• 正在加载中...
  • 3D打印技术

    3D打印(3DP)即快速成型技术的一种,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粘合材料,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。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后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。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 三维打印 英文名: 3D printing
    别名: 3D打印 使用类型: 打印
    发明时间: 1986年 发明人: 查克·赫尔(Charles Hull)
    • 尼摩船长盗版有可能因为3D打印技术而会变得更加猖獗。

    目录

    简介/3D打印技术 编辑

    桌面上的3D打印机桌面上的3D打印机

    3D打印技术又称积层制造(Additive Manufacturing,AM),属于快速成形技术的一种,它是一种数字模型文件为基础直接制造几乎任意形状三维实体的技术。3D打印运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层堆叠累积的方式来构造物体,即“层造形法”。3D打印与传统的机械加工技术

    3D打印咖啡桌3D打印咖啡桌
    不同,后者通常采用切削或钻孔技术(即减材工艺)实现。 过去其常在模具制造、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。特别是一些高价值应用(比如髋关节牙齿,或一些飞机零部件)已经有使用这种技术打印而成的零部件,意味着“3D打印”这项技术的普及。

    3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长,其价格也正逐年下降。

    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。

    历史/3D打印技术 编辑

    3D打印超级跑车3D打印超级跑车
    长久以来科学家和技术工作者一直有着一个复制技术的设想,但直到20世纪80年代,3D打印的概念才算真正开始实现。1982年,日本名古屋市工业研究所首次公开实现实体模型的印制。但直到2010年代才出现商业的3D打印机。 然而,最常被冠以发明“现代”3D打印机的人是查尔斯·W·赫尔(Chuck Hull)。自21世纪初,3D打印机销量大增,进而价格也明显下降。根据总部位于美国的全球知名的从事3D打印行业研究的咨询机构Wohlers Associates, Inc统计,2012年3D打印机及其服务市场达到了22亿美元,比2011年增长了29%。2015年增长了46%。

    术语/3D打印技术 编辑

    “增材制造”(Additive manufacturing)用来指通过层层叠加制造实体的技术。制造出的实体可用于从试制(即快速原型)到最终产品的规模化生产(即快速制造)整个生命周期内任何地方。

    3D打印月饼3D打印月饼

    一般原理/3D打印技术 编辑

    三维设计

    3D打印技术3D打印技术

    3D打印的设计过程是:先通过计算机辅助设计 (CAD)或计算机动画建模软件 建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,从而指导打印机逐层打印。

    设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式 。一个STL文件使用三角面来大致模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY 是一种通过扫描来产生三维文件的扫描器,其生成的VRML 或者WRL 文件经常被用作全彩打印的输入文件。

    打印过程

    Stratasys机器Stratasys机器

    打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

    打印机打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方

    3D打印机器人3D打印机器人
    向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的。一般的厚度为100微米,即0.1毫米,也有部分打印机如Objet Connex系列还有3D Systems' ProJet系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。 用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天,根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用3D打印的技术则可以将时间缩短为数个小时,当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

    传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品,而3D打印技术则可以以更快,更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的3D打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

    表面

    3D打印搭建房3D打印搭建房
    目前3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够(在弯曲的表面可能会比较粗糙,像图像上的锯齿一样),要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法:先用当前的3D打印机打出稍大一点的物体,再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

    有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物,比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西(如可溶的东西)作为支撑物。

    技术/3D打印技术 编辑

    首款3D打印车试行首款3D打印车试行
    在存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式,并以不同层构建创建部件。有些技术利用熔化或软化可塑性材料的方法来制造打印的“墨水”,例如:选择性激光烧结(selective laser sintering ,SLS)和熔融沉积式(fused deposition modeling ,FDM),还有一些技术是用液体材料作为打印的“墨水”的,例如:立体平板印刷(stereolithography ,SLA)、分层实体制造(laminated object manufacturing ,LOM)。每种技术都有各自的优缺点,因而一些公司会提供多种打印机以供选择。一般来说,主要的考虑因素是打印的速度和成本,3D打印机的价格,物体原型的成本,还有材料以及色彩的选择和成本。

    可以直接打印金属的打印机价格昂贵。有时候人们会先使用普通的3D打印机来制作模具,然后用这些模具制作金属部件。

    累积技术基本材料
    选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)热塑性塑料金属粉末、陶瓷粉末
    直接金属激光烧结(Direct metal laser sintering,DMLS)几乎任何合金
    熔融沉积式(fused deposition modeling,FDM)热塑性塑料共晶系统金属、可食用材料
    立体平版印刷(stereolithography,SLA)光硬化树脂(photopolymer)
    数字光处理(DLP)液态树脂
    熔丝制造(Fused Filament Fabrication,FFF)聚乳酸(PLA)、ABS树脂
    融化压模式(Melted and Extrusion Modeling,MEM)金属线、塑料线
    分层实体制造(laminated object manufacturing,LOM)金属膜、塑料薄膜
    电子束熔化成型(Electron beam melting,EBM)合金
    选择性热烧结(Selective heat sintering,SHS)Thermoplastic powder
    粉末层喷头3D打印(en:Powdger bed and inkjet head 3d printin,PP)石膏

    限制因素/3D打印技术 编辑

    材料的限制

    3D打印迷幻眼镜模拟药物带来幻觉3D打印迷幻眼镜模拟药物带来幻觉
    虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印, 但无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外,打印机也还没有达到成熟的水平,无法支持日常生活中所接触到的各种各样的材料。

    研究者们在多材料打印上已经取得了一定的进展,但除非这些进展达到成熟并有效,否则材料依然会是3D打印的一大障碍。

    机器的限制

    法国6岁男孩装3D打印假手法国6岁男孩装3D打印假手
    3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平,几乎任何静态的形状都可以被打印出来,但是那些运动的物体和它们的清晰度就难 以实现了。这个困难对于制造商来说也许是可以解决的,但是3D打印技术想要进入普通家庭,每个人都能随意打印想要的东西,那么机器的限制就必须得到解决才行。

    知识产权的忧虑

    在过去的几十年里,音乐、电

    3D打印探测车3D打印探测车
    影和电视产业中对知识产权的关注变得越来越多。3D打印技术也会涉及到这一问题,因为现实中的很多东西都会得到更 加广泛的传播。人们可以随意复制任何东西,并且数量不限。如何制定3D打印的法律法规用来保护知识产权,也是我们面临的问题之一,否则就会出现泛滥的现象。

    道德的挑战

    道德是底线。什么样的东西会违反道德规律是很难界定的,如果有人打印出生物器官和活体组织,在不久的将来会遇到极大的道德挑战。

    3D打印技术3D打印技术

    3D躶体打印3D躶体打印


    花费的承担

    煎饼3D打印机煎饼3D打印机
    3D打印技术需要承担的花费是高昂的。第一台3D打印机的售价为1万5。如果想要普及到大众,降价是必须的,但又会与成本形成冲突。

    每一种新技术诞生初期都会面临着这些类似的障碍,但相信找到合理的解决方案3D打印技术的发展将会更加迅速,就如同任何渲染软件一样,不断地更新才能达到最终的完善。

    打印机/3D打印技术 编辑


    家用打印机


    欧宇航局3D打印的月球基地模型
    欧宇航局3D打印的月球基地模型

    有一些机构以及公司正在努力开发一般家庭负担得起的3D打印机,其中有许多是相关的。这项工作的推动,并有针对性地DIY/发烧友/早期采用者社区的学术和黑客社区的链接。

    RepRap3D打印机是一个在桌面类的运行时间最长的项目。RepRap项目的目的是产生一个自由和开放源码软件(FOSS)的3D打印机,其规格在GNU通用公共许可证下发布的,并可以打印自己的部分(打印件),以创造更多的机器。截至2010年11月,RepRap可以打印塑料件,并要求电机,电子和一些金属支撑棒来完成。打印印刷电路板,以及金属部件的设备正在研究中。一些公司和个人出售部分创建不同的RepRap设计,开始于2012年的价格约€400 / 500美元

    3D打印食品3D打印食品
    由于RepRap具有的开放源码软件的目的,许多相关的项目都用它的设计中获取灵感,创造一个生态系统的许多相关的或派生的3D打印机,其中大部分也是开源设计。这些开源设计的可用性意味着,发明3D打印机的变体很容易。但是,不同的打印机设计的质量和复杂性不同,套件或成品的质量也良莠不齐。这种快速发展的开源3D打印机的正在得到越来越多的关注,无论是发达国家和发展中国家都在大量定制和设计,因为它可以通过管道在公共领域使用,如Thingiverse制作的适当开源的技术。这项技术也可以协助在可持续发展,这种技术很容易在当地取得资源,因此十分经济,以满足他们的需求。

    开放源码的Fab@Home项目一般使用的打印机,可以使用一个喷嘴做出任何产品,从巧克力到硅密封剂和化学反应物。打印机可以从供应商的工具包项目的设计或组装的形式,在2012年该地区的价格是2000美元。

    许多这些打印机以套件形式提供的,还有一些是完全组装好的形式。完全组装好的Solidoodle2,一个6x6x6英寸的打印机的价格为499美元。打印机套件的价格从400美元为开源SeeMeCNC H-1,500美元的Printrbot,这两者都是来自以前的RepRap打印机的派生模型,到超过2000美元的Fab@Home的2.0双注射器系统。

    商用和家用打印机

    开发和能超级自定义的的基于RepRap的3D打印机制作了一类新的打印机,适用于住宅及商业用途。最便宜的组装打印机是Solidoodle 2,而RepRapPro的DIY套件售价为680美元左右,是最便宜的和最可靠的。还有其他的高端工具包和完全组装好的机器,是基于RepRap的机器增强型号,能以高速和高清晰度来打印。根据不同的应用,打印分辨率和速度的程度介乎个人打印机和工业打印机之间。打印机的价格和其他信息的清单被人维护。大部分最近的delta robots已经用于3D打印来进一步的增加制造的速度。

    应用/3D打印技术 编辑


    工业应用

    用于打印巧克力的3D打印机 用于打印巧克力的3D打印机

    在20世纪80年代初以来,工业的3D打印机已经存在,并已广泛用于快速成型设计和研究目的。这些通常是较大的机器,使用专有的金属粉末,铸造介质(如沙子),塑料或磁带,并用于许多快速原型使用的大学和商业公司。制造工业用3D打印机的公司包括Renishaw,Objet Geometries,Stratasys,3D System和Z Corporation公司。

    快速成型

    主条目:快速成型

    快速成型或快速成形(英语:Rapid prototyping,RP)是一种

    3D打印汽车3D打印汽车
    快速生成模型或者零件的制造技术。在计算机控制与管理下,依靠已有的CAD数据,采用材料精确堆积的方式,即由点堆积成面,由面堆积成三维,最终生成实体。依靠此技术可以生成非常复杂的实体,而且成型的过程中无需模具的辅助。

    快速成型操作流程

    3D打印为受伤海龟重塑下颌3D打印为受伤海龟重塑下颌
    1、轻点电脑屏幕上的“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副二维图像。
    2、而在3D打印时,软件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,后者会将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成型。

    快速制造

    在快速成型技术的进步所带来的使用材料用于最终制造的能力。在材料的使用这些技术进步带来的直接生产成品组件的前景。3D打印技术的优势在于相对廉价的生产少量的零件快速制造。

    3D打印服务

    3D打印情趣用品3D打印情趣用品
    有些公司提供网上在线的3D打印服务,既对消费者也对工业界开放。人们上传自己的3D设计到3D打印服务公司网站,设计被通过工业的3D打印机打印后运到客户。3D打印服务公司的一些例子是Shapeways,Kraftwurx,i.materialise和Freedom Of Creation。MakerBot工业的Thingiverse允许共享的3D打印文件和作为一个社区资源。

    研究

    其他应用程序将包括创造开放源码的科学设备 ,或用于其他科学为基础的应用程序,例如重建古生物化石,复制古老而珍贵文物,重建骨骼和身体各部位的法医病理学,以及重建严重受损来自于犯罪现场调查的证据。

    硅胶3D打印内衣硅胶3D打印内衣

    美国太空总署(NASA)资助美国一位工程师,设计3D食物打印机,如果机器设计成功,不仅能为长途太空任务提供食物,未来地球人类过多引发资源不足时,也能直接印出食物喂饱大众。

    2013年11月,第一把3D打印金 属 枪问世。

    2014年1月,第一个3d打印建筑问世。

    3D打印心脏

    3D打印心脏3D打印心脏

    据外媒报道,美国纽约的一家医院,利用3D打印技术“打印”了一个患先天性心脏病婴儿的心脏,而利用这个心脏模型,医生们能够制定完美的手术方案,而不是等到打开婴儿胸腔的时候再决定如何手术,这极大地提高了手术的成功概率,成本也仅只有数千美元。

    无独有偶,3D打印技术同样应用在其他方面。一群狂热的民间火箭爱好者在不久前利用3D打印技术打造了一支微缩版火箭,能够冲上2万米高空,成本也仅有6000英镑。日本也在最近宣布将利用3D打印技术制作专为盲人设计的地图。

    打印头骨

    3D打印头盖骨可以完成破损头盖骨的修复3D打印头盖骨可以完成破损头盖骨的修复
    2014年10月,3D打印公司OPM(Oxford Performance Materials)宣布与耶鲁大学共同开发3D打印生物医学技术。之前OPM公司已经开发过多种围绕聚合物PEKK(聚醚酮酮)的先进材料技术。此次两家的联合将会更加深入挖掘探索3D打印与PEKK的医学应用。目前,该项目包括头盖骨开发、脸部结构开发、肋骨替换等等。


    PEKK具备良好的特性,其中包括高性能、强度高、生物兼容等。3D打印技术和PEKK的结合将会更好的使3D打印的PEKK材料运用于医学。耶鲁大学Mark Saltzman表示,3D打印技术与PEKK的结合将有力地开发一种独特的治疗方法,在一定程度上实现了创新及陈本降低的结合。


    2014年8月28日,西安市周至县的胡伟(化名)在盖房时不幸被电弧击中头部,由3层楼房高空处坠落,被送到医院紧急手术后虽然保住了性命,但还是导致半个“脑 盖”缺失,严重毁容。第四军医大学西京医院应用3D打印技术辅助,成功为他实施手术,使其成功恢复外观。

     3D打印假肢


    3D打印骨骼模型、3D打印器官骨骼模型、3D打印人工关节、3D打印颈椎……近年来,随着科学技术的发展,3D打印已在医疗应用领域获得很多突破,但在大部分人眼里,这种炫酷又神秘的3D打印技术距离日常生活还很远。然而在目睹了一场不幸之后,身为骨科医生的徐贵升开始尝试用时下流行的3D技术“拯救”一位特殊的残疾人患者,最后成功制作了也许是国内第一个实用型3D打印假肢。更让人振奋的是,3D打印假肢的成本仅仅是传统假肢的十分之一甚至几十分之一。

    历史建筑与数字典藏

    3D打印旋转楼房3D打印旋转楼房
    历史建筑的纪录过去常以图面或照片等平面信息纪录,现代因科技发展而有3D扫描技术可较精准地将历史建筑数字化进行数字典藏,而以此为基础之数据除可妥善保存外,亦可直接或经处理后成为3D数字模型,现在通过3D打印机可将原本仅存在数字世界中的数据实体化,数字化的制造过程更可将人为的误差降到最低,免除过去建筑模型以人工制作时所加入的人为意识或变更产生与实体不符之状况。

    太空应用/3D打印技术 编辑


    未来航天员即使像度假者一样忘记携带太空之旅用品,也没有什么大问题,因为美国“太空制造”公司宣布,将于2014年为国际空间站提供一台3D打印机,供宇航员在轨生产零部件,无需再从地球运输零部件。

    全球首架3D打印飞机全球首架3D打印飞机


    美国“太空制造”公司将与美国太空总署马歇尔航天中心合作,开展在零重力环境中的3D打印技术试验硏究,并计划在明年八月利用美国太空探索技术公司的“龙”飞船,将新硏发的太空3D打印机送往国际空间站。

    “太空制造”公司说,国际空间站现有的三成以上的备用部件都可由这台3D打印机制造。这台设备将使用聚合物和其他材料,利用挤压增量制造技术逐层制造物品。

    该公司首席执行官亚伦·科梅尔表示:“3D打印实验是美国太空总署未来重点硏究项目之一,3D打印零部件和工具将增强太空任务的可靠性和安全性,同时由于不必从地球运输,可降低太空任务成本。

    此外,该公司还计划在2015年为国际空间站提供一个名为“增量生产设备”的太空打印设备,该设备不仅可“打印”物品,还能修理组件并升级硬件等。

    马歇尔航天中心的3D打印项目负责人沃克海泽在声明中说,3D打印技术对美国太空总署的太空探索任务来说至关重要。

    “太空制造”公司于2010年在加利福尼亚州莫菲特场的美国太空总署艾姆斯硏究中心内成立,由奇点大学的校友创建。该公司自2011年秋天以来已展开四百多次抛物线飞行试验,以在微重力环境下验证3D打印技术。

    重要事件/3D打印技术 编辑

    2013年9至12月,日本横滨某大学职员居村佳知(28岁)用家里的电脑和3D打印机制作出树脂材料的枪支部件,并组装成两把手枪。

    2013年11月,涉案男子居村佳知在社交网络上称“虽然已经依照《枪刀法》进行了改造,但仍有被警察搜查的风险,可这是有意义的行为”、“我要进行日本第一把6连发3D打印左轮手枪的试射”,暗示将公布试射视频。居村随后在视频网站上传了自制左轮手枪的射击视频。神奈川警方2014年掌握这些线索后,随即对其展开了调查。

    2014年4月居村佳知在家中持有这些枪支。

    2014年10月20日,日本横滨地方法院对前大学职员居村佳知(28岁)被控违反《枪刀法》和《武器等制造法》用3D打印机自制手枪案做出判决,判处被告有期徒刑两年。检方求刑3年零6个月。检方在总结陈词中指出,被告在网上公开枪支制造方法和3D数据,滥用3D打印机可能会从根本上颠覆通过枪支管制维护的社会治安,“刑事责任重大”。辩方则表示“被告并未意识到自己违法”,要求判处缓刑。

    发展方向/3D打印技术 编辑

    标准和标准的制定机构

    当一间实验室作出了图纸,需要拿出来共享时,会发现有太多的格式和标准了,因此,3D 打印原型机这个领域看起来像是野蛮生长,毫无标准。

    开源的设计、配置和软件

    当有了统一的标准后,3D 打印行业将会迎来开源。现在,太多的团队注重提高自己的3D 打印水平,在自我的闭环中发展。实际上,行业需要设备和软件的开源,在统一的标准下产生更多有用、高效、开放的创新。

    原型机实验室

    原型机打印并不受到重视,所以现在很多医疗器械商都是在一个脏乱、布满灰尘的地方放置打印设备。其实,现在已经有商业化运营的3D 打印实验室,来帮助这些企业打印出质量更高的原型机。

    评价/3D打印技术 编辑

    3D打印煎饼3D打印煎饼
    大部份媒体都予以了正面评价 ,或者因其成本过高而对其发展速度与规模产生了疑问。也有部份媒体对其打印物是否合法产生了怀疑,质疑其打印塑料枪械和手铐钥匙威胁社会治安 。

    政策引领/3D打印技术 编辑

    2015年8月23日,中共中央政治局常委、国务院总理李克强主持国务院专题讲座,讨论加快发展先进制造与3D打印等问题。

    相关文献

    互动百科的词条(含所附图片)系由网友上传,如果涉嫌侵权,请与客服联系,我们将按照法律之相关规定及时进行处理。未经许可,禁止商业网站等复制、抓取本站内容;合理使用者,请注明来源于www.baike.com。

    登录后使用互动百科的服务,将会得到个性化的提示和帮助,还有机会和专业认证智愿者沟通。

    互动百科用户登录注册
    此词条还可添加  信息模块

    WIKI热度

    1. 编辑次数:182次 历史版本
    2. 参与编辑人数:70
    3. 最近更新时间:2018-08-06 10:02:03

    互动百科

    扫码下载APP