何為3D打印技術(shù)

傳統(tǒng)打印機(jī)打印出的是圖紙，3D打印機(jī)打印出的正是各種實(shí)物模型。3D打印技術(shù)發(fā)明于上世紀(jì)80年代，但它并不是高科技實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)物，而是來(lái)自一位父親的家用工作室。目前全球大3D打印設(shè)備商是美國(guó)的Stratasys，其創(chuàng)始人斯科特·克倫普在1988年為他女兒做一個(gè)玩具青蛙，學(xué)過(guò)機(jī)械工程、做過(guò)焊接工作的克倫普決定把聚乙烯、燭蠟混合物裝進(jìn)噴膠***，一層一層堆疊做出青蛙形狀，Stratasys3D打印技術(shù)FDM(熔融沉積成型)正是由此發(fā)展而來(lái)。

3D打印特點(diǎn)

3D打印技術(shù)對(duì)于生產(chǎn)者來(lái)說(shuō)，可大幅降低生產(chǎn)成本，提高原材料和能源的使用效率，減少對(duì)環(huán)境的影響，它還使消費(fèi)者能根據(jù)自己的需求量身定制產(chǎn)品3D打印機(jī)既不需要用紙，也不需要用墨，而是通過(guò)電子制圖、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、激光掃描、材料熔化等一系列技術(shù)，使特定金屬粉或者記憶材料熔化，并按照電子模型圖的指示一層層重新疊加起來(lái)，終把電子模型圖變成實(shí)物。其優(yōu)點(diǎn)是大大節(jié)省工業(yè)樣品制作時(shí)間，且可以“打印”造型復(fù)雜的產(chǎn)品。因此許多專(zhuān)家認(rèn)為，這種技術(shù)代表制造業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)。

3D打印原理

3D打印是添加劑制造技術(shù)的一種形式，在添加劑制造技術(shù)中三維對(duì)象是通過(guò)連續(xù)的物理層創(chuàng)建出來(lái)的。3D打印機(jī)相對(duì)于其他的添加劑制造技術(shù)而言，具有速度快，價(jià)格便宜，高易用性等優(yōu)點(diǎn)。

3D打印機(jī)就是可以“打印”出真實(shí)3D物體的一種設(shè)備，功能上與激光成型技術(shù)一樣，采用分層加工、迭加成形，即通過(guò)逐層增加材料來(lái)生成3D實(shí)體，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)完全不同。稱(chēng)之為“打印機(jī)”是參照了其技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^(guò)程與噴墨打印十分相似。隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們已經(jīng)能夠生產(chǎn)出與原型的外觀(guān)、感覺(jué)和功能極為接近的3D模型。說(shuō)的簡(jiǎn)單一點(diǎn)，3D打印是斷層掃描的逆過(guò)程，斷層掃描是把某個(gè)東西“切“成無(wú)數(shù)疊加的片，3D打印就是一片一片的打印，然后疊加到一起，成為一個(gè)立體物體。使用3D打印機(jī)就像打印一封信：輕點(diǎn)電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數(shù)字文件便被傳送到一臺(tái)噴墨打印機(jī)上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像。而在3D打印時(shí)，軟件通過(guò)電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，后者會(huì)將連續(xù)的薄型層面堆疊起來(lái)，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。3D打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實(shí)實(shí)在在的原材料。

3D打印機(jī)應(yīng)用

3D打印機(jī)的應(yīng)用對(duì)象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。以色列的Objet公司認(rèn)為，3D打印機(jī)需求量較大的行業(yè)包括政府、航天和國(guó)防、醫(yī)療設(shè)備、高科技、教育業(yè)以及制造業(yè)。

3D打印機(jī)價(jià)格

任何一款新設(shè)備要推廣普及，必須擁有一個(gè)親民的價(jià)格，這也正是3D打印機(jī)難以走入家庭的重要原因。早的Stratasys3D打印機(jī)每臺(tái)售價(jià)高達(dá)13萬(wàn)美元，別說(shuō)家庭用戶(hù)，就連企業(yè)用戶(hù)也對(duì)這個(gè)售價(jià)高昂的新家伙無(wú)人問(wèn)津，Stratasys在成立三年后才賣(mài)出自己的一臺(tái)3D打印機(jī)。

經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，如今3D打印機(jī)早已不是當(dāng)初的價(jià)格，雖然一些用于工業(yè)設(shè)計(jì)、精密程度非常高的3D打印機(jī)價(jià)格仍然不菲，但作為普通設(shè)計(jì)公司乃至家庭用戶(hù)使用的桌面式3D打印機(jī)，國(guó)外品牌售價(jià)基本在2萬(wàn)-5萬(wàn)元不等，而國(guó)產(chǎn)3D打印機(jī)售價(jià)已經(jīng)來(lái)到萬(wàn)元以下。

3D打印機(jī)未來(lái)有望熱銷(xiāo)

Stratasys中國(guó)區(qū)總經(jīng)理汪祥艮介紹，3D打印機(jī)主要有四個(gè)方面的應(yīng)用：一是概念模型，藝術(shù)家搞概念的東西，形狀、外體什么樣;二就是結(jié)構(gòu)和外觀(guān)的測(cè)試或者是實(shí)驗(yàn);三個(gè)是一些功能性的測(cè)試;四是直接制造。

過(guò)去的十幾年里，3D打印技術(shù)的主要使用者是設(shè)計(jì)師、工程師和科學(xué)家，3D打印機(jī)可以幫助他們制造一次性的各種產(chǎn)品或模型。比如建筑設(shè)計(jì)師就可以把設(shè)計(jì)圖上的原稿通過(guò)3D打印機(jī)做出建筑模型，而科學(xué)家甚至可以直接通過(guò)3D打印機(jī)來(lái)制作高科技產(chǎn)品，英國(guó)將3D打印拓展到人類(lèi)胚胎干細(xì)胞范圍。

打印金屬部件，中國(guó)也行

《十二生肖》電影中，成龍通過(guò)專(zhuān)業(yè)設(shè)備將所掃描的銅像進(jìn)行完美打印。現(xiàn)在揚(yáng)州是使用光敏樹(shù)脂材料，打印出來(lái)的產(chǎn)品畢竟是塑料的，而工業(yè)制造過(guò)程中，使用的絕大多數(shù)零配件是金屬制成品。那么，3D打印技術(shù)能打印金屬制品嗎?

“國(guó)內(nèi)剛剛研究成金屬3D打印技術(shù)，是使用鈦合金粉末作材料，使用激光打印機(jī)打印。而此項(xiàng)技術(shù)，以前也一直為外國(guó)人壟斷?！睋?jù)了解，國(guó)內(nèi)中航重機(jī)不久前剛研制成功鈦合金粉末激光3D打印技術(shù)，憑此項(xiàng)技術(shù)，中航重機(jī)獲得了國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

也能用其他不同材質(zhì)

據(jù)袁剛介紹，目前支持3D打印的材料很多。簡(jiǎn)單說(shuō)，不同公司生產(chǎn)的3D打印機(jī)會(huì)支持不同的材料，樹(shù)脂、尼龍、石膏、塑料這些都是普遍使用的材料，隨著業(yè)界研發(fā)的不斷進(jìn)步，支持鈦、不銹鋼或鋁、鐵金屬材料的打印機(jī)也已經(jīng)出現(xiàn)。

“但激光器要有足夠的能量，且成本很高?！痹瑒傉f(shuō)，“不過(guò)我們?nèi)糇鼋饘倭慵话悴捎眉す庵颇：途荑T造聯(lián)動(dòng)，先用3D打印工藝做一個(gè)鑄造模具，然后通過(guò)石蠟鑄造工藝，生產(chǎn)出所需的金屬物件。用這種工藝制造的金屬零件的強(qiáng)度要比普通鑄件強(qiáng)度高，制造成本也比直接打印金屬零件要便宜得多?！?/p>

應(yīng)用

前景廣闊 問(wèn)題猶存

想象一下，將來(lái)你家有這樣一臺(tái)打印機(jī)，需要杯子的時(shí)候，輸入外形數(shù)據(jù)，就可以打印出一只你想要的杯子。

但是，“神筆馬良”，并不是所有人都能做的。

困難一 耗材較貴

耗材比較貴，如果是進(jìn)口的設(shè)備，國(guó)外會(huì)控制材料，也就是說(shuō)，買(mǎi)他們的設(shè)備一定要搭配耗材。常用的耗材一般有尼龍、光敏樹(shù)脂、金屬等，便宜的尼龍也要幾百元/公斤，而貴的光敏樹(shù)脂、金屬等耗材價(jià)格高達(dá)2000多元/公斤。

困難二 兼容性差

不單耗材，一臺(tái)3D打印機(jī)只能用同類(lèi)耗材，也制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?！翱焖僦圃靽?guó)家工程研究中心揚(yáng)州示范中心”這臺(tái)3D打印機(jī)，只能用光敏樹(shù)脂做耗材，這類(lèi)3D打印機(jī)售價(jià)高達(dá)兩百多萬(wàn)元，金屬類(lèi)的3D打印機(jī)售價(jià)更需要五六百萬(wàn)元。

困難三 家庭用戶(hù)使用門(mén)檻高

記者采訪(fǎng)了解到，目前家庭使用的3D打印機(jī)已經(jīng)在市面上出現(xiàn)，但價(jià)格昂貴，對(duì)使用者知識(shí)要求較高，因此其進(jìn)入普通家庭的門(mén)檻比較高。

一款“入門(mén)級(jí)”掃描設(shè)備價(jià)格都在十幾萬(wàn)元以上，一臺(tái)桌面級(jí)3D打印機(jī)也要兩三萬(wàn)元。

袁剛告訴記者，3D打印技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用主要在三個(gè)方面，一是高端應(yīng)用，如航空航天產(chǎn)品，二是中端工業(yè)應(yīng)用，如企業(yè)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。三是民用，如在醫(yī)療領(lǐng)域。北京等地已經(jīng)出現(xiàn)了為大眾服務(wù)的3D打印照相館。目前揚(yáng)州只有20家左右企業(yè)及個(gè)人前來(lái)利用3D打印。由于成本及知名度的原因，此項(xiàng)技術(shù)還未大規(guī)模推廣開(kāi)來(lái)。

名詞解釋

到底什么是3D打印?在“快速制造國(guó)家工程研究中心揚(yáng)州示范中心”，現(xiàn)場(chǎng)的科技人員給記者進(jìn)行了一回“科普”：通俗地說(shuō)，3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備。之所以通俗地稱(chēng)其為“打印機(jī)”是參照了普通打印機(jī)的技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^(guò)程與噴墨打印十分相似。

“我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫钠胀ù蛴C(jī)可以打印電腦設(shè)計(jì)的平面物品，而所謂的3D打印機(jī)只是打印材料有些不同。”袁剛介紹說(shuō)，普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，打印機(jī)與電腦連接后，通過(guò)電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

紙質(zhì)模型制作中長(zhǎng)使用的紙的類(lèi)型除了波紋紙與硬紙板之外，還有以下幾種類(lèi)型：

卡紙?？埖囊?guī)格很多，厚度也不一樣，常見(jiàn)的有黑、白、灰三色。白卡紙的背面為灰色，兩面質(zhì)感完全不同，不僅有亮光、啞光之分，其紙質(zhì)的細(xì)膩程度差別也很大?？堎|(zhì)地較為柔軟，有一定的強(qiáng)度，常用于紙質(zhì)各種紙盒，且三種顏色的適用性都很好，是制作中型尺寸紙結(jié)構(gòu)非常好的材料之一。

照相紙。尤其適用于外表光潔度較高的紙模型以及各種表面的裝飾。由于照相紙的表面極易刮傷，在粘連時(shí)要非常小心，不要用揮發(fā)性很強(qiáng)的膠液，以避免膠液對(duì)紙的腐蝕。

拷貝紙。通常在設(shè)計(jì)構(gòu)成作業(yè)中使用拷貝紙構(gòu)圖，而在紙質(zhì)模型制作中，拷貝紙也有特別的用途，它柔軟、輕薄、感光且呈現(xiàn)出半透明的通透視覺(jué)效果，制作者可以利用拷貝紙的這些特點(diǎn)，結(jié)合其他紙質(zhì)的色彩、花紋形成特有的視覺(jué)美感。

貼紙和色紙。貼紙和色紙幾乎不用于塑形，而主要起到美化的作用。貼紙的種類(lèi)十分繁多，模擬了現(xiàn)實(shí)生活中常見(jiàn)的各種材質(zhì)和肌理，比如磚墻、瓷磚、地板、布藝、花紋等，制作者可以通過(guò)拼接、對(duì)比、組合等各種方式利用貼紙營(yíng)造需要的表面效果。