3D打印机的浅析

尽头即终点

   随着经济的发展，技术的创新，3d打印技术逐渐深入各个应用领域，从工业级应用到民用级上，国内3D打印技术正逐渐步入商业化。科技部将3D打印技术纳入国家863计划，表明我国政府决策层开始从战略高度重视和认可3D打印技术。3D打印技术最直接的产物就是3D打印机，3D打印机最早由一位名为恩里科·迪尼(Enrico Dini)的发明家所设计，它不仅可以“打印”出一幢完整的建筑，甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品。

一、3D打印机工作原理

    3D打印机是以3D打印技术为主，结合添加剂、制造技术和快速成形技术的一种机器。它以数字模型文件为基础，通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，运用一些金属、蜡、塑料等可粘合材料，采用分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体。它的优势在于产品多样化，制造复杂物品不增加成本，无须组装，设计空间无限，零技能制造，减少废弃副产品，材料无限组合，精确的实体复制。

二、3D打印机种类

    3D打印技术狭义上指“MIT开发的以粉末为基础的制造技术”。广义上指所有的增材制造技术。目前主要的技术形式有：

    1、SLA（Stereo lithography Appearance）立体光固化成型法。主要采用液态光敏树脂原料，通过3D设计软件（CAD）设计出三维数字模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，分层扫描固化叠加成三维工件原型。

    2、SLS（Selective Laser Sintering）选择性激光烧结法。主要采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。

    3、LOM（Laminated Object Manufacturing）分层实体制造法，又称层叠法成形。主要用片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，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一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。

    4、FDM（Fused DepositionModeling）熔积成型法。主要采用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）作为原材料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高 1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y两个维度的平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，这样逐层堆积形成三维实体。

    5、生物绘图技术（Bioplotter）。主要以细胞为原材料，复制一些简单的生命体组织，例如皮肤、肌肉以及血管等，甚至在未来可以制造人体组织如肾脏、肝脏甚至心脏，用于进行器官移植。

三、3D打印优秀案例

    3D打印技术已经普及在生物医疗、食品、教育、建筑设计、工业等很多领域，且充分体现了其打印技术的魅力与灵魂。纵观国内外，很有领域上都有3D打印的优秀案例。

    在生物医疗领域，英国牛津大学的黑根·贝利教授在《科学》杂志上发表，他们已经利用特制3D打印机打印出类似生物组织的材料，打印出来的材料其质地与大脑和脂肪组织相似，可做出类似肌肉样活动的折叠动作，且具备像神经元那样工作的通信网络结构，可用于修复或增强衰竭的器官。

    在食品领域，食物也可以被打印。康奈尔大学的研究人员已经成功打印出了蛋糕。几乎每个人都同意，这个制造食品的终极武器将会打印出巧克力来。位于洛杉矶的建筑设计团队研究出了用普通食糖进行3D打印，他们利用3D打印技术将深度个性化定制融入于蛋糕的设计中，将蛋糕的外观变得多样化。

    在建筑设计领域，纽约rietveld architects公司，是一个专业的建筑设计团队，他们的设计师在设计建筑物的过程中，就是利用以色列的Objet 3D打印机，进行建筑构想的测试与展现。

    在工业领域，美国 Autodesk 公司软件工程师埃文•阿瑟顿通过一台ObjectConnex500 3D打印机，使用橡胶和塑料两种不同材料，混合打印出这款球形音箱的水晶外壳。然后将专门定制的 LumiGeek 微控制器可寻址 RGBLED 灯嵌入到外壳中，从而实现水晶音箱可根据音乐节奏变幻颜色。值得一提的是，LumiGeek 还配备了一款应用程序，支持用户使用 iPad 等移动设备管理音箱的灯光。

    2013年5月5日，25岁的德克萨斯大学法律系学生科迪·威尔森首次完全使用3D打印技术制造出一把手枪。

四、3D打印机在教学中应用

    近年来，很多的高教专业在摸索着创新教学模式，把3D打印系统与教学体系相整合。一方面3D打印机可以提高学生在掌握技术方面的优势，提高学生的科技素养。另一方面利用3D打印机打印出来的立体模型，显著提高学生的设计创造能力。目前在教学中应用最普遍的是SLA和FDM两种3D打印技术。

    SLA主要用于制作模型，在国外大学教学领域上用的比较广泛。它的优势有：光固化成型法成熟度高，由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具，降低错误修复的成本。可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具，可联机操作和远程控制。存在的缺陷有：系统造价高昂，使用和维护成本过高，对工作环境要求苛刻。成型件多为树脂类，强度，刚度，耐热性有限，不利于长时间保存。预处理软件与驱动软件运算量大，软件系统操作复杂，入门困难；立体光固化成型技术被单一公司所垄断。

    FDM主要采用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）作为原材料，目前市场上采用FDM技术较为普遍，有美国MakerBot的Replicator2，金华万豪的Duplicator 3，这款相对比较便宜，一般在4000元到6000元之间。FDM的优势有：操作环境干净、安全可以办公室环境下进行。表面质量较好，易于装配，可以快递构建瓶状或中控零件。原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换，材料费用低。可选用多种材料，如可染色的ABS和医用的ABS、PC、PpsE等，材料利用率高。存在的技术缺陷有：精度较低，难以构建结构复杂的零件。做小件或者精细件时不如SLA技术，最高精度0.127mm。与截面垂直的方向强度小。成形速度相对较慢，不适合构建大型零件。

         MerBotReplicator2                      万豪Duplicator 3

    随着3D打印机逐步降低门槛及应用领域扩大，3D打印机已经进入国内基础教育领域，以下就是3D打印机在国内教学上应用的方式：

    (1)数学系的学生可以将他们的“问题”打印出来，并在他们自己的学习空间中寻找答案，比如打印一个几何体，让他们更直观的去了解几何内部各元素之间的联系。

    (2)工程设计系的学生可以用它打印出自己设计的原型产品进行测试，研究与探索。

    (3)建筑系的学生可以用它简便快速的打印出自己设计的建筑实体模型。

    (4)历史系的学生可以用它来复制有考古意义的物品，方便进一步的观察。

    (5)平面设计系的学生可以用它来制作3D版本的艺术品以及一些基本的模型。

    (6)地理系的学生可以用它来绘制真实的地势图，人口分布图。

    (7)食品系的学生可以用它设计食物的产品造型。

    (8)车辆工程的学生可以打印各种各样的实体汽车部件，便于测试。

    (9)化学系的学生可以把分子模型打印出来观察。

    (10)生物系的学生可以打印出细胞、病毒、器官，和其他重要的生物样本。

    在国外，3D打印机在欧美大学里几乎就是设计物理模型必不可少的工具，主要的应用有：

    (1)机械工程学院：3DSystems的3D打印机可以完整地将电脑中的数字影像转换为实物模型，这样学生可以很好地评估自己的设计成果。

    (2)建筑工程学院：快速、经济的模型建设使打印一栋建筑物模型成为可能。3DSystems的3D打印机可以将一栋建筑物模型分批打印，最后组装成型。这样就可以不单单将学生的设计模型平面展示，而是可以以三维的方式呈现出来。

    (3)工业设计学院：3DSystems的3D打印机可以制造出任何复杂的模型，这些模型可以沙磨和喷涂处理做为工业模型使用。

    (4)美术专业学院：美术专业的学生可以用3DSystems的3D打印机将设计的美术模型打印出来并从人们的评论反馈中继续提高自己的设计水平。

    (5)生物医药学院：3DSystems的3D打印机具有独一无二的彩色打印功能！他可以打印出全色彩的三维模型，这样研究者就可以根据彩色三维模型准确地判断研究课题的方向。