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3D打印的全面解析

魔猴君  知識堂   3209天前

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    提起3D打印,很多人一定會認為,這是一個非常新的技術(shù),但是事實上并不是這樣。3D打印技術(shù)的歷史,并不比噴墨打印短多少,它誕生于1986年。將數(shù)字化的3D圖形轉(zhuǎn)化成為物理實物,這一想法最早是由美國人查爾斯.豪爾申請的專利(Charles W. Hull)申請的專利(美國專利4573330),其原理為立體光刻造型(stereolithography),這一技術(shù)后面我們會有詳解。需要指出的是,這個豪爾先生,同時也是3DSystems公司的創(chuàng)始人,并且推出了第一款工業(yè)化的3D打印設(shè)備。


    在八十年代末期,3D System公司的設(shè)備以及流行起來。但是在同期,出現(xiàn)了另外兩種可以3D成型的技術(shù):熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,F(xiàn)DM)與選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering ,SLS)。FDM技術(shù)與1988年由斯科特克魯姆普發(fā)明(Scott Crump),Stratasys在次年商業(yè)化這一技術(shù),并與1992年售出了第一臺基于熔融沉積成型技術(shù)的3D打印產(chǎn)品。同在1992年,DTM公司也把基于選擇性激光燒蝕技術(shù)的產(chǎn)品推向市場。


    在1993年,美國麻省理工學(xué)院申請了一種新的3D打印技術(shù),名字就叫做“三維打印技術(shù)”(3 Dimensional Printing techniques),這是一種依賴已有噴墨技術(shù)的3D成型技術(shù),Z Corporation取得了麻省理工學(xué)院的專利授權(quán),并在1995年推出了第一款產(chǎn)品。


    此后的十余年,是3D打印的發(fā)展時期,各個公司都在努力的去降低3D打印的成本。在2005年,ZCorp推出了一款里程碑意義的3D打印機產(chǎn)品“Spectrum Z510”,這是第一款能夠進行高分辨率彩色3D打印的產(chǎn)品。



    在2006年,發(fā)生3D打印界的另外一個標志事件。一個名叫Reprap的開源3D打印計劃公布出來,有興趣的讀者可以訪問他們的官網(wǎng)(http://reprap.org/wiki/WebHome),這一行為,讓3D打印,在很多領(lǐng)域,不再有專利的束縛,普通人自己也可以進行3D打印。不過目前基于此開源計劃的3D打印設(shè)備能打印的物體個頭還都比較小。但是這一技術(shù)卻非常受歡迎,僅僅四年內(nèi),就已經(jīng)發(fā)展出了一個相當復(fù)雜的產(chǎn)品族譜。在淘寶上,一個能打印12厘米見方的3D打印機,只要四千元,可以說已經(jīng)相當?shù)谋阋?,諸位中關(guān)村在線的網(wǎng)友如果有興趣也可以自己買一個,在家就能進行3D成型工作,不過需要指出的是3D打印機個頭偏大,體積與以前的29寸彩電占用的空間差不多,甚至還要大一些。


主流技術(shù):SLA與FDM

    立體光刻造型(stereolithography


    立體光刻造型技術(shù),網(wǎng)友們可以想象一下把一根黃瓜切成很薄的薄片再拼成一整根。先由軟件把3D的數(shù)字模型,“切”成若干個平面,這就形成了很多個剖面,在工作的時候,有一個可以舉升的平臺,這個平臺周圍有一個液體槽,槽里面充滿了可以紫外線照射固化的液體,紫外線激光會從底層做起,固化最底層的,然后平臺下移,固化下一層,如此往復(fù),直到最終成型。


    立體光刻造型(stereolithography)技術(shù)優(yōu)缺點

    優(yōu)點:精度高,可以表現(xiàn)準確的表面和平滑的效果,精度可以達到每層厚度0.05毫米到0.15毫米

    缺點:可以使用的材料有限,并且不能多色成型


    熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,F(xiàn)DM)

    熔融沉積成型技術(shù),同樣是需要把3D的模型薄片化,但是成型的原理不一樣。學(xué)過高等數(shù)學(xué)的朋友都知道積分,熔融沉積成型技術(shù),就是把材料用高溫熔化成液態(tài),然后通過噴嘴擠壓出一個個很小的球狀顆粒,這些顆粒在噴出后立即固化,通過這些顆粒在立體空間的排列組合形成實物。


    1,噴嘴;2,沉積材料;3,可以多方向移動的平臺

    熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,F(xiàn)DM)技術(shù)優(yōu)缺點

    優(yōu)點:成型精度更高、成型實物強度更高、可以彩色成型。

    缺點:成型后表面粗糙


其它主要3D打印技術(shù)

    選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering ,SLS

    選擇性激光燒結(jié)技術(shù),是把3D模型薄片化之后,在一個容器內(nèi),讓其充滿待燒結(jié)的材料粉末,這些粉末可以做的很細,然后由大功率的二氧化碳激光,選擇最底層的3D切片形狀開始燒結(jié),然后平臺下移,材料輥則在已經(jīng)燒結(jié)的部分基礎(chǔ)之上,再鋪上薄薄的一層材料粉末燒結(jié),如此往復(fù),直到整體成型。SLS技術(shù)就是選擇性燒結(jié)料粉末薄層的一部分

    選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering ,SLS)技術(shù)優(yōu)缺點

    優(yōu)點:材料的強度非常高,可選材料從金屬到聚苯乙烯等等,可選材料范圍非常廣泛。

    缺點:成型精度低,成型后表面粗糙,不能彩色成型。

    “三維打印技術(shù)”(3 Dimensional Printing techniques)

    這一技術(shù)和我們今天使用的2D噴墨打印機類似,一樣是通過多個噴嘴,噴射成型材料來逐層打印3D實物。其成型材料分為兩種,一種是成型用的粉末,另外一種是粘接劑,粘接劑可以很快的固化。

     三維打印技術(shù)優(yōu)缺點:

    優(yōu)點:成型精度高,可以彩色成型

    缺點:成型表面粗糙,材料強度差,成型后表面細節(jié)差

    Polyjet與Polyjet矩陣

    Polyjet技術(shù)的3D打印優(yōu)點很多

    這是最近才發(fā)明的技術(shù),其中Polyjet矩陣是Object Geomatries公司2007年發(fā)布的。其技術(shù)原理是噴射超薄層的光固化物,并且可以噴射多種不同的材料,其最薄的層,只有16微米。

    技術(shù)優(yōu)缺點:

    優(yōu)點:成型精確、表面光滑、細節(jié)豐富、可以彩色成型

    缺點:成型材料強度低

    不可或缺的3D掃描

    如果要進行3D打印,必須有www.huisheliren.com數(shù)字化的3D模型才行。除了使用CAD等3D設(shè)計軟件進行3D建模以外,必須有一種方法,把實物通過掃描的辦法,形成數(shù)字化的3D模型,那就是3D掃描儀。


    常見的3D掃描儀有兩種,一種是接觸式的,一種是非接觸式的。目前非接觸式的面狀光柵3D掃描儀是市場上的重點產(chǎn)品,這是結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)和計算機視覺技術(shù)的組合。特點是速度快,精度高(0.03毫米)可掃描的物體體積大。

考古與醫(yī)學(xué)應(yīng)用

    考古與古生物學(xué)

    眾所周知,很多文物非常的珍貴,所以不可能經(jīng)常的搬動,3D打印技術(shù),則可以復(fù)制這些文物,比如陶瓷器、青銅器等,用戶可以知道其準確的3D形狀,這對于提高文物的鑒賞水平是有幫助的,因為在某個特定歷史時期,只會有一些特定的器形。在古生物學(xué)領(lǐng)域,可以通過3D打印來復(fù)制整個古生物的骨架和造型,讓研究人員更立體。


3D打印立體文物

    中國是文物大國,但是在歷次戰(zhàn)亂中,大量的中國文物去了國外,尤其是佛教的造像,很多都身首分離,身子還在國內(nèi),但是頭首卻要么被搶劫,要么被盜賣到了國外,通過3D打印技術(shù),則可以對兩部分分別進行3D掃描,通過計算機技術(shù)拼接成一整個佛教造像,再3D打印出來,形成完整的形狀,還原歷史的原貌。

    醫(yī)學(xué)

    3D打印的醫(yī)學(xué)應(yīng)用很多,主要是復(fù)雜的手術(shù)和牙科。

    人體本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜往往超出我們的想象,有時候外科醫(yī)生,對一些復(fù)雜的手術(shù),往往只能通過CT、核磁共振等醫(yī)學(xué)影像學(xué)資料進行可能的判斷,進而進行手術(shù),但是有的時候,復(fù)雜程度超出想象,手術(shù)成功率低。3D打印技術(shù),可以利用已有的醫(yī)學(xué)影像資料,先打印一個3D的病人模型出來,通過在模型上進行模擬,進而確定可行的手術(shù)方案。


    牙醫(yī)是另外一個3D應(yīng)用的熱門領(lǐng)域。在歐美,牙醫(yī)之所以收入高,是因為這是一個需要憑借經(jīng)驗的工作,很多人在鑲牙的時候,都咬過齒模,牙醫(yī)再憑借經(jīng)驗進行修正。但是如果對患者的口腔進行3D掃描和3D建模、打印,那么就能夠很高精度的打印出病人的口腔結(jié)構(gòu),進行幫助牙醫(yī)制造出準確的假牙。

建筑、工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用

    建筑

    如果不是建筑學(xué)專業(yè)的人,恐怕沒有幾個人能夠在看建筑圖紙的時候就在頭腦中構(gòu)想出建筑物的3D形狀。而通過人手工制作建筑模型則往往成本很高,因為歐美國家人工很貴。而通過3D打印技術(shù),則可以很容易、很快的就能在短時間內(nèi)打印出一個建筑模型,即便客戶有修改意見,同樣可以短時間內(nèi)就完成一個的模型,提高設(shè)計階段的效率。



工業(yè)

     先3D打印一個等比縮小的實物再生產(chǎn)已經(jīng)是很多家具企業(yè)的標準流程

    工業(yè)是3D打印應(yīng)用的核心領(lǐng)域?,F(xiàn)如今工業(yè)設(shè)計非常非常重要,往往是一款產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵。在從設(shè)計到產(chǎn)品化的過程當中,3D打印技術(shù)的參與,加速了工業(yè)設(shè)計的步伐,因為3D打印技術(shù)能夠快速的實現(xiàn)工業(yè)設(shè)計的實物化,尤其是汽車等領(lǐng)域,現(xiàn)在已經(jīng)可以打印出很大的實物,而實物化是設(shè)計必不可少的一步,可以讓無論是設(shè)計師還是企業(yè)的決策者非常直觀的看到產(chǎn)品的形狀,進而做出是否量產(chǎn)的決策。當然,由于選擇性激光燒結(jié)等技術(shù)的存在,還能夠進行小批量的生產(chǎn),因為這一技術(shù)可以成型金屬,有些時候小批量的3D打印,在成本上是優(yōu)于數(shù)字機床切削或是開模鑄造、沖壓的。

    娛樂業(yè)

圖為《鋼鐵俠2》的手部道具,3D打印的產(chǎn)物

    在電影中,我們看到過很多演員扮演的類人形的怪物,傳統(tǒng)上,諸如好萊塢這樣的制片基地,都是通過www.huisheliren.com手工技術(shù)來進行這些特殊的造型,但是現(xiàn)如今已經(jīng)基本都是3D打印模型的天下,很方便就能打印出一個個性化的怪物頭套和全身裝備,效果可以亂真。

    個人制作物體

    123DCatch本來是Autodesk公司AutoCAD的一個插件,現(xiàn)如今iPhone上也可以用,通過多角度拍攝同一物體,就能生成3D的數(shù)據(jù)。類似的應(yīng)用還有Trimensiona等等,喜歡的網(wǎng)友朋友們可以去appstore上尋找。



3D打印,打印的未來?

    3D打印這個詞如今越來越熱,并且很快的在全球范圍內(nèi)得到了應(yīng)用。筆者在廣東做工廠的朋友介紹,如今廣東那邊3D打印一個模型出來,收費大約在500元左右,對于產(chǎn)品的開發(fā)成本來說,并不算高昂,現(xiàn)如今4000塊左右可以買到的3D打印機,能自己成型小的產(chǎn)品或是零件。

    相比2D打印,每年幾百億乃至上千億美元的市場來說,3D打印每年的市場空間只有幾億到十幾億美元,還是一個孕育中的市場。不過2011年2月的經(jīng)濟學(xué)家(The Economist)雜志說道“3D打印技術(shù)可以廉價的成型從單品到成千上萬個產(chǎn)品,進而破壞規(guī)模經(jīng)濟,正如那些3D打印公司所做到的那樣……正如1450年的印刷術(shù)、1750年的蒸汽機和1950年的晶體管,當時沒有人能正確的預(yù)見他們在未來廣闊的應(yīng)用前景,沒有人能預(yù)測3D打印技術(shù)的長期影響。3D打印技術(shù)已經(jīng)到來了,它可能在未來破壞每一個它所觸及的領(lǐng)域?!?

    但是我們看到,對于Stratasys、3D Systems等公司的發(fā)展壯大,傳統(tǒng)的打印業(yè)巨頭們都采取了按兵不動的觀望狀態(tài)。對于這些巨頭來說,一來傳統(tǒng)的2D打印業(yè)務(wù)目前市場還足夠大,二來,這些3D打印公司對這些500強企業(yè)來說還足夠小,一旦這些傳統(tǒng)的打印巨頭提起興趣,在資本市場進行收購,并不是不可能。


   
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