论文部分内容阅读
有了3D打印机，我们可以将电脑里设计的东西打印出来。而且只要价格便宜，我们可以想什么就打印什么。这么“梦幻”的打印生活已经离我们不远了。
原本以为打印只可能印在纸张等平面上的，又何来3D打印之说呢?其实，3D打印机跟传统打印机—样，是一种连接电脑并把电脑中信息输出的设备(其工作方式与喷墨打印机也有些许相似)；最大的不同是，3D打印机输出的是真实的物体模型。因此，人们形象地将其称为“3D打印”。
3D打印对于普通商务用户来说用处不大，但在工业设计或3D模型设计等特殊领域都能够发挥极大的作用。我们知道，一款产品从设计到投产之前会多次修改，而阶段性的设计成果通常会被制成模型来确定效果。这时，再好的设计图纸也不如一个真实的成品模型更有说服力。可惜的是，传统的模型制作方法成本高昂、耗时耗力且精度不高，因此快速成型技术成为设计行业的迫切需要。3D打印则是其中极具发展潜力的快速成型技术之一。现在，让我们从3D打印的发展说起，逐渐了解这一方兴未艾的新技术，并设想它会给我们带来什么样的变化吧。
“快速成型”的迅猛发展催生“3D打印”
虽然在多数人看来3D打印还是一个新生事物，其实在二十年前3D打印设想已开始酝酿。
设计领域许多人都知道3D CAD(3D计算机辅助设计)。从70年代诞生到现在，3D CAD经历了几十年的发展，已经成为广大设计人员的有力工具之一和很多设计领域的重要标准。而快速成型(RapidPrototyping，简称RP)技术几乎与3D CAD的发展同步。换言之，前者其实就是后者发展的写照，因为人们从使用3D CAD的那天起就希望方便地将设计“转化”为实物。
快速成型技术是一种由CAD数据通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。这一成型过程不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状。它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短产品研发周期、提高产品质量并缩减生产成本。
RP在多年的发展中形成了多种流派，如SL(Stereo Lithography，立体光造型)、SLS(Selected Laser Sintering，选择性激光烧结)、3DP(Three Dimensional Printing，三维打印)及FDM(Fused DepositionModeling，熔融沉积制造)等。前两种是基于激光或其它光源的成型技术，设备造价和制作模型成本都比较高昂，因此只在一些特殊领域有所应用；而3DP~FDM则是基于原料喷射成型的技术，不需要昂贵的激光器，成本低了不少，因此成为RP行业中“最亲民”的技术，近几年大有普及之势(由于都有近似喷墨打印机的工作方式，因此人们将它们称为“3D打印机”)。下面我们就与3D打印机来一个近距离接触。
好用不贵的3D打印
之前，3D打印离我们还很遥远，主要是受到以下三个因素影响：
成本太高，这是阻碍3D打印普及的最主要因素
太慢的3D打印速度
较低的打印精度
现在，这样的局面即将被打破——基于快速成型技术的3D打印有了长足进步，早先只有某些行业用户用得起的3D打印机越来越多地出现在各种民用领域中。那么，3D打印机到底是如何实现的呢?
3D打印机是这样工作的
传统的加工手法与雕塑相似，通常是一整块材料按照设计去除无用的部分，剩下的才是精华。而3D打印机采用分层加工、叠加成形方式来“造型”，会将设计品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，再通过逐层叠加获得3D实体。从这点来看，它与喷墨打印机工作方法十分类似，3DP是一层层地印，而喷墨打印机是一条直线一条直线地喷，通过若干直线的叠加形成图像，因此“3D打印机”的称呼也就显得十分贴切了口当然原理相仿的3DP与FDM在实现细节上还是存在较大差别，最终导致了产品的性质和用途各不相同。
3DP
提到3DP，几乎就是美国z Corporation司的代称。早在1994年，几个来自MIT(麻省理工学院)的科研和技术专家就发明了3DP技术并申请了专利。1997年，为了将3DP技术推向市场，Z Corporation公司正式成立。从那时起，Z Corporation就一直占据着3D打印机市场的半壁江山。
3DP工艺的原理是先由储存桶送出一定量的原材料粉末，再用滚筒将粉末在加工平台上推成薄薄一层，接着打印头会喷出一种特殊胶水(黏着剂)，依照电脑模型切片后获得的二维切片形状黏着粉末并使其迅速固化。每喷完一层，加工平台就会自动下降—点，按照刚才的顺序做几次循环直到完成。这时只要扫除松散的外层粉末便可得到想要的实体模型。
这种技术的特点是成型速度快，制作成本低。它目前可以达到每小时25mm垂直高度的成型速度，每层厚度为0.089～0.203mm，最高分辨率600dpi。层厚度越薄分辨率越高，实体模型的精细度当然就越高。而且，它能够使用多种原材料(陶瓷颗粒都可以使用)可成型出具有软质PVC特性的模型。如果使用彩色原料，它甚至可以加工出24位彩色模型来。Z Corporadon的3D打印机也是目前唯一能够打印彩色零件的快速成型设备。但3DP工艺制作出来的模型强度不高，主要用于外观概念模型。
FDM
成立于1990年的美国Stratasys公司率先推出了基于FDM技术的快速成型机，并很快发布了基于FDM的Dimension系列3D打印机。由于’FDM技术有其得天独厚的优势。适合汽车、家电、电动工具、机械加工、精密铸造及工艺品制作等领域使用，因此Stratasys的FDM快速成型机目前在全球RP市场已占有近半的比例。那么，FDM的优势何在呢?看完下文你就会对它有一个简单的认识。基于FDM的3D打印机是这样工作的
CAD生成的模型数据先导入3D打印机的控制软件，再经其处理自动生成支撑材料和加热喷头运动路径。这时，加热喷头会在计算机的控制下根据产品零件的截面轮廓信息作平面运动，而热塑性丝状材料由供丝机构送至加热喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态后挤压出来涂覆在相应工作平台上。待到快速冷却后平台上就会形成一层约0.1mm厚的薄片轮廓。这仅仅是完成了一层截面成型，接着工作台会下降一定高度再进行下一层的熔覆，通过周而复始地多层堆迭来形成三维实体。
这样工作是不是看起来很慢?好在Stratasys公司的FDM打印机可以采用两个喷头同时造型，所以制作速度得到了大大提高。而且FDM工艺完成的模型“很干净”——不会有产生毒气和化学污染的危险，使它可以安全地运用于办公环境。
FDM可以采用ABS(由丙烯腈、丁二 烯和苯乙烯三种化学单体合成)或PC(聚碳酸酯)等材料进行制作。目前，FDM工艺在汽车、机械制造等行业中应用最为广泛，其主要原因在于FDM是唯一运用工程材料快速成型的模型工艺。
主流3D打印机
在目前的3 D打印机行业中，ZCorporation和Stratasys两家公司的产品占有绝大多数市场份额。
Z corporation的产品主要有ZPrinter310 Plus、ZPrinter 450和SpectrumZ510三种。除第一款为黑白打印机以外，其它两款都具有彩色打印功能。而且Z Corporation的3D打印机能使用多种原材料，无需支撑结构，但需要做浸洗等后期处理。
Dimension系列3D打印机是美国STRTASY公司的产品，分别是BST768、BST1200、SST768、SST1200以及Hite(Elite为该系列最新机型，精度最高，可以实现0.127mm层厚)。其中BST采用了剥离式技术，即手动剥离成型后的支撑材料；而SST和Elite为水溶式技术，即模型上的支撑材料可用专门的溶液溶解掉，非常适合成型复杂模型。五款机型除了成型精度、成型尺寸圾支撑材料去除方式不同，其它性能基本相同。
3D打印在中国
我国XCRP技术也同样有十分强烈的需求。自90年代初国内就有多所高校开始自主知识产权的RP技术研发。清华大学主要研究RP方面的现代成型学理论、SSM分层实体制造、FDM工艺，并开展了基于SL工艺金属模具的研究；华中科技大学研究LOM(分层实体制造)工艺，推出了HRP系列成型机和成型材料，西安交通大学开发出LPS和CPS系列的光固化成型系统及相应树脂，CPS系统采用紫外灯为光源，成型精度0.2mm。
但是相比RP技术领先的美国、日本等国家，国内还没有一款达到国际水平的3D打印机推向市场，只有部分有实力的企业和科研院到专业的RP或3D打印服务商那里租用3D打印机或者订制模型。国内RP技术在研究队伍、资金投入和普及范围等多方面还有很长的路要走。比较而言，港台地区RP技术应用更为广泛。港台地区相比内地RP技术起步较早——很多高校、企业都有自己的3D打印设备。只不过，港台地区RP技术的重点是应用与推广而并非自主研发。
3D打印的将来：另一场制造业革命?
现在我们已经发现，要想3D打印全面普及，成本、打印精度、速度和原材料的多样性等等都是现在的3D打印机必须不断完善的项目。
第一，成本方面，在不久的将来3D打印机的价格会有大幅下降。一些较小规模的3D打印机制造商已经开始推出—万美元以下的3D打印机，例如Desktop Factory的4995美元打印机。还有一些爱好者从2006年开始也在研制“开源”的3D打印机。他们的目的是希望大家都来参与改良3D打印机，并最终促成低价3D打印机的诞生和普及。第二，开发更为多样的3D打印材料。如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及其他方法难以制作的复合材料等。当然还有金属材料，直接金属成型技术将会成为今后研究与应用的又一个热点。第三，提高3D打印的速度和效率。开拓并行、多材料制造的工艺方法，以便能够直接面向产品制造。改善3D打印系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能。除此之外，还有许多新的成型方法与工艺会在未来应用于3D打印机中。
在未来，3D打印机有可能走进千家万户。有了它，你可以做许多现在看起来匪夷所思的事情，因为从某种角度来说，许多你想到的东西都能直接打印得到。
3D打印机将使工业设计人员可以随时制作设计品的高度仿真模型，交给生产部门或用户，然后根据反馈意见进行进一步修改。家居装饰公司可以根据设计图纸呈现数个逼真、缩小的新家模型供你挑选。整形医师采用特殊材料订制整形所用的不同形状的人造骨骼。这一切用3D打印机只需要很短时间就能完成。
另一方面，你还可以“复制”出你见过的所有东西(当然只是模型)。你可以使用3D照相机或3D扫描仪，甚至仅仅是通过几张平面照片，在电脑上得到目标物的详细3D信息。然后，3D打印机将精确地还原它。新版的芭比娃娃，你可以喜欢几个做几个；如果你愿意，可以为大卫雕像换上自己的面容。最新款的跑车上市，你完全可以照上几张照片，然后制作出精确缩微的车模。但外型专利也许因此会变得难于保护。
最重要的是，它可能改变许多工厂中的生产方式，给制造业带来另一场革命。精密仪器和机械、零部件加工等制造业工人有可能面临“下岗”的威胁，因为使用工程材料或金属原料的3D打印机可以毫不费力地“印”出这些部件，并且要比人工制造精确得多。当然，这也许还要几年才能实现，现在还不必为此担心。
原本以为打印只可能印在纸张等平面上的，又何来3D打印之说呢?其实，3D打印机跟传统打印机—样，是一种连接电脑并把电脑中信息输出的设备(其工作方式与喷墨打印机也有些许相似)；最大的不同是，3D打印机输出的是真实的物体模型。因此，人们形象地将其称为“3D打印”。
3D打印对于普通商务用户来说用处不大，但在工业设计或3D模型设计等特殊领域都能够发挥极大的作用。我们知道，一款产品从设计到投产之前会多次修改，而阶段性的设计成果通常会被制成模型来确定效果。这时，再好的设计图纸也不如一个真实的成品模型更有说服力。可惜的是，传统的模型制作方法成本高昂、耗时耗力且精度不高，因此快速成型技术成为设计行业的迫切需要。3D打印则是其中极具发展潜力的快速成型技术之一。现在，让我们从3D打印的发展说起，逐渐了解这一方兴未艾的新技术，并设想它会给我们带来什么样的变化吧。
“快速成型”的迅猛发展催生“3D打印”
虽然在多数人看来3D打印还是一个新生事物，其实在二十年前3D打印设想已开始酝酿。
设计领域许多人都知道3D CAD(3D计算机辅助设计)。从70年代诞生到现在，3D CAD经历了几十年的发展，已经成为广大设计人员的有力工具之一和很多设计领域的重要标准。而快速成型(RapidPrototyping，简称RP)技术几乎与3D CAD的发展同步。换言之，前者其实就是后者发展的写照，因为人们从使用3D CAD的那天起就希望方便地将设计“转化”为实物。
快速成型技术是一种由CAD数据通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。这一成型过程不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状。它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短产品研发周期、提高产品质量并缩减生产成本。
RP在多年的发展中形成了多种流派，如SL(Stereo Lithography，立体光造型)、SLS(Selected Laser Sintering，选择性激光烧结)、3DP(Three Dimensional Printing，三维打印)及FDM(Fused DepositionModeling，熔融沉积制造)等。前两种是基于激光或其它光源的成型技术，设备造价和制作模型成本都比较高昂，因此只在一些特殊领域有所应用；而3DP~FDM则是基于原料喷射成型的技术，不需要昂贵的激光器，成本低了不少，因此成为RP行业中“最亲民”的技术，近几年大有普及之势(由于都有近似喷墨打印机的工作方式，因此人们将它们称为“3D打印机”)。下面我们就与3D打印机来一个近距离接触。
好用不贵的3D打印
之前，3D打印离我们还很遥远，主要是受到以下三个因素影响：
成本太高，这是阻碍3D打印普及的最主要因素
太慢的3D打印速度
较低的打印精度
现在，这样的局面即将被打破——基于快速成型技术的3D打印有了长足进步，早先只有某些行业用户用得起的3D打印机越来越多地出现在各种民用领域中。那么，3D打印机到底是如何实现的呢?
3D打印机是这样工作的
传统的加工手法与雕塑相似，通常是一整块材料按照设计去除无用的部分，剩下的才是精华。而3D打印机采用分层加工、叠加成形方式来“造型”，会将设计品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，再通过逐层叠加获得3D实体。从这点来看，它与喷墨打印机工作方法十分类似，3DP是一层层地印，而喷墨打印机是一条直线一条直线地喷，通过若干直线的叠加形成图像，因此“3D打印机”的称呼也就显得十分贴切了口当然原理相仿的3DP与FDM在实现细节上还是存在较大差别，最终导致了产品的性质和用途各不相同。
3DP
提到3DP，几乎就是美国z Corporation司的代称。早在1994年，几个来自MIT(麻省理工学院)的科研和技术专家就发明了3DP技术并申请了专利。1997年，为了将3DP技术推向市场，Z Corporation公司正式成立。从那时起，Z Corporation就一直占据着3D打印机市场的半壁江山。
3DP工艺的原理是先由储存桶送出一定量的原材料粉末，再用滚筒将粉末在加工平台上推成薄薄一层，接着打印头会喷出一种特殊胶水(黏着剂)，依照电脑模型切片后获得的二维切片形状黏着粉末并使其迅速固化。每喷完一层，加工平台就会自动下降—点，按照刚才的顺序做几次循环直到完成。这时只要扫除松散的外层粉末便可得到想要的实体模型。
这种技术的特点是成型速度快，制作成本低。它目前可以达到每小时25mm垂直高度的成型速度，每层厚度为0.089～0.203mm，最高分辨率600dpi。层厚度越薄分辨率越高，实体模型的精细度当然就越高。而且，它能够使用多种原材料(陶瓷颗粒都可以使用)可成型出具有软质PVC特性的模型。如果使用彩色原料，它甚至可以加工出24位彩色模型来。Z Corporadon的3D打印机也是目前唯一能够打印彩色零件的快速成型设备。但3DP工艺制作出来的模型强度不高，主要用于外观概念模型。
FDM
成立于1990年的美国Stratasys公司率先推出了基于FDM技术的快速成型机，并很快发布了基于FDM的Dimension系列3D打印机。由于’FDM技术有其得天独厚的优势。适合汽车、家电、电动工具、机械加工、精密铸造及工艺品制作等领域使用，因此Stratasys的FDM快速成型机目前在全球RP市场已占有近半的比例。那么，FDM的优势何在呢?看完下文你就会对它有一个简单的认识。基于FDM的3D打印机是这样工作的
CAD生成的模型数据先导入3D打印机的控制软件，再经其处理自动生成支撑材料和加热喷头运动路径。这时，加热喷头会在计算机的控制下根据产品零件的截面轮廓信息作平面运动，而热塑性丝状材料由供丝机构送至加热喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态后挤压出来涂覆在相应工作平台上。待到快速冷却后平台上就会形成一层约0.1mm厚的薄片轮廓。这仅仅是完成了一层截面成型，接着工作台会下降一定高度再进行下一层的熔覆，通过周而复始地多层堆迭来形成三维实体。
这样工作是不是看起来很慢?好在Stratasys公司的FDM打印机可以采用两个喷头同时造型，所以制作速度得到了大大提高。而且FDM工艺完成的模型“很干净”——不会有产生毒气和化学污染的危险，使它可以安全地运用于办公环境。
FDM可以采用ABS(由丙烯腈、丁二 烯和苯乙烯三种化学单体合成)或PC(聚碳酸酯)等材料进行制作。目前，FDM工艺在汽车、机械制造等行业中应用最为广泛，其主要原因在于FDM是唯一运用工程材料快速成型的模型工艺。
主流3D打印机
在目前的3 D打印机行业中，ZCorporation和Stratasys两家公司的产品占有绝大多数市场份额。
Z corporation的产品主要有ZPrinter310 Plus、ZPrinter 450和SpectrumZ510三种。除第一款为黑白打印机以外，其它两款都具有彩色打印功能。而且Z Corporation的3D打印机能使用多种原材料，无需支撑结构，但需要做浸洗等后期处理。
Dimension系列3D打印机是美国STRTASY公司的产品，分别是BST768、BST1200、SST768、SST1200以及Hite(Elite为该系列最新机型，精度最高，可以实现0.127mm层厚)。其中BST采用了剥离式技术，即手动剥离成型后的支撑材料；而SST和Elite为水溶式技术，即模型上的支撑材料可用专门的溶液溶解掉，非常适合成型复杂模型。五款机型除了成型精度、成型尺寸圾支撑材料去除方式不同，其它性能基本相同。
3D打印在中国
我国XCRP技术也同样有十分强烈的需求。自90年代初国内就有多所高校开始自主知识产权的RP技术研发。清华大学主要研究RP方面的现代成型学理论、SSM分层实体制造、FDM工艺，并开展了基于SL工艺金属模具的研究；华中科技大学研究LOM(分层实体制造)工艺，推出了HRP系列成型机和成型材料，西安交通大学开发出LPS和CPS系列的光固化成型系统及相应树脂，CPS系统采用紫外灯为光源，成型精度0.2mm。
但是相比RP技术领先的美国、日本等国家，国内还没有一款达到国际水平的3D打印机推向市场，只有部分有实力的企业和科研院到专业的RP或3D打印服务商那里租用3D打印机或者订制模型。国内RP技术在研究队伍、资金投入和普及范围等多方面还有很长的路要走。比较而言，港台地区RP技术应用更为广泛。港台地区相比内地RP技术起步较早——很多高校、企业都有自己的3D打印设备。只不过，港台地区RP技术的重点是应用与推广而并非自主研发。
3D打印的将来：另一场制造业革命?
现在我们已经发现，要想3D打印全面普及，成本、打印精度、速度和原材料的多样性等等都是现在的3D打印机必须不断完善的项目。
第一，成本方面，在不久的将来3D打印机的价格会有大幅下降。一些较小规模的3D打印机制造商已经开始推出—万美元以下的3D打印机，例如Desktop Factory的4995美元打印机。还有一些爱好者从2006年开始也在研制“开源”的3D打印机。他们的目的是希望大家都来参与改良3D打印机，并最终促成低价3D打印机的诞生和普及。第二，开发更为多样的3D打印材料。如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及其他方法难以制作的复合材料等。当然还有金属材料，直接金属成型技术将会成为今后研究与应用的又一个热点。第三，提高3D打印的速度和效率。开拓并行、多材料制造的工艺方法，以便能够直接面向产品制造。改善3D打印系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能。除此之外，还有许多新的成型方法与工艺会在未来应用于3D打印机中。
在未来，3D打印机有可能走进千家万户。有了它，你可以做许多现在看起来匪夷所思的事情，因为从某种角度来说，许多你想到的东西都能直接打印得到。
3D打印机将使工业设计人员可以随时制作设计品的高度仿真模型，交给生产部门或用户，然后根据反馈意见进行进一步修改。家居装饰公司可以根据设计图纸呈现数个逼真、缩小的新家模型供你挑选。整形医师采用特殊材料订制整形所用的不同形状的人造骨骼。这一切用3D打印机只需要很短时间就能完成。
另一方面，你还可以“复制”出你见过的所有东西(当然只是模型)。你可以使用3D照相机或3D扫描仪，甚至仅仅是通过几张平面照片，在电脑上得到目标物的详细3D信息。然后，3D打印机将精确地还原它。新版的芭比娃娃，你可以喜欢几个做几个；如果你愿意，可以为大卫雕像换上自己的面容。最新款的跑车上市，你完全可以照上几张照片，然后制作出精确缩微的车模。但外型专利也许因此会变得难于保护。
最重要的是，它可能改变许多工厂中的生产方式，给制造业带来另一场革命。精密仪器和机械、零部件加工等制造业工人有可能面临“下岗”的威胁，因为使用工程材料或金属原料的3D打印机可以毫不费力地“印”出这些部件，并且要比人工制造精确得多。当然，这也许还要几年才能实现，现在还不必为此担心。