mm和943 mm。图3b~图3d依次为均匀分层、自适应分层和改进的自适应分层的分层效果。这3种算法的切片数分别是943,419和426。图3e是以0.22 mm为分层高度对图3a模型进行均匀分层的效果图,其切片数为426。对比图3的各分层图,可得出在保持相当精度的前提下,改进的自适应算法比均匀分层算法的分层数要少得多,而保持相同分层数的前提下,改进的自适应算法比均匀分层算法能更好地保证打印精度。
图4为实例3的分层局部效果展示。其中,图4a是实例3在Z向上70~80 cm的STL模型局部图。图4b和图4c分别为模型对应位置进行自适应分层和改进算法的分层放大图,具体数据见表2。对比表2和图4,可得出改进的算法在模型存在小三角面片的部位增加了分层数,整体精度值变小。这说明改进的算法降低了小三角面片对模型打印精度的影响,从而提高了整体打印精度。
3总结
基于切片算法复杂和不易实现等特点,同时结合STL模型文件具有的模型表面有变化处使用小三角面片来拼接的特征,提出了一种简单易行且能有效保证打印精度的自适应分层方法。通过2条途径分别计算当前层的分层高度,而后与设备打印精度范围进行比较,最后确定分层高度。所给出的切片算法在自适应算法的基础上,通过寻找三角形Z向高度差来反映出当前层所处的模型位置,进而确定是否需要保持较小的分层高度来进行打印,从而更有效地保证了分层误差在允许范围内的一致性。基于MATLAB开发了切片程序,实现了均匀分层算法、自适应分层算法和改进的分层算法,对分层效果进行比对后,验证了改进算法的有效和实用性。
参考文献
[1]史玉升,张李超,白宇,等.3D打印技术的发展及其软件实现[J].中国科学,2015,45:197-203.
[2]HILLER J,LIPSON H.Design and analysis of digital materials for physical 3D voxel printing[J].Rapid Prototyping Journal,2009,15(2):137-149.
[3]PAN X,CHEN K,CHEN D.Development of rapid prototyping slicing software based on STL model[C].Proceedings of the2014 IEEE 18th International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design.Piscataway:IEEE,2014:191-195.
[4]林俊义,黄常标,江开勇.基于STL面片法向矢量的自适应分层算法[J].工艺与检测,2003,(11):67-68.
[5]李文康,陈长波,吴文渊.有效保留模型特征的自适应分层算法[J].计算机应用,2015,35(8):2295-2300
[6]韩婧茹,王玉增,李广亚,等.机械零件快速成型中STL模型优化方法研究[J].组合机床与自动化加工技术,2014,(4):6-8.
便携式3D 解密3D打印笔 篇2
知识扫盲——了解3D打印
3D打印顾名思义就是可以打印出和现实生活中的物体一样的打印技术，它实际上是添加剂制造技术的一种形式。3D打印首先在电脑上预先建立打印物体的3D模型（可以通过3D扫描，或者内置模型建立），接着电脑会将打印指令传输到打印机，3D打印机接收到指令后就会根据模型参数，使用打印机内置的胶管喷嘴将打印材料（包括耗材和介质，如胶水和粉末）按照模型的架构一层层打印并固化，最终形成3D实物（图2）。
让3D随时实现——Polyes Q1打印原理探秘
通过上面的介绍我们知道，传统3D打印主要是由电脑、打印机、耗材组成，在打印之前需要建模，然后再分层打印。而Future Make Technology公司开发的Polyes Q1打印笔外形就像一支大号钢笔，无论是体积还是结构都和传统3D打印机大相径庭（图3）。那么3D打印笔是怎么实现3D打印的呢？
首先来了解一下3D打印笔的组成，通过对3D打印笔的拆解可以看到，常见的3D打印笔的内部结构其实十分简单，主要就是由挤出头（负责将打印材料挤出）、控制马达（调整出料转速），还有温控（负责将材料融化）组成，它的结构和我们日常使用的热胶枪非常类似（图4）。
不过Polyes Q1的结构和一般打印笔略微不同，因为它使用的材料是液体的感光树脂，通过光固化技术实现材料的固化，因此在内部增加了保存液体材料的导管和可以实现光照的LED光源或 UV 光源。
那么Polyes Q1怎么来实现3D打印？如上所述，3D打印实际上是添加剂制造技术的一种形式，打印出来的三维对象是通过连续的物理层建出来的。3D打印笔的工作原理和3D打印机是一样的，它也是通过挤压出特定的耗材，然后在三维空间依次分层涂抹形成三维物体。
因此，Polyes Q1的具体操作就像是我们使用毛笔在空中“画”3D物体，不同的是这根“笔”不用沾墨汁，而是用可以快速成型的感光树脂，当我们“画”出某种形状的物体后，通过感光树脂固定就形成了3D物体。下面以Polyes Q1宣传视频中打印蝴蝶标本为例。
首先要在脑海中规划好这只蝴蝶的形状，接着开启Polyes Q1挤出装置，Polyes Q1里面的感光树脂就会自动流出。由于它使用光固化技术（SLA），当流出的打印液体在内置的LED光源或UV光源照射后，感光树脂会迅速固化成型（图5）。
这样我们可以先“画”出蝴蝶的的支撑，然后按照蝴蝶的形状依次分层涂抹（这个操作就类似3D打印机的分层打印），每次挤出的液体在光照的作用下都会迅速成型（图6）。
这样大家只要按照自己的意愿就可以“打印”出任意3D物体，当然如果是复杂的三维物体，操作者就需要一定的绘画功底，否则可能“打印”出来的就是一些四不像的产品。而且打印的时候一定要根据物体的实际形状规划打印顺序，这样才能打印出完整而且好看的3D物品（图7）。
从上面的操作可以看到，3D笔的打印和传统3D打印非常类似。不同的是，它无需建模（模型存在于用户脑海中，你想打印什么就在脑海中规划什么），打印指令则是你的手势，想打印什么就具体画什么。只要你发挥想象，几乎可以随意“打印”出任何你想要的东西（图8）。
3D打印笔不仅仅是好玩
显然3D打印笔的产品打印由于使用非常简单，而且结构简单、体积小巧，任何人都可以按照自己的意愿去打印任何东西。这对于培养孩子们的创造力当然有很大的帮助，可以让爱动手的每一个孩子都成为创客。
不过3D打印笔并非仅仅好玩。比如对于很多产品设计者来说，他们脑海中经常会闪出各种新奇的创意，如果按常规的思路是按部就班画平面图、生成实际效果图，然后再和自己的创意进行比较。现在如果有了3D打印笔，他们就可以立刻将自己的创意打印出来，看看实际的3D效果是怎么样的。
3D打印算法 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：打出未来？ 篇4
它不仅可以打印一件玩具、一幢建筑，甚至可以打印出人体器官等，这并非天方夜谭，而是一种新兴技术——3D打印。
3D打印技术最早可以追溯到上世纪80年代，但直到2012年，属于它的春天才姗姗来迟。2012年4月，英国《经济学人》认为3D打印技术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；美国也把3D打印技术作为其制造业再次重生的新希望。而在中国，更是力推3D打印技术产业发展规划，在2013年初宣布3D打印产业荣获“国家科技进步奖”，并将其摆在产业领军者的地位。
3D打印外冷内热
3D打印的主要原理是应用粉末状、液态及线性的金属或塑料等可粘合材料，通过多层打印的方式最终可以打印制造出产品，形成数字化制造生产的模式。北京太尔时代科技有限公司（以下简称太尔时代）创始人之一兼总经理郭戈，师从清华大学机械工程系教授颜永年，从事3D打印的研发。他们看到了其中的商业化前景，并于2003年创办太尔时代。郭戈说，“人们说的3D打印在过去叫做快速成型制造，起初主要面向工业级客户。而近几年这一技术已经向快速制造和满足消费级客户的需求进一步发展。”
3D打印最大的优势在于“不需要模具”，并适于“结构复杂、数量不多、但传统技术加工有一定难度”的制造生产。与传统方式相比，3D打印由于不需要生产线，它降低了生产成本，也极大地减少了材料的浪费，用料甚至只有原来的十分之一。目前主要应用于产品设计、快速模具制造、铸造、医学等领域，其中消费电子、汽车、医疗分别占20.3%、19.5%和15.1%。另外，3D打印具有更显著的优势是：有了3D打印，设计师们只需几小时就能将脑子中的创意转化为实物，可以有精力更加专注于设计环节；有了3D打印机，无需仅为一两个小零件花费高昂的成本重开生产线，它可以有效降低小批量生产的成本。全国政协委员、江苏省社会科学院院长、党委书记刘志彪在接受本刊记者采访时表示，“当前对于生产量极少，但却是高度个性定制化的产品，3D打印最能凸显其特性。”
但是，郭戈也谈到，3D打印虽然有很多技术优势，但由于分层制造，台阶效应导致精度不够等，在成型质量方面都会影响客户的体验。另外，3D打印机并不是一个生产型的设备，其研发的高成本导致社会的需求量在整体上仍较低，所以在国内市场的推广应用，依然是一个比较缓慢的进程。
从工业到消费
对于一些概念股的炒作，有些纯属鱼目混珠，而不可讳言的是，能打印各种项目的3D打印技术是有真材实料的。目前，3D打印进入商用时代，在海外3D打印产业链逐渐形成、各巨头攻占全球市场之时，中国本土公司也纷纷试水，争夺制造业新兴生产力的高地。
郭戈回忆说，“太尔时代步入行业领域初创期时，一年可能也就仅有两三百万的销售收入，至此一直在努力降低3D打印的成本。随后太尔时代针对3D打印市场的策略也开始转变。”
在3D打印的产业链上，不仅有像太尔时代这样的打印机生产者，还有上游领域的原材料供应商和相关软件提供商，并有更多的公司在这个新兴行业细分环节试水掘金。由中关村管委会牵头和太尔时代进行3D打印项目合作的北京数码大方科技股份有限公司，在产业链中居于上游，主要负责3D打印大工业数据软件的设计。数码大方品牌总监郑茵女士在接受记者采访时谈到，“虽然我们公司的主营业务是针对大型工业企业用户，但3D打印是未来发展的一个大方向。”在3D打印产业链关键的两个方面分别是体现核心技术的软件和打印机，一方面是新材料的应用。这决定了未来能否实现低成本，影响3D打印市场更广阔的开拓。
面对众多企业投资本进入3D打印产业领域跑马圈地，而资本涌入以及媒体舆论作用，3D打印产业链内竞争力渐强之际，郭戈表示，“或许现在会存在一个泡沫环境，并且依靠一个企业单薄的力量并没有办法来打破它，但是我们目前需要搞清楚，在技术方面，太尔时代是比较领先的，在这样的环境中更要脚踏实地地去开拓市场。”2012年底，美国《MAKE》杂志对现有全球流行的15款个人3D打印机的多个方面做了权威公测，太尔时代的UP！Plus3D打印机在综合排名中高居榜首。
太尔时代市场部经理郭峤表示，“海外市场一直是既成熟又空缺的状态，公司从2010年上市就一直不松懈的主抓这一市场，就目前累计的销售数据来看，个人消费级产品约90%出口至海外市场。”
投资应避免狂热化
“与其过于乐观地说3D打印技术将引领‘第三次工业革命’，还不如说有助于推动产业升级更为实际。”刘志彪说道。3D打印技术虽然会重整发达国家制造业竞争力，但是短期内难以颠覆整个传统制造业模式。他还分析说，对3D打印产业这个正在兴起的成长产业，在实现产业化进程中，还要正视一些亟待解决的关键问题，主要包括：产业市场需求的培育；产业核心技术以及应用材料的革新等。过去发展新兴产业过程中的经验教训证明，一旦政府的全部注意力被某个或某几个热点新兴产业吸引，那么必然造成投资过度、产能过剩和盲目重复竞争，“当前全球3D打印产业尚处于发展的初级阶段，对其过分追捧是不明智的。”
在3D打印产业中进行软件技术开发以及设备生产的相关企业而言，他们更为未来产业市场发展发出急迫的呼吁。郑茵说，“在3D打印相关的厂商之间，更多地需要政府给我们搭台唱戏，使上下游产业链内的厂商可以联合起来，合作并推广，这样才能把产业做大。”
刘志彪认为，“中国已经成为全球制造业最大的国家，以3D打印为主的智能化产业将会彻底改变制造的模式，因此国家更需要着重关注这项产业，否则会在整个制造业模式发生根本性变革的时候，遭到毁灭性的打击。”于是，他在今年两会期间提出了加快3D打印等战略性新兴产业的相关议案。他强调，在个性化需求逐渐占据主导地位的消费时代，3D打印产业化显然会对中国这样的制造业大国产生巨大的影响。
郭戈表示，“上世纪90年代，国家在3D快速成型这方面，投入的资本还比较多。但在2000年之后很长一段时间，国内的研发是比较停滞的。当前，产业链内的相关企业不仅会需要国家政策制度方面的扶持与资本投入，更需要社会资本积极良性地涌入。从国家层面上，更大鼓励一些高精尖设备的发展。当然，实际上调子还不宜提得过高。”
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
3d打印能否改变世界 篇9
“3D打印”这一词语在今年刚出现的时候，它只被很多人当做奇闻异事而已。但随着打印楼房、汽车甚至肾脏的新闻出现，它开始被各路媒体连篇累牍地报道。有关它的各路消息也越来越多，不知是3D打印在这一年确实发展神速，还是媒体将它捧成了明星。
其实，3D打印的概念早在几十年前就已提出。20世纪70年代，随着电脑3D设计的兴起，越来越多的设计师通过电脑软件就能设计三维物体。但要把设计的物体真正制作出来，就需要各类材料、加工技术和专门的工人。一旦需要修改，又得重新制作，费时费力。能不能像打印机那样，直接把模型喷出来呢？基于这一需求，3D打印最初的构想形成了。
1992年，美国斯川塔斯公司卖出了第一台商用3D打印机。它应用计算机软件设计出三维立体建模，然后进行打印。其打印的方法如同高等数学里的微积分一样，把立体的图形切分成无数个切片，打印机获取每个切片的信息进行打印，最后用一层层的切片堆叠出物体。
据亚洲制造业协会CEO罗军介绍，3D打印技术最早被称作快速成型技术。它制作物体的原理与打印机相似。最大不同就是“墨汁”不一样。平面打印机使用墨粉就够了。但3D打印机使用各种各样的材料，包括树脂、尼龙甚至金属。
中科院化学研究所研究员、新材料实验室主任宋延林告诉记者，任何材料只要能够变成半流体，并容易固化，都可以作为3D打印机的“墨汁”，比如沙石、食物甚至细胞。把它们通过高温或者激光的方法抽成丝状，就可以让打印机进行“喷墨”了。
“墨汁”材料的扩展，才使3D打印焕发生机。因为，如果只能用树脂、石膏，不过是方便设计师做模型而已。但各种材料都能使用，3D打印出来的就是实实在在的产品。
2011年9月，世界上第一辆“3D打印汽车”在加拿大亮相。名叫“Urbee”的汽车是一辆三轮、双座混合动力车，使用电池和汽油作为动力。虽然单缸发动机制动功率只有8马力，但由于其小巧轻便，最高时速可达112公里。
目前，打印房屋的试验正在美国南加州大学进行，该校教授比洛克·霍什内维斯说，一旦试验成功，打印一幢200平方米的房子，只需要20小时。
不仅如此，一些机构正在进行打印诸如皮肤、肌肉和血管片段等简单的活体组织的试验，在未来，如果3D打印机能够使用病人自身的干细胞制造出像肾脏、肝脏甚至心脏这样的大型人体器官，那么器官移植后的排异反应将会大幅降低。
如此看来，3D打印对世界的改变和影响似乎会是颠覆性的。无怪乎很多人将其称作第三次工业革命的标志。英国《经济学人》杂志给出了相对客观的评价：“伟大发明所能带来的影响，在当时那个年代都是难以预测的，1750年的蒸汽机如此……1950年的晶体管也是如此。而今，我们仍然无法预测，3D打印将在漫长的时光里如何改变这个世界。”
的确，3D打印在当下生活中能否使用，如何使用才更关系到我们自身。
我在家打印小模型，
他们打印出了飞机部件
3D打印的神乎其神，更多人是听说或者看到。普通人究竟能不能用？在工业制造中，它又运用于哪些方面呢？在宋延林看来，当前的3D打印应用于两个方向：民用方面，把3D打印当做工艺品的一种制造方法；在工业制造领域，则更多的是用来制作模型、模具来简化生产环节。
3000元即可打印
3D打印机有没有，或者是否普遍，问问电商就知道了。在淘宝上查询“3D打印机”，会出现数百条结果，价格从几千元到几万元不等，最便宜的要三千多元。难道，三千多元就能实现在家3D打印么？
杨阳是中软集团的软件工程师，典型的“技术宅”。他在北京参加了一个叫做创客空间的组织，其中一个项目就是3D打印。据他介绍，他们所使用的3D打印机就是几千元的“便宜货”，打个小东西，足够了。
机器只有一个桌子大小，有一个半透明的罩子，它连接电脑，快速“吐丝”，半个多小时的时间，一个塑料扳手就成型了。它不仅仅是个模型，在顶端还能转动，同真扳手一样，只不过是塑料制成的，强度造成其无法使用。
据杨阳介绍，打印这样的扳手，差不多需要一卷塑料。到耗材市场去买，差不多需要一两百元。而这样的打印机，几千元购买也可以，但对于他们这些“极客”而言，自己做出来更有成就。因为，国外早就把3D打印机的关键技术在网上公布了，不乏爱好者自己制作3D打印机。
这样的制作成本，一般家庭足以支付。只要有闲情逸致，打印个水杯、塑料盒还是挺有情趣且实上用的。不过事实上并没有那么简单。
图纸建模是关键
很多人都去关注制作的过程，而忘记了最核心的要素——“图纸”。电脑上需要有扳手的三维建模，才可能打印出来。而这样的建模并不是一般人能够做出来的，因为，并非每个人都能使用3D软件进行图像设计。
“其实，如果有兴趣，也并不太难，”杨阳介绍道，现在有不少国外的相关公司会把各种建模贴到网上，例如Tinkercad等网站。而且，它们使用起来并不复杂，一张照片或其他2D图片，都能通过程序转换成3D图像。还有一款名为Photofly的软件，只要有一张自己的照片，就能把自己生成3D建模，打印一个自己的人偶也并非难事。
虽然看似把3D打印与普通人拉近了一步，但也并不简单。如果没有十足的兴趣，一般的现代人不会花时间去钻研这件事。更何况，只能复制已有的东西，不能天马行空地创造。
杨阳在半年多前就打印过几次，之后再也没玩过。据他自己分析，主要是因为创造性太小，都是拿网上图纸打些已有的东西，自己发挥的东西不多，而且创意也不够。“这个项目里玩得最high的就是学艺术并且会建模的，只有他们才能把自己的创意变成现实，获得成就感。”
国内3D打印已应用于飞机
在我国，早在1991年，华中科技大学就成立了快速制造中心。其中，华中科技大学教授史玉升及其团队凭借对3D打印技术的研发，在2001年就获得了国家科技进步二等奖。中国对于3D打印技术的关注并不晚。
今年10月，由亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学、清华大学等权威科研机构和3D行业领先企业共同发起的中国3D打印技术产业联盟正式宣告成立，成为全球首家3D打印技术产业联盟。
据史玉升介绍，我国在3D打印技术的核心领域已经与美国3D公司，以色列objet公司等国际巨头基本处于同一水平。虽然，民间的使用还有一定差距，但在制造业领域，中国技术已处于世界领先水平，并且广泛应用到航空航天等军事领域和大型复杂构件的一次成型制造。
北京航空航天大学材料科学与工程学院教授王华明担任了中国3D打印技术产业联盟理事长。他和研究团队通过3D打印技术，已研制生产了我国飞机装备中迄今尺寸最大、结构最复杂的钛合金及超高强度钢等高性能关键整体构件，并在大型客机C919等飞机研制生产中得到应用，这在世界尚属首例。
王华明告诉记者，他们所研究的技术叫做激光成型，是3D打印的最高形态。通常来讲，飞机上大型复杂金属构件，需要制定、开模具、锻造等一系列环节。仅仅使用生产模具就需要几十万甚至上百万，并且生产周期也很长。激光成型技术的使用，大规模节约了成本和时间。“特别是钛合金这种很难加工的金属构件，利用激光成型技术能够直接生成一个很精致的毛坯，再进行少量加工，就可以直接在飞机上使用。”
社会化制造挑战“MadeinChina”
相比较中国对于3D打印的关注，国外“动手”更早。2011年6月，美国总统奥巴马就宣布了一项新政策，并向3D打印产业支出5亿美元以提升美国在制造业上的领先地位。不同的是，中国更多用在重工业，而国外有些“不务正业”。
美国加利福尼亚州的LegacyEffect公司，利用3D打印机为电影特效片段制造3D模型和原型，为演员量身定制可以完全适合演员的脸、颈部和头部的道具，在电影《侏罗纪公园》、《阿凡达》、《钢铁侠》以及《复仇者联盟》中都有应用。
日本一家公司推出了面向个人的“Baby复原服务”：只需提供婴儿在母亲肚子里的X光照片，他们便可以将其复原成三维图像后，打印出一个“肚子里的婴儿”模型作为纪念。
2011年巴黎春夏时装展上，荷兰的一位时尚设计师发布了他直接用3D打印机制作的立体服装，这些超太空感的服装由锦纶打印而成。
3D打印的出现，不再依赖人工，没有组装流程，如果成本降低，制造业将被重新定义。专家预测，2020年之前，3D打印机将可以从事小规模生产。若果真如此，社会化制造将对劳动密集型的“MadeinChina”带来极大的挑战。
神奇的家用3D打印机
今年9月，3D打印机制造商MakerBot在曼哈顿和休斯敦开设了两个零售店，推出他们的Replicator2系列打印机。它不是一套复杂的设备，也不需要处理高级软件，而只由一个简单的操作系统驱动，就可以把电脑中的设计图纸变成实物。在店里，基本款的Replicator2售价2199美元，而高端款Replicator2X售价也只需2799美元。在MakerBot的CEO布雷·派蒂斯看来，3D打印机的春天已经来了。他的目标是让3D打印机创造出桌面制造系统。
和最初的桌面出版设备一样，早期的3D打印机还很简陋。但是发展到Replicator2系列，由于配置了更易操作的软件和可选式双层挤压机，它已经可以识别更为多样化的曲线，制作出更复杂的产品，分辨率更高，色彩更丰富，而且质量更有保证。随着3D打印数据库的不断丰富，自由设计图案越来越多，我们可以预测3D打印机带来的桌面制造革命将挑战传统工厂大批量生产的模式。
如今在一些美国牙医诊所，不少定制的口腔设备现在都会用到3D打印机。像调整牙齿排列的口腔防护器，戴上它几个月后就能把牙齿调整到合适的位置，牙医只需扫描牙齿位置就可以利用软件制作一个口腔防护器的塑料模型。而且速度还很快，牙医甚至可以现场使用3D打印机制作出牙齿模型，简单磨制后就能把假牙给你换上。
入门级的Replicator2使用的是一种环保生态塑料PLA。主要成分是玉米淀粉，温度降低的时候不会收缩，因此不需要机器进行太多调整，更方便个人操作。据派蒂斯介绍，“PLA是可降解的，打印时的味道就像奶油蛋糕”。在官网上，PLA是48美元/公斤，够做400颗国际象棋。
虽然你现在可能还想不到买一台3D打印机回家的用处，但是在派蒂斯看来，这就像早期的电脑，在真正使用前没人理解它的魅力。他表示，“你将创造出各种神奇的东西”。这些神奇的东西可能是首饰、智力玩具或者各种古怪的雕塑。孩子们经常会有些奇思妙想，会要一些奇怪的玩具，而使用者将在他们眼皮底下变出来。这也就是为什么刚刚开始出售MakerBot时，有一半以上的用户是程序员，而现在更多的用户是父母。
或许不久以后，也许只需数年，实用的主流3D打印机的市场规模将达到数百万台，消费者在沃尔玛或者好又多之类的超市里就可以买到，或许售价只需99美元。
3d 打印能引发
下一场工业革命？
看起来很美，想起来很炫，用起来并不简单。预想与现实的对比，让人不禁疑惑3D打印技术真的能掀起一场新工业革命么？
至少，美国著名科技杂志《连线》的前主编安德森这么认为。不仅如此，他还用实际行动诠释了这一观点：辞去主编职务，投身于3D打印的创业当中。“3D打印是一件比互联网更重大的事情”，他在新书《造物者：新工业革命》中如此写道。
在接受媒体采访时，安德森说道：“3D打印就像当年的Macintosh（电脑操作系统）一样，会掀起一场技术革命。它将会走入千家万户，成为居家旅行‘必备良品’，我女儿就有一台。当我看到人们用他们惊人的想象力打印出各种成品时，我意识到这是连接我们的想象和现实的新纽带，这就是一场革命。”
安德森在新书签售的演讲中把3D打印机类比1764年的珍妮纺纱机。后者是工业革命的起源，而前者将会是新一次工业革命的起源。他之所以没用惯用的蒸汽机作比方，是因为珍妮纺纱机与3D打印机一样，都基于家庭诞生，是一个历史的循环。
毫无疑问，安德森是3D打印技术的疯狂拥趸。他的观点也遭到了无数人质疑。但其实，无需去想象遥远的未来，就目前现状分析，3D打印至少有着三大瓶颈。
“墨汁”局限打印能力
3D打印不是一项高深艰难的技术。它与普通打印的区别就在于打印材料。
目前，以色列的Object是掌握最多打印材料的公司。它已经可以使用14种基本材料并在此基础上混搭出107种材料，两种材料的混搭使用、上色也已经是现实。但是，这些材料种类与人们生活的大千世界里的材料相比，还相差甚远。不仅如此，这些材料的价格便宜的几百元一公斤，最贵的要四万元左右。
在北京化工大学材料科学与工程学院教授苑会林看来，可打印材料的稀少和昂贵是制约3D打印技术的最大瓶颈。3D打印需要的材料必须是高分子材料，加热或激光照射之后要具有流动性，能够变成流体、半流体，成型之后有能力立刻固化。拥有这样条件的材料目前并不多。
3D打印的发展也体现了“墨汁”的决定作用。当只能使用塑料、石膏的时候，3D打印的应用主要局限在样品模型制作；当它能使用钛合金的时候，也就直接打印出构件使用在飞机上。如果未来几年，土壤、岩石、细胞等都能成“墨汁”，再造一个世界也就成为了可能。
对此，苑会林持相反观点。“尽管，使用材料的范围会扩大，但不会囊括所有。每一个材料都有其自身化学特性，并不是都能实现液化、固化的转换。例如生命科学家想利用干细胞打印器官。干细胞如何液化、固化转换，即使转换成功，还能保证正常机能么？这些预想，我认为都不大可能实现。”
变革仅在工业领域
尽管王华明多年致力于3D打印的研究，并成功完成了科研项目，但他也并不认为3D打印会改变人民生活。
“就我多年跟3D打印技术接触来看，这项技术在工业领域，确切地说，就是在大型关键整体构件的制造方面，带来了革命性的变化。在其他方面，还看不出会带来什么变革，特别是人民生活方面。说它是工业革命，说得太大了。”
即使是在工业领域，3D打印也不是万能的。例如汽车，如果是一整片车盖，使用3D打印技术没问题，但是把整辆汽车打出来，一种材料无法完成；如果是一个部件一个部件地打印，再拼装，那还有什么意义？做个新奇酷品可以，生产使用不可能。
在目前来看，3D打印使用的优势就在于工业中的大型整体构件。仅在这一方面，3D打印也还是刚刚起步，有很多不足。据王华明介绍，3D打印应用在工业领域就要对工艺有着很高的要求，特别是精密机械。“打印出来开不开裂，能不能成型，质量能否达标，性能怎么样，都是未来3D打印技术需要努力的方向，”王华明说道，“更重要的是标准。进入生产领域，技术标准体系就需要建立。从这些方面来看，3D打印才刚刚起步。”
不是人人都需要
从另一个方面来看，3D打印在民间应用所主打的“人人都是制造者”，并不是每一个人的需求。
例如，国外科技网站ZDNet的特约撰稿人弗莫尔斯基就十分不理解在家打印塑料小玩意跟去便利店购买相比，有着多大优势。并不是每个人都有情调，费时费力费钱地制造些小玩意儿能获得满足。更何况，现代人的生活已经够累了，希望一切都是能够买到的，谁还有心思去自己制造。
即使是个有情趣DIY的人，他也不见得精通3D绘图软件，还得求助专业公司；他也许不只想要个塑料制品而已；他可能也不想负担那么多钱。所以，当前在民间应用3D打印的，都是“极客”。未来几年也会是他们。
因此，在目前看来，一个只能制造塑料玩意儿的3D打印机能对我们的生活产生多大的颠覆性影响呢？即使有一天，3D打印成本跟购买商品成本一样低，相信也有很多人去选择购买。
如果从现状来看，硬要说会有什么变革，那就是诸如飞机等大型工业制品成本会降低，机票可能会便宜了。
枪支、武器可能泛滥
如同核反应既能发电，又能破坏一样。3D打印技术在初期就让人们看到了一系列隐忧，而未来的发展也会令不少人担心。如果什么都能彻底复制，想到什么就能制造出什么，听上去很美的同时，也着实让人恐惧。
据国外媒体11月26日报道，一个自称“分布式防御组织”的公司目前正在进行一个名为“维基武器”的项目，这一颇具争议的项目可以设计出全球第一款从网络下载武器设计图，并能够完全利用3D打印机制造出来的设备。现年24岁、得克萨斯大学法律系的大二学生同时也是该组织创始人的科迪·威尔逊宣布，全球第一台可以打印塑料材质武器的3D打印机原型机即将在今年末正式进入测试阶段。目前，在其公司网站上已经能够下载两款枪支的3D打印图纸。其中，AR-15冲锋枪配备了移动部件，与真枪十分接近。
虽然，“分布式防御组织”打印的武器还没有测试使用。但据美国《大众科学》网站消息，一位自称“HaveBlue”的网友在网站发文称自己最近成功打印出真枪的部分组件，并结合真枪其他部件制作成一把枪，还在一个农场进行了试枪。“6米远的地方都能瞄得很准，累计射击200余次，枪身依然完好无损。”HaveBlue颇为自豪地说。
如果他所言非虚，他将成为世界上第一个成功使用打印枪的人。但同时也引起了公众恐慌。如果手枪能够轻轻松松打印并且成功使用，那么人人持有武器的时代就会到来。特别是在中国等大多数公民不能持枪的国家，社会问题将尤为严重。因为，它的步骤太过简单，拥有一台3D打印机，下载一张图纸，购买需要的材料，就可以静待出“枪”。打印枪一出现，立刻启发了网民的思路，手榴弹等制作简单的杀伤武器被纳入了打印的范畴。
不仅仅是武器，一些唯一性的东西，有了3D打印技术也不再安全。比如，手铐的钥匙。前不久，德国的一名警察就通过扫描打印出了手铐的钥匙并成功开锁。当然，对于白领来说也有“福音”，指纹打卡机将会形同虚设。
设计再无秘密
3D打印是“骨子里”的复制，这让靠智慧、设计吃饭的人再次担忧。从网络信息共享时代吃尽苦头的创作人刚刚摸出了赚钱途径，又被3D打印的到来重重打击。3D打印成熟之后，版权问题将层出不穷。
当iPhone第20代出来的时候，山寨厂商扫描一下，打印一下，山寨机就会源源不断。特别是制造业上的巧妙设计，将毫无秘密可言。以设计为主要成本的衣服、鞋子、名牌包将会被山寨得一模一样。把路易威登新出的帆布包，打印成皮包也不是不可能，只要用户购买了合适材料。
即使在当前，打印“墨汁”还没有那么丰富，一些领域的大公司也明显感受到3D打印带来的威胁。那就是游戏模型厂商，例如乐高。现在用塑料3D打印出乐高玩具不是问题，水平高的玩家甚至能自己修改设计，打造出属于自己的乐高。
据报道，前不久，中国发明家协会组织了一些企业到北京计算中心参观3D打印机，大多数人对这一技术不敏感，不觉得它物有所值，唯一产生兴趣的是一家想做山寨眼镜的企业。可见，3D打印技术天生对于山寨有着巨大引力。
“人身攻击”与“异形”
2D时代，偷拍、艳照的泛滥，以及PS技术的移花接木。如果把它们都变成立体的呢？将这些2D作品转换成3D建模并不复杂，再把它们打印出来亦非难事。那么，带有明星脸的充气娃娃将会是宅男们的最爱；也可以把痛恨的人做成沙袋。但问题也就来了，用户的行为是否违法呢？照片毕竟只是一张纸而已，而一模一样的模型着实有些吓人。
前不久，在英国广播公司网站上的一段视频中，美国威克森林大学再生医学研究所教授安东尼·阿塔拉使用一台3D打印机打印出了一块柔软的人类组织。尽管打印器官还处于科学幻想阶段，但在中国科学院北京基因组研究所甄二真教授看来，这个方向在未来是有可能的。
提取人体的干细胞制成“生物墨水”，打印出来，这在生物学家们看来，原理上说得通。如果未来实现，器官捐献将不再需要，人类将会摆脱疾病、残疾。但是，如果我想打印一双翅膀安在身上呢？这些邪恶的想象如果成真，究竟会出现超人还是怪物？
资源大量消耗
3D打印让设计不再是设计师的专利，让生产不再是工厂的专利。人人都可以生产东西。随之而来的就是设计海洋、创意疲劳和信马由缰积极滥造。
环境保护者要头痛了，在自由想象与创造欲望的驱动下，随心所欲地涂鸦将带来灾难性的后果，各种耗材被民间大量使用。大量打印品的出现并快速地更新换代，会对环境造成不小的污染。尽管在制造业领域，3D打印的出现会大大节省成本、节约资源。但普通百姓的大量使用，对资源的消耗将会有过之而无不及。
3D打印鸟喙拯救秃鹰
3D打印算法 篇10
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
[1]WALTER.P&DAVIES.K.3D printing for artists:research and creative practice[J].Journal of the Norwegian Print Association,2010,(1):12-15.
[2]许廷涛.3D打印技术——产品设计新思维[J].电脑与电信,2012,(9):5-7.
[3]王灿才.3D打印的发展现状分析[J].丝网印刷,2012,(9):37-41.
[4]成思源,周小东,杨雪荣等.基于数字化逆向建模的3D打印实验教学[J].实验技术与管理,2015,(1):30-33.
[5]董宇,佟强.数控系统在3D打印领域中的应用[J].科技创新导报,2015,(3):89.
[6]谢毅.熔融沉积快速成型系统的微型螺杆挤出式双喷头设计与研究[D].华南理工大学,2009.