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自然科学知识——十万个为什么
之 自然科学知识

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什么是3D打印

  最近一则3D打印出人体活体肾脏的新闻报道出来后,引起了我极大关注。于是搜集了一些关于3D打印的资料,分享出来。

  概念

  1,3D打印

  3D打印技术(3D Printing)是快速成型技术(Rapid Prototyping Manufacturing)的一种,它也被叫做增材制造( additive manufacturing)。它的基本原理是,把一个通过设计或者扫描等方式做好的3D模型按照某一坐标轴切成无限多个剖面,然后一层一层的打印出来并按原来的位置堆积到一起,形成一个实体的立体模型,听起来跟高等数学中的积分有些类似。

  说到3D打印,就不得不提3D打印机:

  3D打印机又称三维打印机,是一种累积制造技术,通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造样品。 2003年以来三维打印机的销售逐渐扩大,价格也开始下降。

  该技术可用于珠宝,鞋类,工业设计,建筑,工程和施工(AEC),汽车,航空航天,牙科和医疗产业,教育,地理信息系统,土木工程,和许多其他领域的。

  最早的3D打印出现在上个世纪的80年代,价格极其昂贵且所能打印的产品数量也少得可怜。

  过程原理: 3D打印技术每一层的打印过程分为两步,首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水 会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将会被“打印”成型,打印完毕后只要扫除松散的粉末即可 “刨”出模型,而剩余粉末还可循环利用。

  3D打印技术使用胶水和粉末都是经过处理的特殊材料,不仅对固化反应速度有要求,对于模型强度以及“打印”分辨率都有直接影响。

  技术优势: 3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本。与传统技术相比,三维打印技术还拥有如下优势:

  通过摒弃生产线而降低了成本,大幅减少了材料浪费。而且,它还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形,让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器。另外,在具有良好设计概念和设计过程的情况下,三维打印技术还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。

  另外,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。

  与之相对应的两种技术是切削和铸塑,但相比这两种技术,3D打印技术有自己的优势,那就是不像切削那样浪费材料,也不像铸塑那样要求先制作模具。一次成型,快速个性化定制是它的重要特点,这在小批量,多品种的生产中占有非常大的优势。

  2,3D打印机(3D Printer)VS 传统打印机

  虽说3D打印机与传统打印机是两类产品,但他们的工作原理还是挺像的,你能在3D打印机上看到喷墨打印机和激光打印机的影子。可能他们之间最大的不同在于1),3D打印与传统打印机相比,它能利用的材料更丰富,从沙子、塑料、橡胶、尼龙到玻璃、钢铁,这些材料是不能被传统打印机利用的;2),传统打印机用来打印平面图形,是二维的,在打印过程中需要控制的是输入的字和图形在平面上的位置(横纵轴,X/Y坐标),而3D打印机不光要控制一个点在平面上的位置,还要控制它在空间上的位置,或者说,给它加个Z坐标,控制它的X/Y/Z坐标,这样才能把一个单位的材料放在一个指定的位置,形成一个立体模型。

  二,3D打印的历史

  1984年,Ultra Violet Products公司的Charles Hull开始研发3D打印技术,1986年,他自立门户,成立了现在的3D市场领军者之一3D Systems 公司(NYSE: DDD),并发布了第一款商用的3D打印机,2012年1月,他们收购了另外两家3D打印公司Zcorp和Vidar Systems;

  1988年,Scott Crump发明了FDM(溶融沉积制模)技术,并与1989年成立了现在的另一家3D打印上市公司Stratasys(NASDAQ:SSYS),最近,Stratasys还收购了以色列的Objet公司。

  1996年,媒体第一次使用“3D打印”这个词来称呼当时的快速成型机,后来取代了之前的称谓,成就了现在流行的3D打印这个概念;

  2008年,开源3D打印项目RepRap发布“Darwin”,3D打印机制造进入新纪元;同年,Objet 推出Connex 500,让多材料3D打印成为可能。

  如今,3D打印已经慢慢融入科研,生产,艺术设计,医疗等领域,打印出了巧克力、血管、肾脏、飞机、自行车、汽车、玩具、房子、衣服等等产品,已经开始慢慢改变我们的生活。

  三,一些主流的技术手段:

  1,选择性激光烧结(Selective laser sintering,简称SLS),这种技术得用的材料为热塑性塑料,金属粉末,陶瓷粉末等;

  2,直接金属粉末激光烧结(Derect metal laser sintering,简称DMLS),可以利用几乎任何合金作为材料;

  3,熔积成型(Fused deposition modeling,简称FDM),可利用热塑性材料,金属、可食用材料等进行成型制造;

  4,薄材成型(Laminated object manufacturing,简称LOM),举个例子,把一张张的纸铺上去累积而成的模型,当然金属膜,塑料膜也可以;

  5,光固化(Stereolithography,简称SLA),可利用的材料是光敏树脂等聚合物;

  6,熔丝制造(Fused Filament Fabrication,简称FFF),利用PLA,ABS等材料;

  7,熔融挤压成型(Melted and Extrusion modeling,简称MEM),可以搞定一些金属,塑料等;

  8,选择性热烧结(Selective heat melting,简称SHS),可以把一些热塑性的粉末变成三维立体模型;

  9,利用石膏的3D打印,好处是上色非常容易,可以打出彩色的模型;

  四,3D打印的应用

  正如前文所说,现在3D打印已经应用到很多行业中。我们将会利用很多鲜活的例子来让每位读者看到,3D打印即将融入我们的生活。

  五、3D打印的未来

  虽然3D打印技术已经出现了近30年,但它还仍然没有真正像个人电脑那样走进千家万户,成为我们生活的必需品。尽管最几年3D打印相关的技术正在日新月异的变化着,但它似乎还离我们的期待有一定的距离。那我们不妨根据我们的需求来畅想一下未来的3D打印的发展方向。

  1,材料越来越丰富

  11月,Objet新推出的大型3D打印机Objet 1000已经支持打印140种材料,每次打印可同时利用其中的14种,相比初级的单头单色单材料的3D打印机它已经非常强大,但我们生活中用到的物品是多种多样的,只有更丰富更实用的材料才能让3D打印尽快的融入生产和生活。

  2,实用性越来越高

  从简单的原型开发,到打印巧克力,到飞机上的钛合金部件,3D打印的成品已经越来越实用,相信随着未来材料、机械、电子等方面的进步,3D打印机很快发挥更大的作用。

  3,精度会越来越高同时速度更快

  如果你把精度不高或者速度太慢当作否定3D打印的观点的话,我只能说:每一种改变世界的技术都会经历同样的阶段,不管是火药还是计算机。怕的是你发现不了问题,没办法改进它。现在既然我们知道它的缺点,工程师们就一定会解决掉这些问题,这只是时间问题。

  4,家庭化,个人化,价格下降

  每个家庭都有一台打印机,就像每个家庭都拥有电脑、手机一样?这是有可能的。现在最便宜的打印机已经卖到了300美元左右,甚至你还可以利用网络上开源硬件的相关资料自己制作一台。每个家庭都需要一台3D打印机吗?也许是的。随着3D打印机的功能越来越强大,能打印的东西越来越实用,越来越多,包括价格越来越便宜,相信很多人都会忍不住买一台放家里,不管是制作装饰艺术品还是一些简单实用的生活用具,它还是很有实用价值的。


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