3D打印技术工艺美术

2024-05-09

3D打印技术工艺美术（精选12篇）

3D打印技术工艺美术篇1

摘要：3D打印技术在现今的社会上已经很常见了,为了让越来越多的人认识3D打印技术,感受科技带来的便捷,本文则以这个为出发点,简析基于3D打印技术的工艺品制作。利用3Dmax软件来建立需要打印的模型,从最初建立起来的框架模型上添加了很多工艺品模型的细节方面,使模型更加的真实化。其制作出的模型有篮球、佛像、人物雕像、鱼嘴笔筒、校徽、长城、杯子、毛泽东雕像等工艺品模型。建立好模型之后就是打印的工作了,通过调节好3D打印机的打印环境后,把已经建立好的模型转换成3D打印机能够识别的格式后进行打印,打印出的成品具有很好的观赏性和实用性。

关键词：3D打印,3D模型,工艺品

1研究的目的及意义

通过3D打印技术的工艺品制作,可以制作出自己想做出的东西,我们现在使用的材料是ABS塑料,但如果条件允许的话,那么就可以造出很多能够使用的东西,使其更加的有意义。这样也能够让很多人去接触这种3D打印的技术,扩宽自己的知识面,同时也能够学到3D模型建立这种技术活。

2技术特色

利用时下流行的3D打印技术,创造出很多奇怪而且新颖的东西出来。人们能够无限的发挥自己的想象力,去建立自己想出来的模型,然后把想象出来的模型用3DMAX软件具体化,用3D打印机实例化,这也是3D打印技术的最大特色。

3技术特色创新点

3.1 3D打印技术。充分利用打印机此现有的资源去创造出更多的东西,通过利用3Dmax软件来建立3D模型,把建立好的模型导入到3D打印机中就可以进行打印了。

3.2 3D建模。3D建模是可以发挥出无限的想象空间,创造出独一无二的模型出来,只有想不到没有做不到的东西。利用3Dmax软件的强大功能,为我们3D建模奠定了软件基础,让我们创造出属于自己的东西。

3.3实物建模。我们在生活当中都会发现有很多很好的东西,都可以把这些当做建模的素材,把现实当中的实物带到3D中来,然后在通过3Dmax软件的再次加工,最终成为能够打印出来的作品,这样与现实世界结合,就能够做出很多美好的东西出来。

4技术创新点

4.1 3DMAX软件技术。3DMAX 2012对渲染效果也做强化与改进,增加了不少渲染效果,而且这些风格化效果还可以在视图与渲染中表现一致。此功能主要是为了实现更多艺术表现手法与前期设计艺术风格的交流所使用的。

3DS MAX 2012里提供了对矢量置换贴图的使用支持,一般的置换贴图在进行转换时,只能做到上下凹凸。矢量置换贴图可以对置换的模型方向做出控制,从而可以制作出更有趣生动的复杂模型。在MAX 2012里MR和IRAY都分别支持矢量置换贴图。

4.2切片软件。切片软件就是把建立好的3D模型给切成一层一层的,3D打印机在打印的时候也是一层一层往上打印的,所以我们得利用切片软件来对模型进行切片化。切片也是有讲究的,切片的时候还要算好支撑物的角度,让模型生成支撑物才能够让3D打印机打印出来。不仅要算好支撑物,还有填充密度和每层厚度,这都影响打印出实物的效果,所以利用好切片软件也是决定了最终打印的实际效果。

5需求分析

5.1任务概述

5.1.1目标。3D打印技术通过3Dmax的3D建模来建立3D图形,然后通过修改和完善最终成为能够打印的模型,导入到3D打印机上,让3D打印机识别后打印。这些工艺品有些是有实用价值的有些是具有观赏价值的。这样不仅能够体验3D打印的过程,也掌握了3D建模的技能。

5.1.2建模、打印环境。3D建模是利用3Dmax软件来完成的,这个软件有很多非常棒的功能,使3D建模变得没有想象中的那么难,只要掌握了这个软件的使用方法就能够建立起很漂亮的3D模型出来。

5.2数据描述

5.2.1静态数据。以每个工艺品的模型为静态数据基础,采用1:1比例进行最真实的设计。

5.2.2动态数据。3DMAX(3D Studio Max),Maya技术完成每个工艺品的三维建模工作,并对这些模型进行再次加工,让细节更加的完美。

5.3流程划分

5.3.1建立3D模型。首先要打印的话,必须要有一个物体的模型,我们利用3DMAX软件来建立3D模型。建立好3D模型之后还要进行线条细节上的优化,使之更符合真实感,符合3D打印机能够打印出的模型。

5.3.2切片处理。3D模型出来以后,就要对这个模型进行切片处理。3D打印机是一层一层的往上打印的,所以我们要利用切片软件来对模型进行切成一层一层的块,让3D打印机能够更好的打印物体。切片的时候还要调整好支撑物的角度、厚度和填充密度,处理后的文件才能够使得3D打印机能够识别。

参考文献

[1]肖永亮.3ds max材质与贴图的设计和制作.电子工业出版社,2009.5

[2]胡迪·利普森.3D打印:从想象到现实.中信出版社,2013.1

[3]火星时代.3ds max&vray室外渲染火星课堂.人民邮电出版社,2014.11

[4]时代印象.3ds Max 2012基础培训教程.人民邮电出版社,2012.6

[5]吴怀宇.3D打印三维智能数字化创造.电子工业出版社,2015.01

3D打印技术工艺美术篇2

SLA/DLP技术

SLA 是“Stereo lithography Appearance”的缩写，即立体光固化成型法。用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。

SLA 是最早实用化的快速成形技术，采用液态光敏树脂原料，工艺原理如图所示。SLA 技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，SLA用原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA 技术成形速度较快，精度高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。

DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。精细度指数★★★★★ 硬度强度指数★★★

FDM熔融层积成型技术

FDM即是Fused DepositionModeling，熔融挤出成型工艺的材料一般是热塑性材料，如ABS、PC、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构－“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。

这种工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC，PC/ABS，PPSF等更高强度的成形材料，使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额最大。精细度指数★★★ 强度硬度指数★★★

3DP技术

3DP即3D printing，采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术，通过将液态连结体铺放在粉末薄层上，以打印横截面数据的方式逐层创建各部件，创建三维实体模型，采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上，模型样品所传递的信息较大。

美国麻省理工大学的Emanual Sachs教授于1989年申请了三维印刷技术（3DP）的专利。这是一种以陶瓷、金属等粉末为材料，通过粘合剂将每一层粉末粘合到一起，通过层层叠加而成型。1993年，粉末粘合成型工艺是实现全彩打印最好的工艺，使用石膏粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等作为材料，是目前最为成熟的彩色3D打印技术。精细度指数★★★ 强度硬度指数★★★ 彩色指数★★★★★

SLS选区激光烧结技术/SLM

SLS选区激光烧结技术，即Selective Laser Sintering，和3DP技术相似，同样采用粉末为材料。所不同的是，这种粉末在激光照射高温条件下才能融化。喷粉装置先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，在采用激光照射，将需要成型模型的截面形状扫描，使粉末融化，被烧结部分粘合到一起。通过这种过程不断循环，粉末层层堆积，直到最后成型。

SLS最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的 Carlckard 于 1989 年在其硕士论文中提出的。后美国 DTM 公司于 1992 年推出了该工艺的商业化生产设备 Sinter Sation。几十年来，奥斯汀分校和 DTM 公司在 SLS 领域做了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的 EOS 公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。激光烧结技术成型原理最为复杂，成型条件最高，设备及材料成本最高的3D打印技术，但也是目前对3D打印技术发展影响最为深远的技术。目前SLS技术材料可以是尼龙、蜡、陶瓷、金属等，SLS技术成型材料的的种类多元化。精细度指数★★★ 强度硬度指数★★★★★

LOM 技术

分层实体制造法（LOM——Laminated Object Manufacturing），LOM 又称层叠法成形，它以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，其成形原理如图所示，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。

LOM 常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造构件或功能件。

该技术的特点是工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高。缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。成形材料：涂敷有热敏胶的纤维纸；制件性能：相当于高级木材；

3D打印技术的未来篇3

如今网络变得非常开放，已成为获取信息的主要途径，电视机、广播和纸媒等传统媒体在其面前都黯然失色。任何只要被人们接触到的信息立刻会被高度传扬出去。

“解放者”是首支利用3D打印技术被广泛制作的手枪。该型号手枪仅需使用商业3D打印机便可制造完成。制造说明由网络卫士/无政府主义者制作发布，步骤非常详细，甚至涵盖了加入一片金属的步骤，以避免触犯美国的《不可探测武器法》（Undetectable Firearms Act of 1988）。无数个测试已经证实，在装配得当的情况下该武器可以发射至少一颗点38口径的子弹。

无须置疑3D打印机的能力，未来只要能用CAD软件画出的东西都可以用3D打印机制作。这种技术的潜力不可估计，同样破坏性的潜力几乎遍布了每个行业。从医学领域到制造业，在增强消费者制造能力的同时也必将颠覆许多正常的自然规律。

然而，去除获得致命武器过程中的阻力有可能会使这些功能性的手枪落在一些容易冲动的人手中。有多少次你已经达到了愤怒的状态？那种愤怒是你觉得什么对你而言都没有任何意义，你感觉几乎要开始杀戮了。当杀人的想法占据着内心，而你无法将自己的怒火平息在可控范围内时，你可能不应该拥有枪支。

在美国有许多关于严格控制枪支立法的讨论，现在集中在禁止有犯罪记录和精神疾病的人拥有枪支。但是应该如何对待那些平时很理性，但可能被愤怒逼得有杀人倾向的人呢？难道禁止获得即兴购买枪支的规定不是一个避免冲动想法伤害到其他人甚至引发恶性犯罪的有效途径吗？如果按一个按钮、组装几个零部件就能够将致命的激动情绪转化为实实在在的犯罪行为而引发更多的犯罪情绪呢？美国国务院似乎计划将制作“解放者”的链接从网络上移除。

在南非，3D打印已经被用于为小孩制作用于替换的手部。甚至美国国家航空航天局（NASA）也已经承认了它的潜力，并且计划制造一个零重力3D打印机，这部机器计划在明年的某个时间带入国际空间站。

伊恩·马尔科姆博士表示，这种技术尚处于萌芽阶段。信息自由的倡导者和枪支倡导者都主张保卫“解放者”设计图在网上的流通，这就像是一场有关互联网自由的战争，他们主张所有的信息不应该被审查，每个人都能够轻易获得。但是我们现在所讨论的不是关闭非法提供下载资料的网站服务器，而是在谈论生命和死亡。枪支只为一个理由存在—射击。

有些人指出可以用3D打印机的高价格来限制业余枪支贩卖者的数量，但是如果有利可图的话，多么高昂的价格也不再是障碍。高额的原材料成本和设备成本并没有阻止毒品工厂的存在。仅仅是因为要拥有自由的权利就去支持制造致命的武器吗？我不确定，但就个人而言，我希望能够完善3D打印技术，将其应用于制造可替换的心脏瓣膜或是为发展中国家生产水净化设备，而不是用于杀人。

来源：techcrunch

3D打印技术工艺美术篇4

一、3D打印技术简介

3D打印技术又称“增材制造技术”, 属于快速成型技术, 是一种以数字模型为基础, 以PLA、ABS或粉末、金属等材料, 通过逐层打印来生成三维实体的技术, 在工业、建筑、汽车、航空航天、医疗和教育等领域具有广泛的应用。3D打印技术与传统的加工技术不同, 在制造过程中不需要刀具和模具, 而是利用三维模型和3D打印机, 通过逐层不断地累积材料, 在空间中直接制造。3D打印的精确度很高, 可以打印出模型的大量细节, 能制作传统方法难以制作的特殊结构。3D打印的制作流程一般分为四个步骤:一是三维建模, 二是模型分层, 三是逐层打印, 四是后期加工。

二、3D打印技术在美术教育中的应用

3D打印技术应用广泛, 可以用于多个学科的教学实践。在中小学美术教育中, 使艺术欣赏变得形象生动、鲜明直观, 使学生更好地理解其内涵, 是达成教学目的的重要途径之一。在美术课堂上, 使用3D打印技术可以让学生将艺术作品的创意和想象打印成实际模型, 以前只能画在纸上的图画变成现实中的三维实物, 可以促进学生对所学内容的理解, 提高学生的综合素质。首先, 有助于美术教学模式的优化。利用3D打印技术开展美术活动课程, 可以在传统美术教育的基础上, 对美术教育的方式带来新的思考。在美术课程中增加新颖的3D打印课程, 可以改变传统的灌输和模仿的教学方法, 以学生为中心, 让学生在课上完成模型设计、实际应用、艺术欣赏、整体评述等过程, 使抽象的美术欣赏变得生动形象。3D打印技术可以提供一个进行素质教育, 培养学生综合能力的重要平台, 让美术教育的课程结构更加丰富, 课程实施更加便捷和开阔。其次, 有助于激发学生的想象力和创造力。在传统的美术教育过程中, 主要注重学生对绘画等二维创作能力的掌握, 而学生对三维艺术作品的创意和想法通常难以实现。利用3D打印技术, 可以给学生提供一个更开阔的创造空间, 使学生的作品不仅看得见, 还能拿得到, 同时发展学生的思维能力和创造能力, 有利于学生的个性化教育。在教学过程中, 要鼓励学生大胆尝试, 不怕失败, 尊重每个学生不同的审美感受和表现力, 帮助学生实现自己的艺术作品, 充分发挥自己的想象力和创造力, 培养学生对艺术和美的追求。再次, 有助于学生参与艺术设计实践。利用3D打印技术, 可以鼓励学生亲身参与艺术实践, 感受艺术魅力, 丰富审美体验, 让学生在实践活动中学习, 具有更好的学习效果。3D打印技术使学生设计的作品不仅仅停留在纸面上, 还可以进行实际的加工和制造, 让学生参与整个作品的完成过程。在3D打印的每个步骤中, 可以进行鉴赏能力和审美能力的培养, 同时拥有视觉和触觉的双重体验, 使枯燥的学习变得生动, 提高学生对艺术作品的整体设计能力, 拓展学生的发散思维。最后, 有助于提高学生的自主学习和团队合作能力。3D打印技术作为一种新兴技术, 对学生具有极大的吸引力, 可以激发学生主动参与学习的动力。所以, 可以开展学生课外自主美术活动, 让学生组成相应的兴趣小组, 自己动手完成艺术作品, 并且进行赏析。这不仅培养了动手能力, 也锻炼了团队协作能力和沟通交流能力。

三、当前3D打印技术用于美术教育的局限性

首先, 缺少多学科联动的顶层设计。目前, 3D打印课程还没有统一的标准, 缺乏顶层设计与系统规划, 需要新的理念和思想, 将科学、工程与艺术等学科进行有效结合, 而不是单独地将各个学科的应用分开, 这样才能发掘3D打印技术在教育方面的深层次应用。其次, 软硬件投入需要加强。当前, 3D打印机的价格虽然在逐渐下降, 但高级设备和耗材仍然比较昂贵, 在投入较低的情况下打印材质和色彩会比较单一, 影响教学和应用的效果。最后, 教师专业知识的要求和技术支持。3D打印的使用需要多学科的知识, 尤其是在软件建模和打印机操作等方面, 对美术教师提出了较高的要求。在课程上, 一方面, 要熟练使用3D打印机进行模型设计和制作, 另一方面, 还要对3D打印在美术教育课程中的应用进行相关的教学设计, 帮助和引导学生展开学习活动, 这需要教师利用更多的时间进行学习和提高。而且, 相应的支持工具、展示工具等方面的技术开发尚未成熟, 需要随着技术的应用和发展逐渐探索。

四、结束语

将3D打印技术与美术教育相结合, 有利于美术教育的课程改革, 优化课堂教学, 充分提高教学效果, 培养学生的综合素质。随着对3D打印技术在美术教育方面的深入研究, 可以预见其未来的应用更加灵活、广泛。

摘要：3D打印技术在美术教育中的应用利于优化教学模式, 激发创造力, 提高自主学习和合作能力。运用时, 也存在缺少多学科联动的顶层设计、软硬件投入不足、教师专业知识和技术支持有待改进的局限性。

关键词：3D打印,中小学,美术教育,综合能力

参考文献

[1]兀旦晖, 赵晨飞.3D打印技术在教学中的应用研究[J].课程教育研究, 2013 (21) .

[2]杨高云.小学“3D打印教育”课堂教学设计研究[D].上海师范大学, 2014.

3D打印技术教案篇5

一、教学目标

1.知识与技能

(1)扩大学生的知识面,开阔视野。(2)培养学生独立思考的能力,培养学生的发散思维。

(3)培养学生的协作精神。2.教学重点: 过程与方法

通过学生课前搜集资料,师生课堂共同介绍了解3D打印技术,学生进行讲解和展示,培养学生独立学习思考的能力,通过对3D打印技术立场的讨论,培养学生的发散思维。

3.教学难点:

如何用最简单直观的方法讲解、了解科技前沿的知识。

4教学流程

4.1利用多媒体先入为主,激发兴趣,导入内容请同学们观看电影《十二生肖》中的一段场景,(成龙戴着手套摸了一下兽首,瞬间铜像数据就被远程传输到了电脑里,随即一个一模一样的兽首铜像被“打印”了出来。)请问你认为电影中的场景实际生活中能实现么？这种技术叫3D打印技术。对大多数同学来说,这项技术是很陌生的,今天我们就通过本节课揭开3D打印的神秘面纱。

4.2教师简单介绍:3D打印的实际操作过程到底是怎样的,当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时,如何解决难题。给大家准备了两段视频,下面给大家展示一下，视频一:卡通人物打印过程。学生观看视频后讨论其打印过程,并根据自己的理解进行讲解,之后由师生总结用液体打印物体的方法。视频二:打印金属的过程。学生观看视频后讨论其打印过程,并根据自己的理解进行讲解,之后由师生总结用粉末打印金属的方法。教师的专业指导:光固化,光辐射固化技术包括紫外光、微波、红外光、激光等的辐射固化,它们利用光的波动性产生激发分子,且波长越短,穿透能力越强,固化效果越好。另一种是电子束、χ射线、γ射线等对聚合物的辐射固化,它们是利用光的粒子性,不仅产生激发分子,而且还产生电离。因此,这两类辐射固化的机理不同。目前研究最多的也是紫外光固化和电子束固化这两种方式。教师的拓展性提问:3D打印技术有望在以下几个行业中得到广泛使用:传统制造业、医疗行业、文物保护、建筑设计行业、配件饰品行业。在这些行业中你觉得可以如何使用3D打印技术？下面请同学们大胆想象展开讨论。之后由教师展示PPT。(1)3D打印的食品:面包、巧克力、蛋挞等。

(2)3D打印的房屋:英国3D打印房屋,采用纤维尼龙结构作为骨架,来代替实心的墙体。房屋组件采用激光烧结的生物塑料,这比用沙子或混凝土印制的质量更好。

(3)全球首辆3D打印汽车时速可达112公里,该款汽车并非玩具,而是真能开在路上跑的家伙。

(4)3D打印足球鞋:蒸汽激光爪(VaporLaser Talon Boot),运动品牌NIKE公司就设计出了一款3D打印的足球鞋。整双鞋只有150多克重。能提升足球运动员冲刺能力。

(5)其他方面:美国3D打印枪支、3D打印机制作钢铁侠的手套、3D打印笔。(6)医疗方面:使用3D打印出人的头骨,来替代患者原本高达75%已受损骨骼。此

外还有3D打印的肝脏组织,耳朵,骨骼,血管等人体器官。

问题思考的逐步深入:3D是否能够打印人体,讨论其可行性。说明3D打印的两面性。(1)将来的工业革命。(2)过于神话。(3)新瓶装旧酒。这个环节一定要让学生们充分的展示自己的思想,立场问题不存在答案的对与错,鼓励大家积极的开展讨论与交流。比如:3D打印的发展也会遇到他的瓶颈期,例如材料的限制,如果将纳米技术与3D打印技术结合,将会有更新的突破和发展。延伸:4D打印的思想已经诞生,第四维度指的是时间。让打印出的物体有智慧,随时间推移自我变化„„最后,通过本节课同学们的收获和感悟是什么,让大家谈谈自己的感想。学无止境,科学创造也是无止境的。希望同学们在今后的学习生活中,把你的视野放得的更宽,思路扩的更广。

5教学反思依据本节课的教学目的:扩大学生的知识面,培养学生独立思考的能力,培养学生的发散思维,培养学生的协作精神,锻炼学生查阅资料的能力。因此，上课前对学生布置课前准备工作,要分工明确具体。例如,对3D打印的简介这种简单的问题,完全可以留给学生完成;而3D打印的展示,网络

资源丰富,可以调动学生自主查找相关图片和视频,制作PPT,并在课堂展示,这样在个别环节采用学生的参与取代老师的讲解,充分调动学生的积极性,并且使学生在

3D技术，全身都可“打印” 篇6

连续的科技报道称这项技术在建筑业、制造业和工程学领域已经有了很多成功的应用。随着越来越多的实验研究，现在该技术又被应用到医学领域。令人振奋的是，越来越多的医学难题似乎也可以随着这项技术的成熟迎刃而解。3D扫描技术与有机喷墨打印墨水和热塑性塑料相结合，已经能够“生物打印”出人体的某些器官，解决人类历史上很多横亘已久的生理烦恼。

眼睛

作为人类最爱护的部位之一，眼睛的疾患无疑给很多人带来了痛苦。英国公司Fripp表示，利用3D技术在1小时内打印150只假眼的梦想已经变成现实。这种大规模生产技术不仅加快了假眼的生产速度，而且大大降低了制作成本。打印的每只眼睛在色调上都有少许区别，这是为了产生更好的美学效果。这个项目主要是为发展中国家的患者提供他们支付得起的假眼。

面部假体

英国Fripp公司还与英国的设菲尔德大学合作生产面部假体，例如耳朵和鼻子。对患者进行3D面部扫描后，利用色素、淀粉和硅脂打印假体，复制出与患者原来的鼻子或耳朵非常匹配的面部结构。这个项目的真正好处是，当你开始佩戴面部假体时，你可以用仅为这项技术一小部分的钱再次订购。

美国康奈尔大学的一个科研组正在进行一个不同的项目：利用包含活细胞的油墨凝胶打印患者耳朵的3D模子。打印的产品会被注入牛软骨细胞和老鼠的胶原质，培育3个月后它们生长为成品。研究人员表示，人类有可能会在3年内开始移植这种假体。

塑料颅骨

除五官外，头部的骨骼病也得到了解决。荷兰乌德勒支大学医学中心的医生称，他们首次成功地量身3D打印出一个塑料颅骨，为一位患者进行了一次颅骨替代手术。因患有慢性骨骼疾病，这位患者的颅骨厚达5厘米，导致失明。更换颅骨的手术进行3个月后，这位患者不仅重见光明，也重新回到工作岗位。

骨骼

3D打印发展最成熟的一个领域，是生物打印人类骨骼植入物，现在称“置换骨骼”。2011年，美国华盛顿州立大学的研究人员宣布，他们已经打印出一个像骨骼的结构，它在分解以前，可以作为新骨骼细胞生长所需的支架。这个结构是用磷酸钙打印的，而且已经在动物身上成功进行了试验。

肢体

除了内部疾病，肢体残障也是一直以来困扰很多人生活的一个难题，幸而热塑性塑料是假手、胳膊，甚至是手指培育的领路者。理查德·范·阿斯是生产这些可支付得起的手和手指假体的其中一人，他的公司总部设在南非。该科研组通过将热塑性聚交酯打印与铝和不锈钢手指结合在一起，打造功能健全的机械手。公司正与美国企业家迈克·艾贝林联合进行一个项目，为在苏丹战争中因伤被截肢的人提供他们支付得起的手臂。这项合作被称为“丹尼尔项目”，是以14岁少年丹尼尔·奥马尔的名字命名的，因为一枚炸弹坠落在位于苏丹努巴山脉的他家附近，导致他失去两个手掌和部分手臂。

牙垫

美国《医药日报》也报道了3D打印在医学领域可以用于缓解睡眠呼吸暂停的好消息。根据美国睡眠呼吸暂停综合征协会的消息，估计有2200万美国人患有不同形式的睡眠呼吸暂停综合征，也就是在睡眠期间咽喉通道被阻塞。更坏的情况是立即无法呼吸，如果不及时治疗，这种状况会导致更严重的疾病，如心脏病、中风和糖尿病。现有的解决方案既昂贵也不舒服。澳大利亚联邦科学与工业研究组织的研究人员联合澳大利亚牙科公司采用3D扫描仪绘制病人的口腔地图，然后打印相应的牙垫。牙垫的材料是医用钛和医用塑料。这款牙垫可以把气流分向两个独立的通道。使用时从病人口中凸出的“鸭嘴型”钛槽可以确保气流顺畅地到达喉咙深处，避免舌头或口腔内部放松的肌肉阻塞气流。

自体输血机

血液的重要也被这项技术所重视。英国公司开发出革命性的自体输血机Hemosep。这款机器可以在进行心脏和严重创伤手术时收集流失的血液，通过使用机械搅拌器和化学海绵技术来集中血液。一旦血液准备就绪，患者通过静脉输液的方式回血。这不仅能为医疗机构节约大量的血液捐赠（通常都处于短缺状态），而且能够减少并发症的风险，如污染或免疫反应。对小孩来说更加安全，因为在外科手术中，小孩比大人面临更多手术风险。

皮肤

除对健康考虑外，人类对外表美观的追求也可以被更好的满足，比如皮肤烧伤或剐蹭带来的外形困扰。美国维克森林医学院的詹姆斯·尤正在研制一种能直接在烧伤患者的伤口上打印皮肤的打印机。“油墨”由酶和胶原质组成，它们与组织细胞和皮肤细胞分层打印出来，就会形成移植皮肤。该科研组打算研制一种便携式打印机，以便在偏远地区和战区，可以直接用来在患者的伤口上打印皮肤。

矫形器具

SolsSystems公司正在致力于研究溶胶，使用3D打印制作矫形鞋垫。该公司宣布这个项目已经注入640万美元的风险投资。脚科医生可以在他们的办公室注册使用此公司的产品。通过应用程序，他们可以扫描患者的脚，使用3D打印做一个脚模，然后用很少的成本定制一个脚垫。已经有50个医生参与了测试使用，这包括AliSadrieh博士发明的“灰姑娘”程序，一个女人的脚整容手术，使穿高跟鞋可以更舒适。

3D打印技术工艺美术篇7

关键词：3D打印技术,青瓷工艺品,优化技艺,三维模型

根据《2015年中国旅游业统计公报》可知, 2015年国内旅游市场持续高速增长, 全国国内旅游人数40.0亿人次, 比上年增长10.5%, 其中城镇居民28.1亿人次, 农村居民11.9亿人次。2015年全国国内旅游出游人均花费857.0元, 其中:城镇居民国内旅游出游人均花费985.5元, 农村居民国内旅游人均花费554.2元。在购物方面, 有当地特色的纪念品商店更受青睐, 具有区域品牌特色的旅游商品产业成为拉动旅游消费的重要引擎。旅游工艺品是旅游者在旅游活动中购买的富有当地民族地域特色, 具有工艺性、礼仪性、实用性和纪念意义的以物质形态存在的商品。

一、问题的提出

(一) 制作工艺重传承, 缺创新

青瓷旅游工艺品的生产大多以手工制作为主, 在技艺的传授过程中注重对传统制作工艺的留存。技艺传承人熟练掌握诸如成形、装饰、施釉等绝技, 但普遍缺乏现代技术手段的融入, 用以优化工艺制作流程, 缩短青瓷旅游工艺品设计制作周期。在青瓷这一介质下的旅游工艺品种类开发上, 器形多偏重传统的日用瓷, 如盘、碗、杯、洗、瓶、炉等, 缺乏将传统技艺应用于现代旅游工艺品的造型、功能等开发上。导致青瓷旅游工艺品的设计制作传承有余而创新不足。

(二) 工艺品种类偏单一, 缺研发

在“旅游+”的物联网时代背景下, “90后”和“00后”的旅游消费群体更注重旅游工艺品的个性化定制及交互式的体验性。而现有青瓷旅游工艺品普遍缺乏凸显地域性的特色和差异, 未能应用地域材料和传统技艺, 结合现代技术开发针对不同消费群体的青瓷工艺品种类, 拓展其衍生市场, 设计制作出具有中国文化底蕴同时兼顾技术创新的青瓷旅游工艺品, 开发力度较低。

(三) 工艺品制作周期长, 缺时效

青瓷旅游工艺品通常有相对较长的制作周期, 因此, 在面对重大活动、节日等特殊需求时不能及时应对市场做出转变, 设计制作上具有一定程度的滞后性, 时效性欠佳。同时, 在青瓷旅游工艺品大量订单制作前需制作样品, 根据其工艺流程的复杂程度, 制作一件样品通常也需要固定的制作周期, 较为耗时耗力。

二、基于3D打印技术的青瓷旅游工艺品设计

(一) 基于3D扫描技术优化设计

根据3D打印技术中的3D扫描对已有青瓷旅游工艺品进行分段式扫描, 获取分片式扫描的点云数据, 利用该数据能够拼合出完整的, 基于实物的虚拟模型。针对扫描所得的模型, 借助三维软件能够对其进行二次设计, 以进一步优化造型和结构。

(二) 借助3D建模技术预览效果

青瓷旅游工艺品种类不仅可以烧制传统日用瓷器形, 还可以利用青瓷这一媒介表现现代日用瓷, 将青瓷的魅力与现代产品相融合, 既具有旅游工艺品的观赏性, 又兼顾实用功能。在该类型旅游工艺品设计时, 借助3D打印技术中的三维建模, 能够在短时间能创建虚拟模型, 依据模型创建中的结构、穿插等关系预判青瓷旅游工艺品外观设计、内部结构的合理性。

(三) 利用3D打印技术打印装饰图案

首先, 需要选取一张高像素、素背景的照片, 并将彩色照片转换为黑白照片。其次, 将黑白照片导入到开放的切片软件中, 用不同的凹凸度表现照片的内容形态, 还原照片中的景象。同时, 可在切片软件中设置诸如增加钥匙孔等选项, 用于青瓷旅游工艺品的携带、支撑等用途。第三, 在对黑白照片进行打印时, 切片软件会自动将照片模型的填充率设置为100%, 目的是通过层厚来遮光, 还原出照片的亮度值, 表现出照片的层次阴影。最终利用3D打印机将平面照片转化为立体影像。

三、3D打印技术对旅游工艺品设计制作的补偿性

(一) 开发青瓷介质旅游工艺品

3D打印技术能够实现复杂镂空结构的造型制作, 这是传统青瓷技艺较难实现的工艺。通过借助计算机三维软件, 能够依据创意设计创建出诸如蜂窝状、鸟巢状等结构的三维模型, 利用3D打印技术在较短时间内打印出实物。

(二) 融入旅游工艺品个性化定制服务

3D打印 (3DP) 即快速成型技术的一种, 能够在短时间内基于扫描数据、三维模型运用黏土的逐层堆积打印得以创建实物。在诸如龙泉青瓷小镇, 设置陶瓷3D打印技术体验中心, 通过3D扫描数据, 在数分钟内获取游客人像的点云数据, 应用3D打印技术打印出青瓷材质的人像, 实现个性化的定制服务。

(三) 优化青瓷旅游工艺品设计制作过程

在面对大量订单生产以及单品打样时, 通过对已有的青瓷工艺品进行三维数据扫描, 利用计算机辅助软件对所获得的数据予以拼合、调整, 利用陶瓷3D打印机对拼合后的模型予以打印, 能在短时间内得到设计的器形, 极大程度地缩短了制作周期。

四、结语

在旅游工艺品的设计制作过程中, 新工艺和新技术的介入可以给传统的题材、工艺、造型赋予新的魅力。同时, 也能够吸引年轻群体加入旅游工艺品的设计研发过程, 使传统技艺得以继承的同时, 注入更多的现代技术元素, 使其传承与创新并行。

参考文献

[1]国家旅游局数据中心.2015年中国旅游业统计公报[EB/OL].http://www.cnta.gov.cn/zwgk/lysj/201610/t20161018_786774.shtml.2016 (10) .

3D打印技术工艺美术篇8

3D打印作为一种新型的快速成型技术, 越来越多地受到人们的关注, 己经开始对我们的生活产生全面影响, 这项技术所涉及到的产业包括医疗、工业制造、航空、电路板等等多方面, 对于少量生产、个性定制、样品研发等方面有非常大的发展空间[1,2,3]。但是, 到目前为止, 将3D打印技术应用到文化旅游领域, 特别是旅游工艺品的生产上面, 还是一个崭新的课题。2014年在第六届中国国际旅游商品博览会上, 陕西省推荐的以高新3D打印技术制作的镂空秦韵马灯, 引起了参会者极大的兴趣, 是目前我国国内首件将3D打印技术与旅游工艺品相结合的作品[4,5]。

课题以苗族泥哨为例, 在完成三维扫描及逆向建模的基础上, 对三维数字模型进行改进设计, 最后应用快速原型构造技术制造样品。实例过程与结果表明, 将CAD/CAM、3D打印技术应用于曲面复杂的工艺品保护与开发, 能有效地缩短周期、提高效率, 为民族工艺品的数字化保护与开发提供了新途径。

1 选择泥哨快速成型生产的策略

1.1 传统加工工艺和快速制造工艺

快速成形技术简称为RP或RPM (RAPID PROTOPY-ING/RAPID PROTOTYPI NG MANUFACTUREING) 也叫作快速原型制造技术, 原理是材料堆积法是近几十年来制造领域的一个重大研究成果。快速成形技术集CAD技术、分层制造技术、逆向工程技术、数控技术、激光技术等多种工艺技术为一体, 无需像传统制造技术那样需要模具、刀具和卡具[6]。它直接处理产品设计即CAD数据, 采用分层制造, 逐层叠加的加工原理, 迅速制造出新产品的样件和模具。可将快速成形技术形象的比喻成“立体打印机”在此过程中STL格式的三维CAD实体模型数据被自发、直接、迅速、准确地制造成实体零件或模具。

快速原型制造技术极大程度的缩短了新产品的研发周期, 同时提高了产品质量降低了研发成本, 为新思路的验证、零件原型的再现等诸多方面提供了高效率低成本的实现方法, 可考虑作为接下来泥哨的模型制作方法。

1.2 几种快速成型方法的对比

世界上第一台SLA快速成形机由美国3D公司在20世界80年代末推出, 至今已形成了十余种不同的成形系统。自1991年起, 众多高校如清华大学、华中科技大学等在RPM设备及软硬件和成形材料方面做了相当多的研究, 并研制出了多种快速成形系统。现今国内能形成规模生产的方法主要有5种:熔融沉积成型法 (FDM) 、选择性激光烧结法 (SLS) 、光敏液相固化法 (SLA) 、叠层实体制造工艺 (LOM) 和三维打印成型 (3DP) [7]。

1.3 泥哨原型构造的方案

贵州泥哨多注重头部特征, 形态夸张、形状迂回复杂、特征突出;周身造型简洁洗练, 但表面具有装饰性的雕刻纹样或和图案, 特征细小繁复 (如图1所示) 。泥哨底部留有回气孔, 内部有空腔。这些特征, 要求在选择泥哨原型构造方案时, 综合分析对比各种快速成型方法, 以求最优方案。

单在加工制造方面, SLS和3DP方法具有明显的优势。

光敏液相固化法具有很好的精度和光洁度, 因此表面质量非常好, 几乎能够完全利用原材料, 可生产形状复杂和结构精细的零件。然而, 此技术具有一定的局限性, 比如材质不结实、工作台移动频繁、后处理复杂、需要操作者具有较高的能力。此技术一般应用在验证装配设计过程中。

叠层实体制造工艺该方法的缺点是无法完成太复杂零件的加工, 可用材料种类少, 无法调整每一层的厚度, 精度较低。

3DP的成型方式同SLS有一定的相似之处, 不同之处是3DP将SLS中的激光用喷射结合剂取代, 在铺好的粉末状材料上选择性喷射粘合剂, 被喷区域材料粘结, 其他区域不发生改变, 以此逐层粘结后即得到一个空间实体, 清除残留粉末, 烧结获得实体零件。相比于SLS, 3DP在精度和速度方面都有所提高, 而且易操作、小型化、成本低。所以本课题通过综合对比, 选择3DP打印方式来完成泥哨最后的模型构造。

2 泥哨曲面向实体模型的转换化

论文利用基于三角网格NURBS曲面重构的方法, 得到光滑拼接的泥哨NURBS曲面[8,9], 如图2所示。但生成的NURBS曲面还只是曲面模型。要进行接下来的快速原型构造, 还需把曲面模型转换为三维实体模型。具体转换步骤如下: (1) 把泥哨模型以.igs格式导入UG8.0, 采用“插入→组合→缝合”命令, 把泥哨的曲面模型转化为三维实体模型。 (2) 得到泥哨的三维实体模型, 以.STL格式导出文件。为接下来的模型制造做准备。

3 样品的改进设计

建立了工艺品数字化模型以后, 结合美学、市场等因素, 对产品进行再次设计。这种设计方法, 将极大的缩短工艺品的设计周期, 减少工艺品设计成本。

本次改进设计主要针对原模型面部特征不够立体化进行改进, 新设计添加了眼部、嘴及鼻子的立体化, 同时尾部翘高且稍许偏斜, 使得样品更加生动、可爱。在本实例的基础上, 可以进一步设计一系列表情和造型不一的样品, 这里不再深入讨论。

4 泥哨的快速原型构造

4.1“Objet30睿智”三维打印机

将上一步得到的泥哨实体模型, 转换为STL文件输出。最后导入objet studio系统, 利用‘Objet30睿智’三维打印机进行原型制造。

“Objet30睿智”三维打印机其工作原理是:打印机通过读取文件中的横截面信息, 用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来, 再将各层截面粘合起来从而制造出一个实体模型。该工艺可使用7种具有不同级别的物理和机械特性 (强度和韧性) 的打印材料, 其中主要材料是:刚性清晰透明材料、耐高温材料和类聚丙烯材料。该工艺技术具有速度高、弹性大、成本低、携带方便、兼容性强、分辨率和精确度高 (±0.1mm) , 几乎可以造出任何形状的物品。

4.2 泥哨的快速原型构造

启动软件, 导入STL格式的模型文件, 调整模型在打印框里的位置便可以打印样件。打印过程中, 软件一边做模型的切片文件, 一边传送数据给打印机进行打印。具体步骤如下:

(1) 打开objet studio软件界面, 以.STL格式导入如理好的泥哨三维实体模型。

(2) 利用命令设置打印模型的大小比例, 在实验中设置的实体模型与原件模型的比例为0.5, 如图3a所示。

(3) 利用placement命令, 调整泥哨模型打印的最佳位置, 如图3b所示。

(4) 经validate命令检测后, 没有出现未封闭曲面的问题, 模型合格。按build命令建立打印请求。

(5) 关闭打印系统。取出泥哨三维打印模型如图4所示。

5 结语

3D打印作为一种先进的新型快速成型技术, 必将带来我国民族工艺品生产工艺的创新, 改变我国民族工艺品制作工艺中存在的一些不足, 但是作为一种前沿的科学技术, 将其应用在工艺品的生产中同样存在着一些问题。例如快速原型制造技术与其它配套技术, 如逆向工程与CAD建模系统等的集成还很不够, 目前主要是通过标准的数据格式进行数据交换, 难以在设计修改过程中进行实时的交流进而达到互相补充、相互促进的效果。

工艺品的快速成型不同于其他零件, 由于其表面有装饰性的雕刻纹样或和图案, 结构特征细小、繁复, 在进行3D打印时, 很难保证工艺品外表面装饰花纹的精度。所以在民族工艺品的快速成型中, 即保证模型曲面连续性和光顺性又保证精确再现工艺品原貌, 还需进一步的研究, 这也是快速成型技术应用于民族工艺品的重点研究课题。

摘要：民族工艺品作为重要的非物质文化遗产, 对其进行数字化保护、创新设计与开发具有重要的现实意义。传统方法对复杂曲面的工艺品进行保护与开发存在一定的局限性。针对这一难题, 课题从贵州民族工艺品 (泥哨) 着手, 综合对比分析现有几种快速成型方法, 利用3D数字建模、与3D打印技术, 开展面向民族工艺品3D打印关键技术的研究。实现设计制造一体化, 将整个过程数字化、自动化与三维模型直接关联, 所见即所得, 工艺品随时制造与修改;同时缩短工艺品开发周期, 降低其开发成品。

关键词：民族工艺品,数字化,快速成型,创新设计,3D打印

参考文献

[1]王忠宏, 李扬帆, 张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路[J].经济纵横, 2013, 01:90-93.

[2]黄烽坚, 封小影, 黄昊.3D打印技术应用前景展望与分析[J].中国卫生质量管理, 2014, 02:53-55.

[3]李小丽, 马剑雄, 李萍, 陈琪, 周伟民.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表, 2014, 01:1-5.

[4]张荣红, 熊玮, 张楠.3D打印技术在传统工艺表现中的应用研究[J].宝石和宝石学杂志, 2015, 01:45-49.

[5]张盼盼, 蒋正清.基于3D打印云平台的旅游纪念品开发设计[J].设计, 2015, 04:20-21.

[6]卢秉恒.激光快速原型制造技术的发展与应用[J].航空制造工程, 1997 (7) :15-18.

[7]陈永华, 殷国富.快速原型制造技术的集成应用方法[J].机械与电子, 1998 (5) :9-12.

[8]张翠翠, 古文全, 李英.基于逆向工程的黄平泥哨的数据采集[J].贵州科学, 2015, 04:35-40.

3D打印技术工艺美术篇9

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打印技术综述篇10

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打印技术瓶颈核心有哪些？篇11

随着其核心部件如激光、高精度电机、加热喷头等相关技术的逐步发展与性能的提升，加之诸如打印汽车、枪支、食品、器官等炒作事件被媒体推波助澜的报道，3D打印这一概念的关注度在近5至8年间被提升到相当高的位置，其产值和应用范围被媒体、民众和政府严重高估。但2013年初开始的3D打印股票接连下挫的市场行为，使得3D打印概念广泛被各类券商、基金等投资机构看空，且媒体相关报道趋向理性和全面，导致存在于3D打印这一被持续热捧概念中的泡沫开始破裂。国内市场上如乐高股份、光韵达等多支3D打印明星股开始大幅下挫，国际市场上除3D打印龙头3D Systems和Stratasys由于企业并购等利好因素导致股价上扬之外，其他3D打印股价均回归低位。这一市场行为的直接原因在于，3D打印还未形成广泛的工业应用，不存在实际的完整产业链条。3D打印不能大面积应用的最重要原因在于各类适用材料不能满足设计要求，3D打印材料是3D打印产业发展的技术瓶颈。

目前3D打印技术的核心在于打印材料

各类3D打印材料直接影响打印产品性能和后续工艺

所谓3D打印材料，是增材制造（即3D打印）技术用于逐层堆积制作零部件的基础原材料和技术核心，科研人员针对不同类型和性质的原材料开发出原理大相径庭的各类3D打印技术。目前市场上主流的3D打印工艺类型有选择性激光烧结（SLS）、光固化成型（SLA）、丝材熔融挤出成型（FDM）、液体喷印成型（3DP）、分层实体制造（LOM）以及上述类型相应的细分衍生技术等，其应用材料则包含金属粉末、高分子聚合物、光敏树脂、聚乳酸、无机材料粉末、生物高分子材料等，涵盖范围十分广泛。

由于3D打印技术采用在水平面内逐行成型、在三维结构内逐层堆积的技术原理，致使打印材料的性能直接决定成品的强度、刚度等力学性能，粗糙度等表面质量，以及防潮性、热稳定性、生物相容性等其他特殊性能。材料性能又能进一步影响热处理、表面理化处理、精加工、抛光镀膜等后续工艺，直接影响生产成本和成型效率。随着其他相关零部件技术的不断提高，3D打印材料的地位不断提升，其性能已成为当前影响3D打印技术发展和产品应用的核心问题。

打印材料是促进3D打印设备及零部件技术创新的原动力

目前在常用3D打印材料种类基本稳定的前提下，企业期望提升产品质量、提升产品竞争力、扩大市场份额，就需要对打印设备的总体设计进行优化，对成型工艺进行创新，对加热制冷喷头、三维运动机构、步进伺服电机、激光束电子束发生器、送料装置等一系列打印设备组件进行技术升级，以提高3D打印设备的市场竞争力，提高3D打印产品的力学性能、表面质量，减少预处理、后处理工序，节约成本提高生产效能。例如，选择性激光烧结（SLS）技术针对不同材料提升激光束质量、设定相应聚焦点尺寸和激光强度，熔融挤出成型（FDM）技术研究喷头加热温度对ABS塑料熔丝尺寸和成型性能的影响，设备中三维运动机构提高精度的改进，步进、伺服电机的响应速度和精度的提升，均是在打印材料的需求影响下进行的技术提升和创新，打印材料的需求可在相当大程度上影响3D打印技术的发展趋势。

打印材料在3D打印产业内占有重要市场份额

3D打印产业包含打印设备、打印材料和打印服务三大类。据统计，2013年全球3D打印产业中，打印设备产值和打印材料产值比重相当，分别为38.6%和37.2%，均超过总产值40.1亿美元的三分之一，打印服务产值占比略小，为24.2%。打印材料业务可较大程度影响3D打印企业的生存发展，如全球3D打印龙头3DSystem公司由于其打印耗材需求量大增，导致其在2012年底收购了多家材料生产企业，材料业务的增长最终使其在2013年全年实现45%的营收增速，在全球3D打印泡沫开始破裂时逆势增长。由于目前应用于3D打印的材料种类较少，大量材料的应用潜能还未开发出来，随着技术的提升将开发更多类型材料投入应用，打印材料在全行业总产值所占比重将进一步提升，打印材料可能成为整个3D打印产业产值最高的一环。

当前3D打印材料在应用领域面临的突出问题

性能或效率不符合要求，无法满足工业生产需要

总体来说，3D打印材料成型出的产品普遍具有强度刚度低、表面质量差且具有台阶型纹路、生产效率低等共同缺点，在采用不同工艺技术路线时还暴露出了其他特定加工成型的劣势。3D打印技术必须和其他技术进行复合才有可发展的市场空间。相比于传统的铸造、车铣、锻压、焊接等金属机加工生产方式和模具浇灌等非金属材料生产方式，3D打印技术成型耗时长而效率低。仅在生产复杂结构零部件或设计原型时，3D打印技术凸显出一定的加工优势，但其产品的性能在多数情况下还不能满足使用要求。

金属是3D打印最为广阔的潜在市场。但在金属材料打印时，仅支持十多种金属进行加工，如特定几种铝硅合金、钛合金、镍合金和不锈钢，且需要预先制成专用的金属粉末；打印出的金属制品致密度低，最高能达到铸造件致密度的98%，远低于锻造件的力学性能；打印制品表面质量差，精度2～10μm，需要打磨抛光机加工等后处理；3D打印具有复杂曲面的零部件时，支撑材料难以去除。目前金属打印产品极少能作为零部件直接组装应用。

无机材料打印主要用于生产陶瓷结构，适用材料范围极窄，如陶瓷粉、粘土和粘合剂等，且打印完成后需要再进行后处理和高温烧结，与其他3D打印制品类似，打印出的结构表面精度差、力学性能差。最大劣势在于其生产效率远低于其他生产方式。

近年来生物组织打印被媒体热炒，众多高校和科研机构参与其中。但仅支持明胶、胶原与合成高分子混合物等几种材料；打印出的结构生物相容性较差，孔隙率小且孔洞分布不均匀，细胞附着生长繁殖率低。目前在全球范围内的生物打印仅对组织器官进行结构模仿，并未出现拥有特定理化功能的生物打印成功案例。

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少数技术成熟的打印材料应用市场狭小

在众多3D打印技术中，熔融挤出成型（FDM）和光固化成型（SLA）研究较为深入，技术较为成熟。FDM技术采用ABS塑料、聚乳酸、尼龙等热熔性材料进行零部件成型，能实现较好的成型精度和表面质量，精度在0.08mm以内；SLA技术采用光敏树脂进行成型工作，成型精度和表面质量比FDM更加优异，精度在0.05mm以内。但上述两项技术所用材料仅能应用于工艺品、展示模型、设计原型制作等领域，应用范围较为狭窄，其在零件装配可行性方面的市场份额也被功能更为强大的绘图软件所取代。

新材料概念多于实用技术，媒体炒作屏蔽应用劣势

各3D打印企业出于宣传公关、公布利好等目的，定期会将几种新材料推向市场，尤其是行业内龙头企业，其产品名录包含几十乃至上百种类的材料。但经仔细研究发现，绝大多数材料是已经量产材料的类似物，仅在同种类别内进行相应研发，并无实质上的创新材料推出。企业定期向市场宣称有新材料应用时，炒作新材料概念赢取股价上涨的公关意义大于推出有效创新提升技术水平的研发意义。

近年来全球及国内媒体疯狂炒作3D打印概念，诸如打印汽车、枪支、食品、器官等新闻不断见诸报端，赋予3D打印“第三次工业革命”的意义，误导民众认为3D打印是制造一切产品的解决方案，而对其打印材料的局限性、打印成本等问题则避而不谈。例如，3D打印金属手枪并试射子弹的报道，着重强调其创新应用，而隐瞒了金属材料无法达到要求，在试射几发子弹之后枪管爆裂的事实；3D打印人造器官的报道，并未深究其试验产品不具备任何生物理化性能，天然高分子材料中的细胞无法建立联系形成组织，细胞无法成活的现状，所谓产品仅是形状类似的表面功夫；3D打印汽车的报道，并未和传统方式制造的汽车进行性能对比，未做碰撞测试确定材料强度性能，且汽车动力总成、悬挂、底盘、转向等均为传统方式制造，仅有外壳和面板由3D打印生产，最重要的是相比于传统制造方式，3D打印效率低下、成本高昂则未被提及。3D打印技术的媒体炒作严重干扰了各级政府规划和招商的判断能力，其被沦为部分国内企业从地方政府圈钱的财富工具。3D打印的市值被严重高估，事实情况是目前全球3D打印产值总额不到富士康某个新建工厂的年产值。

逐步解决我国3D打印材料问题的对策建议

加强顶层设计与发展指导

首先应坚持并增大3D打印产业，尤其是3D打印材料产业的政策扶植力度，定期出台文件指导3D打印产业在不同时期内有侧重点的发展，将面向工业生产及航空航天的金属打印材料研发作为产业提升和促进的主要方向。梳理亟待解决的金属3D打印关键技术，列入国家和地方科技发展计划，加大研发扶植力度。其次，集中优势力量开展提升3D打印材料力学性能、致密性和成型精度的专题研究，持续举办发展论坛并适当予以引导和支持。再次，将3D打印阶段性成果以及创新技术成果实时向汽车、船舶、机加工、航空航天等大规模制造型企业进行示范推广，寻找产业结合点，创造市场需求，并支持产业内上下游企业间的合作，建立3D打印产业与制造业之间面向市场需求的沟通研发长效机制，发掘新型的产业交叉盈利模式。最后，联合高校等科研机构，建立3D打印企业，尤其是3D打印材料生产企业的金属材料创新研发平台，予以一定资金和政策支持，引导企业和高校联合集中优势研发力量攻克3D打印材料技术瓶颈。

加强定向高技术人才培养

建立高校培养、企业实践、面向研发需求应用的链条式人才培养机制，对有利于解决金属3D打印形成大规模工业化生产需求的人才进行重点培养。首先，加大高校和其他科研机构在金属材料打印工艺、力学性能、合金新材料开发、精度提升等科目的资金投入，设立重大科研成果奖励机制，鼓励社会和企业资金对高校优秀人才进行奖励资助。其次，加强3D打印产业相关技术的知识产权保护力度，强化知识产权成果转化，针对我国国情开展知识产权防护和风险分析以及战略保护等内容的系统培训。企业内部应加大知识产权保护培训力度，建立完善的内部提拔合格人才的选拔机制。再次，对本领域国际专家进行试点引进，吸引海外华人学者回国发展、创业、投资。最后，针对打印材料领域内培养或引进的高端人才，为其提供生活便利。通过降低企业社保负担、增加工资补贴、便利子女入学等方式，增强企业对专业相关人才的吸引力。

创立需求、应用、研发互动信息平台

在3D打印企业、高校科研机构、潜在市场应用企业和相关政府部门之间搭建以3D打印供需为主导的、解决研发技术问题为目的的全面信息平台。在3D打印企业和大规模生产性企业之间互通有无、明确需求、开发潜在应用之后，3D打印企业可将生产技术难题及时与高校等科研机构沟通合作，面向需求解决问题；同时高校可提出前瞻性潜在应用，联络3D打印企业和潜在市场需求企业进行联合应用开发；借助此平台还可及时向各方提供政府在3D打印及相关产业的建设思路和扶植力度，在政府政策引导下找对方向快速发展。

鼓励企业上延下拓集群发展

学习3D打印行业龙头3D System和Stratasys的成功经验，通过资本运作和企业并购将材料、零部件、销售等上下游企业纳入公司自身管理范围，壮大技术和资金实力，节约生产成本提高效益。鼓励和引导企业围绕核心业务，拓展服务业务，通过融资、并购、租赁等资本运作手段整合上下游发展势头较好、技术水平较高、管理水平完善的配套企业。鼓励促进企业间交流合作，支持产业链上下游企业聚集发展，鼓励开拓产品增加附加值的企业行为。

（本文转自《装备制造》）

3D打印技术工艺美术篇12

工艺品也称工艺美术品, 是以美术技巧制成的与实用相结合并有欣赏价值的物品。已有的工艺品是人类宝贵的文化[1]遗产, 对其进行保护和开发, 是当今一项迫切的任务。

逆向工程与快速成型技术在模具、汽车、航空等领域得到了广泛应用, 而在非物质文化遗产保护与开发领域研究和应用尚还不足。将逆向工程、CAD/CAM、3D打印技术与工艺品设计与制造相结合, 是重要民族工艺品保护的最佳方法, 也是工艺品创新设计与开发的最佳途径。

1 工艺品的逆向建模

逆向工程 (reverse engineering, RE) 又称反求工程。是以实体作为样件, 使用三维扫描仪获取样件表面信息, 再经过逆向建模将其重构成实体模型, 进而加工出产品的一种先进制造技术[1]。

逆向工程建模包括模型数据采集, 点云处理, 曲面重构和实体生成。工艺品的逆向建模是对工艺品进行数字化保护的重要手段, 同时也是对工艺品进行再次设计和开发的前提。

1.1 三维扫描原理

三维扫描仪是逆向工程的必备设备, 它的主要目的是获取样品三维数据。本次研究用的三维扫描仪是柯尼卡美能达非接触式三维激光扫描仪“RANGE5”。RANGE5采用斜射式三角法的测量原理。

斜射式三角法是根据光源和光敏元件之间的位置和角度关系来计算被测物体表面点三维坐标数据的。其具体测量原理如图1所示, 激光器LD发出的光束经会聚透镜和被测物体表面的反射, 被接收透镜接收汇聚在CCD传感器上, 若被测物体移动M, 则在CCD上的像点也会有相应的移动距离N, 根据CCD上的距离N, 可以计算物体位移M。

在一次测量过程中, 物体和镜头不会移动, 一般是激光束移动, 根据两束激光在CCD传感器上的距离便可以计算物体表面两点的距离。激光三角法能高精度的将三维模型转换到CAD系统中的, 因而被广泛应用在逆向工程中。

1.2 模型扫描

柯尼卡美能达RANGE5是一款高精度的三维扫描仪, 扫描精度可达到微米级, 是一款应用于机械零件逆向建模的三维扫描仪。

3 D扫描过程中, 点云对齐是影响扫描精度的重要因素。三维样品需要多次扫描才能完成, 所以每次扫描的点云都要和上次扫描获得的点云对齐后才能进行下一次扫描。在20世纪80年代中期, 很多学者对点集数据的配准进行了大量研究。目前已提出的算法有ICP算法、四元数法、SVD法等。在逆向工程的点云重定位中, 一般采用ICP算法进行拼合, ICP算法主要用于解决基于自由形态曲面的配准问题。

点云的对齐, 用得较多的是三点对齐的方法, 如图2所示, 在不同测量坐标下得到的数据, 通过三个基准点移动对齐, 就能将数据统一在一个模型坐标下。点云数据对齐问题就是基准点的对齐, 所以可以利用几何图形的坐标变换方法来实现。

三维图形的坐标变换包括平移、比例、旋转、错切等几何变换。点云数据的对齐问题仅仅是平移和旋转变换, 多次测量点云数据的对齐只需三个不同的基准点就能实现。

三点几何坐标变换方法为:

测量基准点p1、p2、p3。第二次测量时, 基准点坐标变为q1、q2、q3, 刚体变换可通过三个步骤实现:

1) 变换p1到q1;

2) 变换矢量 (p2-p1) 到 (q2-q1) (只考虑方向) ;

3) 变换包含三点p1、p2与p3的平面到包含q1、q2与q3的平面。

三点对齐坐标变换算法为[2]:

Step1:作矢量 (p2- p1) 、 (p3- p1) 、 (q2- q1) 与 (q3-q1) ;

Step2:令V1= p2- p1, W1= q2- q1;

Step3:作矢量V3与W3;

Step4:作矢量V2与W2;

矢量V1、V2与V3构成右手正交系, 矢量W1、W2与W3同样构成右手正交系。

Step5:作单位矢量:

Step6:把系统[v]的任一点pi变换到系统[w], 用变换关系式:

Step7:因为[v]和[w]是单位矢量矩阵, 所以[w]=[v]R , 于是所求的关于[w]系统的旋转矩阵为:

Step8:使P' =q1和Pi=p1, 把方程代入, 可得平移矩阵T:

Step9:将方程改写为:

1.3 点云处理

扫描得到的点云密度大、杂点多, 含有不需要的数据, 需要初步处理后才能用于建模, 处理过程如图3所示。

把扫描的点云合并以后, 导出成STL格式文件, 再导入Imageware中, 对点云进行采样精简, 删除不需要的点云。处理后的结果如图4所示, 从图中可以看出, 点云采用距离采样的精简模式。由于工艺品的逆向建模不需要很高的精度, 所以采样距离设置为1mm, 这样数据减少了96%, 便于后期建模。

1.4 曲面重构与实体构建

曲面重构是逆向工程的关键技术, 在Imageware中, 首先要将点云的位置设置好, 分析点云模型特点, 规划建模步骤。然后提取特征点构成曲线, 通过曲线和点云构成曲面, 编辑曲面, 控制曲面与点云误差。最后编辑面与面之间的关系。

对于复杂曲面, 首先要提取曲面边界线, 然后使用边界线选取点云, 最后利用边界线与点云拟合成曲面。通过边界点云拟合可以取得边界线, 而边界点云的获取可以通过交互式和曲线投影到点云获得[3]。

在曲线曲面建模方面, NURBS方法因为速度快、算法稳定、曲面的质量好, 不仅可以表示自由曲面曲线, 而且还能表示规则曲面, 已成为现代曲面造型中最为广泛流行的技术。

NURBS曲线可以表示为一分段有理多项式矢函数, 形式如下:

其中, Vi为控制顶点, Wi为权因子, Bi.k (u) 为k次B样条基函数。双参数变量分段有理多项式定义的NURBS曲面形式如下:

其中Bi , k (u) 和Bj, l (v) 分别是沿u向k次v向1次B样条基函数。Wi, j为权因子, Vi, j为控制顶点, 从NURBS曲线和曲面的定义可以看出, 通过调整控制顶点, 就可以控制NURBS曲线及曲面与点云数据的误差。

曲面模型建完以后, 在UG里面经过曲面缝合、布尔运算变成实体模型 (如图6所示) , 这样就完成了产品的逆向建模。

2 样品的改进设计

建立了工艺品数字化模型以后, 结合美学、市场等因素, 对产品进行再次设计。这种设计方法, 将极大的缩短工艺品的设计周期, 减少工艺品设计成本。

本次改进设计主要针对原模型面部特征不够立体化进行改进, 新设计添加了眼部、嘴及胡须的立体化, 同时尾部翘高且向右偏斜, 使得样品更加生动、可爱 (如图7所示) 。在本实例的基础上, 可以进一步设计一系列表情和造型不一的样品, 这里不再深入讨论。

3 工艺品的快速成型

3.1 3D打印原理

3D打印也叫3D快速成型, 现在已有几种不同的3D打印机的技术, 比较成熟的有UV、SLA、SLS、LOM和FDM等方法。

本次研究用的设备是Objet30 Pro, 它采用SLA (Stereolithography Appearance, 即立体光固化成型) 3D打印原理。 SLA打印原理如图8所示, 特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面, 使之由点到线, 由线到面的顺序凝固, 完成一个层面的打印, 然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度, 再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。

3.2 样品的3D打印

3D打印技术可以快速制造出工艺品样件, 以便对工艺品的开发价值进行调查研究。有市场开发价值的工艺品, 可以利用3D打印技术, 数控技术等制造模具, 进行小批量生产。

Objet30 Pro是一款可以打印七种树脂材料的快速桌面型3D打印机, 启动软件, 导入STL格式的模型文件, 调整模型在打印框里的位置 (如图9所示) , 便可以打印样件。打印过程中, 软件一边做模型的切片文件, 一边传送数据给打印机进行打印。

4 结束语

逆向工程技术, CAM/CAM技术, 快速成型技术与工艺品相结合, 将对工艺品的保护、设计及制造产生深远的影响。通过逆向工程技术建立工艺品数字模型, 在数字模型基础上进行工艺品设计创新, 并将工艺品美的元素融入到新产品设计与开发中, 这既是对宝贵遗产的保护, 更是对其进行继承和开发。

本次研究以一件布艺工艺品为例, 对比图10、图11可以得出逆向工程对复杂曲面工艺品建模能够达到与原样件的一致性, 这就为工艺品的建模及开发提供了技术支持。

此次研究所用到的设备及软件有:三维扫描仪, Imageware, UG, 3D打印机。

参考文献

[1]张荣强.逆向工程技术在古典家具保护方面的应用与研究[J].机械设计, 2013, 01:101-103.

[2]牟小云.基于RE/RP集成的复杂外型产品快速成型技术研究[D].西安理工大学, 2008.DOI:10.7666/d.y1380379.

[3]王正如, 梁晋, 王立忠.基于逆向工程的汽车覆盖件CAD建模技术研究[J].机械设计与制造, 2010, 07:106-108.

[4]彭燕军, 王霜, 彭小欧.UG、Imageware在逆向工程三维模型重构中的应用研究[J].机械设计与制造, 2011, 05:85-87.