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第18章 3D打印
本章导读
3D打印(3D Printing),即快速成形技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属
或塑料等可钻合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印
机来实现的。过去常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,现正逐渐用于一些产品的直接制造,
已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、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、枪支.以及其他领域都有所应用。
 
18.1 什么是3D打印
    3D打印的概念早在几十年前就已提出,只是没有能够研发成功。设计师能在计算机软件中看
到虚拟的三维物体,但要将这些物体用m土、木头或是金属做成模型却非常不易,可以用费时、费
力、费钱来形容。3D打印的出现,使平面变成立体的过程一下简单了很多,设计师的任何改动都可
在几个小时后或一夜之间重新打印出来,而不用花上几周时间等着工厂把新模型制造出来,这样一
来可以大大降低制作成本.而随着科技的不断进步,更多的东西以成品的形式被打印出来,人们才
发现原来还可以这么便利。


 
18.1.1 与普通概念打印机的不同
    在日常生活中,我们所使用的普通打印机可以打印计算机设计的平面图形,而3D打印机顾名
思义,可以打印立体的物体。3D打印机与普通打印机工作原理基本相同,只是打印材料是真实的物体材料。


    普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机材料盒内装有塑料、尼龙、玻璃、金属、
陶瓷、塑料、石膏等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料,打印机与计算机连接后,通过
计算机控制可以把打印材料一层层地盈加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。



    通俗地说,3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备,比如打印一个玩具人
偶,打印玩具手枪,打印各种生活用品,甚至是巧克力。之所以通俗地称其为“打印机”,是因
为这项技术参照了普通打印机的技术原理,分层加工的过程与喷墨打印十分相似,所以这项打
印技术称为3D立体打印技术。下图所示为美国CONNEX500多材料3D打印机。


 
18.1.2 各种价位的3D打印机
    3D打印概念并非是最近才出来的,这个技术最早起源于19世纪末的美国,并在20世纪80年代
初期得以发展和推广。3D打印通常采用数字技术材料打印机来实现:这种打印机的产量及销量自
21世纪以来就已经得到了极大的增长,其价格也正逐年下降,目前便宜的3D打印机价格在两三千
元人民币左右(下图为国产激光打印机,价格三千多元人民币),高级的激光3D打印机价格非
常昂贵,动辄几百万美元。


 
18.1.3 打印成形的方式
    使用普通打印机就像打印一张照片,单击计算机屏幕上的【打印】按钮,一份数字文件便被
传送到一台喷墨打印机上,它将一层墨水喷到纸的表面,以形成一幅二维的照片。而使用3D打印
机时,软件通过CAD计算机辅助设计软件制作一个3D模型,然后对其进行切片分析,并将这些切
片信息传送到3D打印机上,后者会将连续的薄型层面堆益起来(如下图所示),直到一个固态物
体成形。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。



    堆叠薄层的形式多种多样。有些3D打印机使用“喷墨”的方式。例如,一家名为Objet的以色列
3D打印机公司,使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上,然后此涂层被置于紫
外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离,以供下一层堆至上来。另外一家总部位于美国明尼
阿波利斯市的公司Stratasys,使用一种名为“熔积成形”的技术,整个流程是在喷头内熔化塑料,然
后通过沉积塑料纤维的方式形成薄层,容积成形技术适合那种做支撑太浪费材料的打印工作,下图所
示为使用沉积成形技术打印的模型。



    还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上,形成一层极薄的
粉末层,然后由喷出的液态a合剂进行固化。它也可以使用一种名为“激光烧结”的技术熔铸成
指定形状。这也正是德国EOS公司在其叠加工艺制造机上使用的技术。而瑞士的Arcam公司则是利
用真空中的电子流熔化粉末微粒。以上提到的这些仅仅是许多成形方式中的一部分而已。
    当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时,介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑
或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸,最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。如今可
用于打印的介质种类多样,从繁多的塑料到金属、陶瓷及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介
质,令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。下图所示是一个用尼龙材料打印出来的玩具。


    科学家们正在利用3D打印机制造诸如皮肤、肌肉和血管片段等简单的活体组织,很有可能有一
天我们能够制造出像肾脏、肝脏甚至心脏这样的大型人体器官。如果生物打印机能够使用病人自身的
干细胞。那么器官移植后的排异反应将会减少。下图所示为科学家打印出来的人造耳朵器官。


    人们也可以打印食品,比如康奈尔大学的科学家们已经成功打印出了一个蛋糕。几乎所有人
都相信,食品界的杀手级应用将是能够打印食物的机器,下图是3D打印的砂糖模型。




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