時(shí)間：2023-10-11 10:08:16
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原本以為打印只可能印在紙張等平面上的，又何來(lái)3d打印之說(shuō)呢?其實(shí)，3D打印機(jī)跟傳統(tǒng)打印機(jī)―樣，是一種連接電腦并把電腦中信息輸出的設(shè)備(其工作方式與噴墨打印機(jī)也有些許相似)；最大的不同是，3D打印機(jī)輸出的是真實(shí)的物體模型。因此，人們形象地將其稱為“3D打印”。
3D打印對(duì)于普通商務(wù)用戶來(lái)說(shuō)用處不大，但在工業(yè)設(shè)計(jì)或3D模型設(shè)計(jì)等特殊領(lǐng)域都能夠發(fā)揮極大的作用。我們知道，一款產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到投產(chǎn)之前會(huì)多次修改，而階段性的設(shè)計(jì)成果通常會(huì)被制成模型來(lái)確定效果。這時(shí)，再好的設(shè)計(jì)圖紙也不如一個(gè)真實(shí)的成品模型更有說(shuō)服力。可惜的是，傳統(tǒng)的模型制作方法成本高昂、耗時(shí)耗力且精度不高，因此快速成型技術(shù)成為設(shè)計(jì)行業(yè)的迫切需要。3D打印則是其中極具發(fā)展?jié)摿Φ目焖俪尚图夹g(shù)之一。現(xiàn)在，讓我們從3D打印的發(fā)展說(shuō)起，逐漸了解這一方興未艾的新技術(shù)，并設(shè)想它會(huì)給我們帶來(lái)什么樣的變化吧。
“快速成型”的迅猛發(fā)展催生“3D打印”
雖然在多數(shù)人看來(lái)3D打印還是一個(gè)新生事物，其實(shí)在二十年前3D打印設(shè)想已開始醞釀。
設(shè)計(jì)領(lǐng)域許多人都知道3D CAD(3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))。從70年代誕生到現(xiàn)在，3D CAD經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為廣大設(shè)計(jì)人員的有力工具之一和很多設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要標(biāo)準(zhǔn)。而快速成型(RapidPrototyping，簡(jiǎn)稱RP)技術(shù)幾乎與3D CAD的發(fā)展同步。換言之，前者其實(shí)就是后者發(fā)展的寫照，因?yàn)槿藗儚氖褂?D CAD的那天起就希望方便地將設(shè)計(jì)“轉(zhuǎn)化”為實(shí)物。
快速成型技術(shù)是一種由CAD數(shù)據(jù)通過(guò)成型設(shè)備以材料累加的方式制成實(shí)物模型的技術(shù)。這一成型過(guò)程不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床就可以打造出任意形狀。它可以自動(dòng)、快速、直接和精確地將計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效地縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量并縮減生產(chǎn)成本。
RP在多年的發(fā)展中形成了多種流派，如SL(Stereo Lithography，立體光造型)、SLS(Selected Laser Sintering，選擇性激光燒結(jié))、3DP(Three Dimensional Printing，三維打印)及FDM(Fused DepositionModeling，熔融沉積制造)等。前兩種是基于激光或其它光源的成型技術(shù)，設(shè)備造價(jià)和制作模型成本都比較高昂，因此只在一些特殊領(lǐng)域有所應(yīng)用；而3DP~FDM則是基于原料噴射成型的技術(shù)，不需要昂貴的激光器，成本低了不少，因此成為RP行業(yè)中“最親民”的技術(shù)，近幾年大有普及之勢(shì)(由于都有近似噴墨打印機(jī)的工作方式，因此人們將它們稱為“3D打印機(jī)”)。下面我們就與3D打印機(jī)來(lái)一個(gè)近距離接觸。
好用不貴的3D打印
之前，3D打印離我們還很遙遠(yuǎn)，主要是受到以下三個(gè)因素影響：
成本太高，這是阻礙3D打印普及的最主要因素
太慢的3D打印速度
較低的打印精度
現(xiàn)在，這樣的局面即將被打破――基于快速成型技術(shù)的3D打印有了長(zhǎng)足進(jìn)步，早先只有某些行業(yè)用戶用得起的3D打印機(jī)越來(lái)越多地出現(xiàn)在各種民用領(lǐng)域中。那么，3D打印機(jī)到底是如何實(shí)現(xiàn)的呢?
3D打印機(jī)是這樣工作的
傳統(tǒng)的加工手法與雕塑相似，通常是一整塊材料按照設(shè)計(jì)去除無(wú)用的部分，剩下的才是精華。而3D打印機(jī)采用分層加工、疊加成形方式來(lái)“造型”，會(huì)將設(shè)計(jì)品分為若干薄層，每次用原材料生成一個(gè)薄層，再通過(guò)逐層疊加獲得3D實(shí)體。從這點(diǎn)來(lái)看，它與噴墨打印機(jī)工作方法十分類似，3DP是一層層地印，而噴墨打印機(jī)是一條直線一條直線地噴，通過(guò)若干直線的疊加形成圖像，因此“3D打印機(jī)”的稱呼也就顯得十分貼切了口當(dāng)然原理相仿的3DP與FDM在實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)上還是存在較大差別，最終導(dǎo)致了產(chǎn)品的性質(zhì)和用途各不相同。
3DP
提到3DP，幾乎就是美國(guó)z Corporation司的代稱。早在1994年，幾個(gè)來(lái)自MIT(麻省理工學(xué)院)的科研和技術(shù)專家就發(fā)明了3DP技術(shù)并申請(qǐng)了專利。1997年，為了將3DP技術(shù)推向市場(chǎng)，Z Corporation公司正式成立。從那時(shí)起，Z Corporation就一直占據(jù)著3D打印機(jī)市場(chǎng)的半壁江山。
3DP工藝的原理是先由儲(chǔ)存桶送出一定量的原材料粉末，再用滾筒將粉末在加工平臺(tái)上推成薄薄一層，接著打印頭會(huì)噴出一種特殊膠水(黏著劑)，依照電腦模型切片后獲得的二維切片形狀黏著粉末并使其迅速固化。每噴完一層，加工平臺(tái)就會(huì)自動(dòng)下降―點(diǎn)，按照剛才的順序做幾次循環(huán)直到完成。這時(shí)只要掃除松散的外層粉末便可得到想要的實(shí)體模型。
這種技術(shù)的特點(diǎn)是成型速度快，制作成本低。它目前可以達(dá)到每小時(shí)25mm垂直高度的成型速度，每層厚度為0.089～0.203mm，最高分辨率600dpi。層厚度越薄分辨率越高，實(shí)體模型的精細(xì)度當(dāng)然就越高。而且，它能夠使用多種原材料(陶瓷顆粒都可以使用)可成型出具有軟質(zhì)PVC特性的模型。如果使用彩色原料，它甚至可以加工出24位彩色模型來(lái)。Z Corporadon的3D打印機(jī)也是目前唯一能夠打印彩色零件的快速成型設(shè)備。但3DP工藝制作出來(lái)的模型強(qiáng)度不高，主要用于外觀概念模型。
FDM
成立于1990年的美國(guó)Stratasys公司率先推出了基于FDM技術(shù)的快速成型機(jī)，并很快了基于FDM的Dimension系列3D打印機(jī)。由于’FDM技術(shù)有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。適合汽車、家電、電動(dòng)工具、機(jī)械加工、精密鑄造及工藝品制作等領(lǐng)域使用，因此Stratasys的FDM快速成型機(jī)目前在全球RP市場(chǎng)已占有近半的比例。那么，F(xiàn)DM的優(yōu)勢(shì)何在呢?看完下文你就會(huì)對(duì)它有一個(gè)簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)。基于FDM的3D打印機(jī)是這樣工作的
CAD生成的模型數(shù)據(jù)先導(dǎo)入3D打印機(jī)的控制軟件，再經(jīng)其處理自動(dòng)生成支撐材料和加熱噴頭運(yùn)動(dòng)路徑。這時(shí)，加熱噴頭會(huì)在計(jì)算機(jī)的控制下根據(jù)產(chǎn)品零件的截面輪廓信息作平面運(yùn)動(dòng)，而熱塑性絲狀材料由供絲機(jī)構(gòu)送至加熱噴頭，并在噴頭中加熱和熔化成半液態(tài)后擠壓出來(lái)涂覆在相應(yīng)工作平臺(tái)上。待到快速冷卻后平臺(tái)上就會(huì)形成一層約0.1mm厚的薄片輪廓。這僅僅是完成了一層截面成型，接著工作臺(tái)會(huì)下降一定高度再進(jìn)行下一層的熔覆，通過(guò)周而復(fù)始地多層堆迭來(lái)形成三維實(shí)體。
這樣工作是不是看起來(lái)很慢?好在Stratasys公司的FDM打印機(jī)可以采用兩個(gè)噴頭同時(shí)造型，所以制作速度得到了大大提高。而且FDM工藝完成的模型“很干凈”――不會(huì)有產(chǎn)生毒氣和化學(xué)污染的危險(xiǎn)，使它可以安全地運(yùn)用于辦公環(huán)境。
FDM可以采用ABS(由丙烯腈、丁二 烯和苯乙烯三種化學(xué)單體合成)或PC(聚碳酸酯)等材料進(jìn)行制作。目前，F(xiàn)DM工藝在汽車、機(jī)械制造等行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛，其主要原因在于FDM是唯一運(yùn)用工程材料快速成型的模型工藝。
主流3D打印機(jī)
在目前的3 D打印機(jī)行業(yè)中，ZCorporation和Stratasys兩家公司的產(chǎn)品占有絕大多數(shù)市場(chǎng)份額。
Z corporation的產(chǎn)品主要有ZPrinter310 Plus、ZPrinter 450和SpectrumZ510三種。除第一款為黑白打印機(jī)以外，其它兩款都具有彩色打印功能。而且Z Corporation的3D打印機(jī)能使用多種原材料，無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，但需要做浸洗等后期處理。
Dimension系列3D打印機(jī)是美國(guó)STRTASY公司的產(chǎn)品，分別是BST768、BST1200、SST768、SST1200以及Hite(Elite為該系列最新機(jī)型，精度最高，可以實(shí)現(xiàn)0.127mm層厚)。其中BST采用了剝離式技術(shù)，即手動(dòng)剝離成型后的支撐材料；而SST和Elite為水溶式技術(shù)，即模型上的支撐材料可用專門的溶液溶解掉，非常適合成型復(fù)雜模型。五款機(jī)型除了成型精度、成型尺寸圾支撐材料去除方式不同，其它性能基本相同。
3D打印在中國(guó)
我國(guó)XCRP技術(shù)也同樣有十分強(qiáng)烈的需求。自90年代初國(guó)內(nèi)就有多所高校開始自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RP技術(shù)研發(fā)。清華大學(xué)主要研究RP方面的現(xiàn)代成型學(xué)理論、SSM分層實(shí)體制造、FDM工藝，并開展了基于SL工藝金屬模具的研究；華中科技大學(xué)研究LOM(分層實(shí)體制造)工藝，推出了HRP系列成型機(jī)和成型材料，西安交通大學(xué)開發(fā)出LPS和CPS系列的光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)樹脂，CPS系統(tǒng)采用紫外燈為光源，成型精度0.2mm。
但是相比RP技術(shù)領(lǐng)先的美國(guó)、日本等國(guó)家，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一款達(dá)到國(guó)際水平的3D打印機(jī)推向市場(chǎng)，只有部分有實(shí)力的企業(yè)和科研院到專業(yè)的RP或3D打印服務(wù)商那里租用3D打印機(jī)或者訂制模型。國(guó)內(nèi)RP技術(shù)在研究隊(duì)伍、資金投入和普及范圍等多方面還有很長(zhǎng)的路要走。比較而言，港臺(tái)地區(qū)RP技術(shù)應(yīng)用更為廣泛。港臺(tái)地區(qū)相比內(nèi)地RP技術(shù)起步較早――很多高校、企業(yè)都有自己的3D打印設(shè)備。只不過(guò)，港臺(tái)地區(qū)RP技術(shù)的重點(diǎn)是應(yīng)用與推廣而并非自主研發(fā)。
3D打印的將來(lái)：另一場(chǎng)制造業(yè)革命?
現(xiàn)在我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，要想3D打印全面普及，成本、打印精度、速度和原材料的多樣性等等都是現(xiàn)在的3D打印機(jī)必須不斷完善的項(xiàng)目。
第一，成本方面，在不久的將來(lái)3D打印機(jī)的價(jià)格會(huì)有大幅下降。一些較小規(guī)模的3D打印機(jī)制造商已經(jīng)開始推出―萬(wàn)美元以下的3D打印機(jī)，例如Desktop Factory的4995美元打印機(jī)。還有一些愛(ài)好者從2006年開始也在研制“開源”的3D打印機(jī)。他們的目的是希望大家都來(lái)參與改良3D打印機(jī)，并最終促成低價(jià)3D打印機(jī)的誕生和普及。第二，開發(fā)更為多樣的3D打印材料。如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及其他方法難以制作的復(fù)合材料等。當(dāng)然還有金屬材料，直接金屬成型技術(shù)將會(huì)成為今后研究與應(yīng)用的又一個(gè)熱點(diǎn)。第三，提高3D打印的速度和效率。開拓并行、多材料制造的工藝方法，以便能夠直接面向產(chǎn)品制造。改善3D打印系統(tǒng)的可靠性、生產(chǎn)率和制作大件能力，尤其是提高成型件的精度、表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能。除此之外，還有許多新的成型方法與工藝會(huì)在未來(lái)應(yīng)用于3D打印機(jī)中。
在未來(lái)，3D打印機(jī)有可能走進(jìn)千家萬(wàn)戶。有了它，你可以做許多現(xiàn)在看起來(lái)匪夷所思的事情，因?yàn)閺哪撤N角度來(lái)說(shuō)，許多你想到的東西都能直接打印得到。
3D打印機(jī)將使工業(yè)設(shè)計(jì)人員可以隨時(shí)制作設(shè)計(jì)品的高度仿真模型，交給生產(chǎn)部門或用戶，然后根據(jù)反饋意見(jiàn)進(jìn)行進(jìn)一步修改。家居裝飾公司可以根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙呈現(xiàn)數(shù)個(gè)逼真、縮小的新家模型供你挑選。整形醫(yī)師采用特殊材料訂制整形所用的不同形狀的人造骨骼。這一切用3D打印機(jī)只需要很短時(shí)間就能完成。
關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù) 簡(jiǎn)介 工作原理 優(yōu)勢(shì) 展望
3D打印技術(shù)以前主要用來(lái)制造一些比較小型的東西。時(shí)至今日，一些大型制造商已經(jīng)開始準(zhǔn)備將其用來(lái)制造更大的物件。一些3D打印設(shè)備的制造商認(rèn)為，隨著這種技術(shù)的成熟，將來(lái)一些汽車零部件的庫(kù)存只需要保留電子文檔，而無(wú)需制造出來(lái)存在倉(cāng)庫(kù)。一旦有需要，直接打印即可。
一、3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介
3D打印技術(shù)是指通過(guò)連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來(lái)生成三維實(shí)體的技術(shù)，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)不同，因此又稱為添加制造（AM，Additive Manufacturing）。作為一種綜合性應(yīng)用技術(shù)，3D打印綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識(shí)，具有很高的科技含量。3D打印機(jī)是3D打印的核心裝備。它是集機(jī)械、控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設(shè)計(jì)與控制軟件等也是3D打印技術(shù)體系的重要組成部分。
目前，3D打印技術(shù)主要被應(yīng)用于產(chǎn)品原型、模具制造以及藝術(shù)創(chuàng)作、珠寶制作等領(lǐng)域，替代這些領(lǐng)域傳統(tǒng)依賴的精細(xì)加工工藝。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程與醫(yī)學(xué)、建筑、服裝等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的引入也為創(chuàng)新開拓了廣闊的空間。如2010年澳大利亞Invetech公司和美國(guó)Organovo公司合作，嘗試以活體細(xì)胞為“墨水”打印人體的組織和器官，是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重大意義的創(chuàng)新。
二、3D打印機(jī)的工作原理
3D打印機(jī)的工作原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，通俗地說(shuō)，首先在電腦上設(shè)計(jì)一個(gè)完整的三維立體模型（也成為計(jì)算機(jī)輔設(shè)計(jì)），然后把膠體或粉末等“打印材料”裝入打印機(jī)，再將打印機(jī)與電腦相連接，就可以通過(guò)電腦控制把“打印材料”和三維立體模型一層層地疊加，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。這種通過(guò)連續(xù)的物理層創(chuàng)建出三維對(duì)象的3D打印技術(shù)是疊加式制造工序的一種形式，與傳統(tǒng)的疊加式制造工序相比，其具有速度快、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。
在Windows網(wǎng)絡(luò)或工作站上運(yùn)行的打印設(shè)備軟件可以讀取大部分的3D文件格式計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)繪圖數(shù)據(jù)。
這種軟件的作用就是將數(shù)據(jù)傳輸至3D打印設(shè)備，從而控制印刷頭的移動(dòng)與材料輸出。在3D打印設(shè)備工作時(shí)，塑性模型材料細(xì)絲與可溶性支撐材料將被加熱至半液體狀態(tài)，然后通過(guò)擠壓頭輸出，精確地沉積成極其細(xì)微的分層。分層的厚度范圍在0.005英寸至0.013英寸（即0.127毫米至0.33毫米），具體數(shù)值取決于打印設(shè)備性能。
印刷頭只沿水平方向或垂直方向移動(dòng)，模型與支撐材料將自低而上地構(gòu)造，壓盤根據(jù)實(shí)際情況上下移動(dòng)。在構(gòu)造模型時(shí)，有了支撐材料（圖中褐色部分物件）的承托，模型的懸掛部分能夠順利完成材料沉積，此外，支撐材料還有助于構(gòu)造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，如嵌套結(jié)構(gòu)，以及具有移動(dòng)部件的多重組件。打印工作完成后，可以將模型置于水中，支撐材料將會(huì)自行溶解，如果需要，還可以為模型涂上顏料，或者進(jìn)行其它處理。
三、使用3D打印技術(shù)，加快設(shè)計(jì)周期
一項(xiàng)產(chǎn)品停留在設(shè)計(jì)周期的時(shí)間越長(zhǎng)，推向市場(chǎng)的時(shí)間也會(huì)越漫長(zhǎng)，這意味著企業(yè)的潛在利潤(rùn)將會(huì)越來(lái)越少。某項(xiàng)調(diào)查表明，產(chǎn)品的上市時(shí)間是受訪者最關(guān)心的日常問(wèn)題。受訪者同樣表示，在17%的產(chǎn)品中，產(chǎn)品原型制作消耗相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，是縮短上市時(shí)間的最大障礙。
業(yè)界普遍認(rèn)為產(chǎn)品應(yīng)該更加快速地推向市場(chǎng)。隨著縮短上市時(shí)間的重要性越來(lái)越大，在設(shè)計(jì)的概念階段，企業(yè)不得不縮減決策時(shí)間，同時(shí)又必須確保所作決定的準(zhǔn)確性。這些決定會(huì)影響大部分的成本因素，如材料選擇、制造技術(shù)以及設(shè)計(jì)壽命。通過(guò)快速制作產(chǎn)品模型進(jìn)行測(cè)試，加快設(shè)計(jì)迭代速度，3D打印技術(shù)可以優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，為企業(yè)最大化潛在利潤(rùn)。
例如為專業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)噴漆和紋理設(shè)備的Graco公司，該公司的工程師使用一臺(tái)3D打印設(shè)備去測(cè)試各種噴漆槍和噴管組合，設(shè)計(jì)出最合理的噴流形式和試驗(yàn)出最精確的噴射量，而生產(chǎn)出的新型噴射紋理槍是由3D打印設(shè)備制作的ABS塑料功能原型。3D打印技術(shù)可以幫助減少產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，Graco公司估計(jì)減少的最大幅度可達(dá)75%。從一個(gè)絕妙的創(chuàng)意，到一項(xiàng)成功的產(chǎn)品，中間充滿著重重困難。GregStevens和James Burley在他們經(jīng)常被引用的新產(chǎn)品開發(fā)分析報(bào)告《3000個(gè)原始創(chuàng)意=1次商業(yè)成功》中指出，除了3000個(gè)原始創(chuàng)意，一項(xiàng)成功的創(chuàng)新還需要125個(gè)小規(guī)模計(jì)劃，4項(xiàng)大型開發(fā)和 1.7個(gè)產(chǎn)品。在評(píng)估創(chuàng)意是否值得投放開發(fā)資源時(shí)，3D打印技術(shù)能夠助企業(yè)一臂之力，縮短傳統(tǒng)評(píng)估所需要用的時(shí)間，提高效率。
四、3D打印技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)
隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來(lái)，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢(shì)。
提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實(shí)現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；開發(fā)更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，特別是金屬材料直接成型技術(shù)有可能成為今后研究與應(yīng)用的又一個(gè)熱點(diǎn)；3D打印機(jī)的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡(jiǎn)便，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需求；軟件集成化，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造；拓展3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。
3D打印技術(shù)提供了一種極具成本效益的方式去完成多次設(shè)計(jì)迭代，在關(guān)鍵的開發(fā)過(guò)程初始階段，獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)的即時(shí)反饋信息。對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)幾乎即時(shí)的修改，不僅有助于降低成本，而且能夠加快產(chǎn)品上市時(shí)間。對(duì)于在設(shè)計(jì)流程中采用3D打印技術(shù)的企業(yè)來(lái)說(shuō)，無(wú)疑增加了明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
隨著價(jià)格的下降，3D打印設(shè)備市場(chǎng)將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，尤其是在中小型企業(yè)和學(xué)校方面。3D打印設(shè)備耐用，打印快捷、準(zhǔn)確，成本低廉等好處可以幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品上市周期，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。
參考文獻(xiàn)：
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新型技術(shù) 幻象成真
美國(guó)科幻作家羅伯特·希克利曾經(jīng)描寫過(guò)關(guān)于“萬(wàn)能制造機(jī)”的場(chǎng)景。這是一臺(tái)奇特的大機(jī)器，機(jī)身上雜亂地安裝著刻度盤、小燈和各種指示表。故事的主角之一阿諾爾德站在機(jī)器前，按下按鈕，對(duì)它響亮而清楚地說(shuō)：“我要硬鋁螺帽，直徑為4英寸。”接到指令，機(jī)器發(fā)出低沉的轟鳴聲，燈光閃爍，閘板緩緩打開，眼前赫然出現(xiàn)了一顆閃光發(fā)亮已經(jīng)制好的螺帽。
也許羅伯特沒(méi)有想到如今一臺(tái)3D打印機(jī)已經(jīng)將他書中的幻境變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，那么什么是3D打印機(jī)呢？我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫钠胀ù蛴C(jī)可以打印電腦設(shè)計(jì)的平面物品，而所謂的3D打印機(jī)與普通打印機(jī)的工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料，打印機(jī)與電腦連接后，通過(guò)電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。通俗地說(shuō)，3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備，比如打印一個(gè)機(jī)器人、一個(gè)玩具車，打印各種模型，甚至是食物等等。
前景廣闊 問(wèn)題猶存
在3D打印技術(shù)可以打印器官、汽車、飛機(jī)的今天，它還在創(chuàng)造無(wú)限的可能。著名的《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志最近描述了3D打印技術(shù)的前景是一種新型的生產(chǎn)方式，能夠促成新的工業(yè)革命。3D打印技術(shù)將來(lái)會(huì)促進(jìn)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造模式，只是如今還沒(méi)有大范圍地推廣和應(yīng)用。隨著3D打印技術(shù)的成熟和社會(huì)的發(fā)展，制造業(yè)的跨越式發(fā)展指日可待。
首先，3D打印技術(shù)可以加工傳統(tǒng)方法難以制造的零件。過(guò)去傳統(tǒng)的制造方法就是一個(gè)毛坯，把不需要的地方切除掉，是多維加工的，或者采用磨具，把金屬和塑料熔化灌進(jìn)去得到這樣的零件，這樣對(duì)復(fù)雜的零部件來(lái)說(shuō)，加工起來(lái)非常困難。立體打印技術(shù)對(duì)于復(fù)雜零部件而言具有極大的優(yōu)勢(shì)，立體打印技術(shù)可以打印非常復(fù)雜的東西。其次，實(shí)現(xiàn)了首件的凈型成形，這樣后期輔助加工量大大減小，避免了委外加工的數(shù)據(jù)泄密和時(shí)間跨度，尤其適合一些高保密性的行業(yè)，如軍工、核電領(lǐng)域。再次，由于制造準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間大幅減少，使得單件試制、小批量出產(chǎn)的周期和成本降低，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的出產(chǎn)。
這些速度快、高易用性等優(yōu)勢(shì)使得3D打印成為一種潮流，并且在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。如今3D打印機(jī)已經(jīng)在建筑設(shè)計(jì)、醫(yī)療輔助、工業(yè)模型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、零配件、動(dòng)漫模型等領(lǐng)域都已經(jīng)有了一定程度的應(yīng)用。尤其在飛機(jī)、核電和火電等使用重型機(jī)械、高端精密機(jī)械的行業(yè)中，3D打印技術(shù)“打印”的產(chǎn)品是自然無(wú)縫連接的，結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。
成就顯赫 仍待發(fā)展
如今網(wǎng)絡(luò)變得非常開放，已成為獲取信息的主要途徑，電視機(jī)、廣播和紙媒等傳統(tǒng)媒體在其面前都黯然失色。任何只要被人們接觸到的信息立刻會(huì)被高度傳揚(yáng)出去。
“解放者”是首支利用3D打印技術(shù)被廣泛制作的手槍。該型號(hào)手槍僅需使用商業(yè)3D打印機(jī)便可制造完成。制造說(shuō)明由網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)士/無(wú)政府主義者制作，步驟非常詳細(xì)，甚至涵蓋了加入一片金屬的步驟，以避免觸犯美國(guó)的《不可探測(cè)武器法》（Undetectable Firearms Act of 1988）。無(wú)數(shù)個(gè)測(cè)試已經(jīng)證實(shí)，在裝配得當(dāng)?shù)那闆r下該武器可以發(fā)射至少一顆點(diǎn)38口徑的子彈。
無(wú)須置疑3D打印機(jī)的能力，未來(lái)只要能用CAD軟件畫出的東西都可以用3D打印機(jī)制作。這種技術(shù)的潛力不可估計(jì)，同樣破壞性的潛力幾乎遍布了每個(gè)行業(yè)。從醫(yī)學(xué)領(lǐng)域到制造業(yè)，在增強(qiáng)消費(fèi)者制造能力的同時(shí)也必將顛覆許多正常的自然規(guī)律。
然而，去除獲得致命武器過(guò)程中的阻力有可能會(huì)使這些功能性的手槍落在一些容易沖動(dòng)的人手中。有多少次你已經(jīng)達(dá)到了憤怒的狀態(tài)？那種憤怒是你覺(jué)得什么對(duì)你而言都沒(méi)有任何意義，你感覺(jué)幾乎要開始?xì)⒙玖恕．?dāng)殺人的想法占據(jù)著內(nèi)心，而你無(wú)法將自己的怒火平息在可控范圍內(nèi)時(shí)，你可能不應(yīng)該擁有槍支。
在美國(guó)有許多關(guān)于嚴(yán)格控制槍支立法的討論，現(xiàn)在集中在禁止有犯罪記錄和精神疾病的人擁有槍支。但是應(yīng)該如何對(duì)待那些平時(shí)很理性，但可能被憤怒逼得有殺人傾向的人呢？難道禁止獲得即興購(gòu)買槍支的規(guī)定不是一個(gè)避免沖動(dòng)想法傷害到其他人甚至引發(fā)惡性犯罪的有效途徑嗎？如果按一個(gè)按鈕、組裝幾個(gè)零部件就能夠?qū)⒅旅募?dòng)情緒轉(zhuǎn)化為實(shí)實(shí)在在的犯罪行為而引發(fā)更多的犯罪情緒呢？美國(guó)國(guó)務(wù)院似乎計(jì)劃將制作“解放者”的鏈接從網(wǎng)絡(luò)上移除。
在南非，3D打印已經(jīng)被用于為小孩制作用于替換的手部。甚至美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）也已經(jīng)承認(rèn)了它的潛力，并且計(jì)劃制造一個(gè)零重力3D打印機(jī)，這部機(jī)器計(jì)劃在明年的某個(gè)時(shí)間帶入國(guó)際空間站。
伊恩·馬爾科姆博士表示，這種技術(shù)尚處于萌芽階段。信息自由的倡導(dǎo)者和槍支倡導(dǎo)者都主張保衛(wèi)“解放者”設(shè)計(jì)圖在網(wǎng)上的流通，這就像是一場(chǎng)有關(guān)互聯(lián)網(wǎng)自由的戰(zhàn)爭(zhēng)，他們主張所有的信息不應(yīng)該被審查，每個(gè)人都能夠輕易獲得。但是我們現(xiàn)在所討論的不是關(guān)閉非法提供下載資料的網(wǎng)站服務(wù)器，而是在談?wù)撋退劳觥屩е粸橐粋€(gè)理由存在—射擊。
有些人指出可以用3D打印機(jī)的高價(jià)格來(lái)限制業(yè)余槍支販賣者的數(shù)量，但是如果有利可圖的話，多么高昂的價(jià)格也不再是障礙。高額的原材料成本和設(shè)備成本并沒(méi)有阻止工廠的存在。僅僅是因?yàn)橐獡碛凶杂傻臋?quán)利就去支持制造致命的武器嗎？我不確定，但就個(gè)人而言，我希望能夠完善3D打印技術(shù)，將其應(yīng)用于制造可替換的心臟瓣膜或是為發(fā)展中國(guó)家生產(chǎn)水凈化設(shè)備，而不是用于殺人。
關(guān)鍵詞：3D打印；教育應(yīng)用；模式構(gòu)建
中圖分類號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）34-8315-02
3D打印技術(shù)發(fā)展了短短數(shù)年，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，不過(guò)在3D打印教學(xué)當(dāng)中卻和其發(fā)展勢(shì)頭不匹配。該文在研究3D打印技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)的了解了3D打印技術(shù)對(duì)于教育的意義，同時(shí)構(gòu)建了基于3D打印技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用模式，爭(zhēng)取為更深層次了解3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用給出具有較高價(jià)值的參考。到目前為止，3D打印技術(shù)已經(jīng)被認(rèn)為是即將到來(lái)的第三次工業(yè)革命的推動(dòng)性技術(shù)之一，已經(jīng)得到了全球多家研究機(jī)構(gòu)和知名公司的認(rèn)可。該文詳細(xì)介紹了 3D打印技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)，例如數(shù)字制造、降維制造、堆積制造、直接制造和快速制造等優(yōu)點(diǎn)，隨后具體提出了光固化成形、材料噴射、粘結(jié)劑噴射、熔融沉積制造、選擇性激光燒結(jié)、片層壓和定向能量沉積這七類 3D打印工藝。對(duì)這七類3D打印技術(shù)的世界商業(yè)化情形以及應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，隨后根據(jù)目前的3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀對(duì)其的發(fā)展的明天做了詳細(xì)的展望。最后得出的結(jié)論：3D打印技術(shù)是一項(xiàng)革命性的新技術(shù)，可能會(huì)引發(fā)第三次工業(yè)革命，其必將深刻的改變傳統(tǒng)行業(yè)，我們有理由相信，短期內(nèi)必將促進(jìn)行業(yè)更好的走高科技發(fā)展之路。
1 3D打印技術(shù)與3D打印機(jī)
3D打印技術(shù)和我們熟知的3D印刷雖然看著只差一個(gè)字，給人的感覺(jué)好像差不多，但實(shí)質(zhì)上卻差之千里。3D印刷僅僅是將一章圖片劃分為角度相異的紅、藍(lán)兩張圖片，隨之把上述的兩張圖片根據(jù)特定的視差距離套印在一起，然后采取帶有濾光效果的眼鏡來(lái)看出3D的視覺(jué)效果，也可以把圖片按照一定的方式處理之后，不經(jīng)過(guò)加工印刷在與傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)不同的光柵板的上面，采取這樣的方式就可以有3D視覺(jué)效果的一種特殊的印刷手段。相比而言，3D打印技術(shù)則是指選擇三維噴墨打印的技術(shù)，利用分層加工和疊加成形互相融合的思路，每一層都進(jìn)行打印來(lái)強(qiáng)化材料來(lái)得到3D的實(shí)體，它的工作原理能夠分成兩個(gè)大類：
1.1 基于三維打印技術(shù)的3D打印機(jī)
采用先進(jìn)的三維打印技術(shù)的3D打印機(jī)首先會(huì)從儲(chǔ)備原料的地方向外部提供一小部分的原材料粉末，這部分原材料在加工的時(shí)候被加工成非常薄的一層，隨后打印頭會(huì)在需要加工的目標(biāo)的部分推送一種不常見(jiàn)的黏合藥品。在這個(gè)時(shí)候，上述的原材料粉末遇到黏合劑會(huì)發(fā)生急速聚集并牢固地站在一起，相比之下未能遇到黏合劑的粉末就會(huì)跟之前的粉末狀態(tài)一致。上述的加工工序在每一層循環(huán)，每一層的加工完畢后，加工平臺(tái)就會(huì)自動(dòng)下降一點(diǎn)，加工的時(shí)間和精度以及形狀是由切片完全確定的，直到打印出真實(shí)的物體。在整個(gè)工序都完成之后僅僅需要清除殘留的外層粉末就可以輕易得到之前想要得到的立體的物體。
1.2 基于熔融沉積制造技術(shù)的3D打印機(jī)
基于熔融沉積制造技術(shù)的3D打印機(jī)的工作原理是先在3D打印機(jī)的控制軟件中導(dǎo)入由CAD生成的實(shí)物數(shù)據(jù)，經(jīng)處理生成支撐材料和熱噴頭的運(yùn)動(dòng)路徑。下一步就是熱噴頭會(huì)在電腦的精確控制下按照三維物體的截面輪廓的參數(shù)在平面上做事先規(guī)劃好的特殊的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)熱塑性絲狀材料由供絲機(jī)構(gòu)送至熱噴頭，并在噴頭中加熱和熔化成半液態(tài)后擠壓出，并噴涂在相應(yīng)的工作平臺(tái)上。噴涂熱塑性材料快速冷卻后在平臺(tái)上形成一層厚度約0.1 mm的輪廓薄片，形成了一個(gè)3D打印截面。將這個(gè)作業(yè)過(guò)程不斷循環(huán)，承載工作臺(tái)高度隨之不斷降低，利用這樣的辦法來(lái)得到需要的物體。
2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用需求
和我們熟知的機(jī)械加工技術(shù)有著很大的差別，3D打印技術(shù)的精髓是一層層的類似于打印一張張紙最后疊加而成的三維物體， 每一層的增加原料來(lái)得到三維物體的高新技術(shù)，又被全球多位專家叫做高速成型技術(shù)，也叫做增材制造技術(shù)（AM， Additive Manufacturing）。3D打印技術(shù)可以在級(jí)大地強(qiáng)化制作效率以及設(shè)備精密的程度，且在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了更好的發(fā)展， 3D打印技術(shù)已經(jīng)初步形成了規(guī)模，可以打印的材料種類非常豐富，以生物細(xì)胞為材料甚至都可打印出人體的各種形狀的器官，或者用鋼鐵鎳鈦等金屬也可以打印飛機(jī)零件等； 以沙子為材料可打印建筑；以玻璃為材料可打印玻璃制品；以金屬為材料可打印機(jī)械零件等。到現(xiàn)在為止， 3D打印技術(shù)已經(jīng)為國(guó)內(nèi)外諸多的領(lǐng)域做出了突出的貢獻(xiàn)，為技術(shù)創(chuàng)新提供了良好的平臺(tái)。
到現(xiàn)在為止3D打印技術(shù)已經(jīng)能夠成功地打印很多類型的材料，已經(jīng)能夠逐步地應(yīng)用到全球各行各業(yè)當(dāng)中，可以說(shuō)應(yīng)用3D打印的領(lǐng)域數(shù)不勝數(shù)。若僅僅考慮到客戶得應(yīng)用目的，需要使用的材料也不盡相同。3D打印機(jī)以其優(yōu)異的特性，在市場(chǎng)上有著不可替代的位置，且該技術(shù)開發(fā)時(shí)間不長(zhǎng)，可以有很大的潛力等待全球的科研技術(shù)工作者們進(jìn)行開發(fā)。
2.1 工業(yè)應(yīng)用
著名的“空氣單車”是位于美麗的布里斯托爾的著名公司選擇的3D打印機(jī)，利用3D打印技術(shù)制造出了全球首輛打印自行車。這輛特殊的自行車使用的材料其硬度和韌性都可以跟普通自行車的材料相媲美，但是它卻是一種特殊的尼龍材料，密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬材料。更有趣的是，“空氣單車”無(wú)論是車輪、鏈條還是軸承都是一次打印出來(lái)的，無(wú)需原來(lái)先制造零件再將零件組裝在一起的總裝流程，打印結(jié)束后，自行車就能夠活動(dòng)自如。這臺(tái)自行車的制造工藝就跟日常打印書本一樣容易，同時(shí)，3D打印機(jī)以其優(yōu)異的自身優(yōu)勢(shì)，可以打印出空間不相連的三維立體的物體。
2.2 3D打印技術(shù)在教育中的作用
3D打印技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)取得了令人矚目的進(jìn)步，在眾多的領(lǐng)域內(nèi)都取得了輝煌的成績(jī)。對(duì)于教育行業(yè)，它的價(jià)值就在于它可以得到對(duì)事物更直觀更理性的研究機(jī)會(huì)，而恰恰是這種機(jī)會(huì)在以前可以說(shuō)是一個(gè)不可能完成的任務(wù)。對(duì)于 3D 打印技術(shù)可以輕易地打印三維立體的物體這種神奇的特性來(lái)說(shuō)，對(duì)其的研究為學(xué)習(xí)活動(dòng)的開展提供了新的可能。下面分別從教師和學(xué)習(xí)者視角分析 3D 打印技術(shù)在教育的角色中扮演助推器角色。教師在教學(xué)過(guò)程中利用 3D 打印制作的教學(xué)用具，可以擴(kuò)展學(xué)習(xí)者的感覺(jué)和知覺(jué)增強(qiáng)觸覺(jué)體驗(yàn)，彌補(bǔ)常態(tài)課堂直接經(jīng)驗(yàn)不足的劣勢(shì)。同時(shí)，教師也將隱性知識(shí)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)顯性化，使學(xué)習(xí)資料由抽象化轉(zhuǎn)變成為具體化，具體化轉(zhuǎn)變成為形象化，視覺(jué)復(fù)雜化轉(zhuǎn)變成為認(rèn)知簡(jiǎn)單化。這一就能夠強(qiáng)化學(xué)生的思路使之更加清晰，強(qiáng)化學(xué)生的邏輯思維以及理解能力，從而從根本上實(shí)現(xiàn)了教師教學(xué)改革，也使得學(xué)生的學(xué)習(xí)效率成倍提升。
2.3 醫(yī)學(xué)應(yīng)用
對(duì)于醫(yī)學(xué)方面，選擇3D打印技術(shù)將雙光子聚合物以及生物功能材料組合生成的成毛細(xì)血管，在有著極佳的的彈性以及人體相容性意外，也可以在替換壞死的血管方面有著比較大的應(yīng)用潛力。3D打印也可以和人造器官相結(jié)合，可以在藥物研發(fā)中減少動(dòng)物的必要死亡，對(duì)生態(tài)環(huán)境也有著巨大的積極作用。
2.4 日常生活應(yīng)用
“3D食物打印機(jī)”是由美國(guó)紐約康奈爾大學(xué)開發(fā)的專門用于制造食物的設(shè)備。這部“3D食物打印機(jī)”選擇了一種工作模式，這種模式與我們平常打印機(jī)的工作原理有異曲同工之妙，將原材料和配料放入容器內(nèi)（與打印機(jī)的墨盒相似）中，一旦選擇了所需的食譜，利用其自帶的的CAD軟件就可以將美食“3D打印”出來(lái)。從這個(gè)方面來(lái)說(shuō)，這種革命性的烹飪方式代表著他們能夠創(chuàng)作之前從來(lái)不曾想象的菜，菜品的數(shù)量也將爆炸式增長(zhǎng)。使用“3D食物打印機(jī)”來(lái)打印食物，能夠最大程度地減少?gòu)脑牧弦恢钡匠善分g的步驟，從而降低了一系列的成本。
3 3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
隨著3D打印技術(shù)從無(wú)到有從弱到強(qiáng)，其做大做強(qiáng)之后成本的快速下降已經(jīng)導(dǎo)致了3D打印技術(shù)已經(jīng)真正的走進(jìn)了市場(chǎng)，蓬勃發(fā)展，速度驚人，已經(jīng)成為全社會(huì)共同關(guān)心的全新領(lǐng)域。應(yīng)用3D打印技術(shù)打印的模型、醫(yī)療骨骼甚至是裝飾用品等的應(yīng)用，都在非常大的范圍內(nèi)上喚起了社會(huì)的關(guān)注。
在我國(guó)首個(gè)研發(fā)3D打印的學(xué)者是華中科技大學(xué)快速制造中心主任史玉升預(yù)計(jì)，在他的眼中，在即將到來(lái)的10年內(nèi)，只需要在電腦上點(diǎn)擊打印，先進(jìn)的3D打印機(jī)就能一步步地制造出我們需要的模型。目前部分鑄造企業(yè)已經(jīng)著手開發(fā)選擇性激光燒結(jié)3D打印機(jī)的事情，希望把復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)周期縮短兩個(gè)半月，效率提高89%。圖1為3D打印出的裝飾品。
社會(huì)每天都在發(fā)展， 3D打印技術(shù)多年來(lái)持續(xù)有新的突破，其制造的速度越來(lái)越快、尺寸在也越來(lái)越大，質(zhì)量也越來(lái)越好。在過(guò)去，一個(gè)零件往往需要幾百甚至上千個(gè)圖紙來(lái)對(duì)其描述，而應(yīng)用了3D打印技術(shù)，一張圖就可以精確描述一個(gè)零件。因此，3D打印技術(shù)，可以從根本上改變制造業(yè)的發(fā)展和設(shè)計(jì)人員的思維。
4 結(jié)論
3D打印技術(shù)是一種新興的高科技技術(shù)， 由其獨(dú)特的運(yùn)作模式和巨大的作用，教育領(lǐng)域?qū)⑹俏磥?lái) 3D 打印技術(shù)的下一個(gè)的重要市場(chǎng)。該文通過(guò)分析3D打印原理和3D打印技術(shù)在教育中的作用構(gòu)建了基于3D 打印技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用模式，這樣可以為后續(xù)實(shí)際應(yīng)用和深入的研究打下良好的鋪墊。盡管 3D 打印技術(shù)在教育領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，但是目前其在教育機(jī)構(gòu)的推廣和普及仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。例如：3D 打印機(jī)仍然不是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的選擇，可制作原材料稀少，制作成本居高不下等。這也將成為全球?qū)W者們未來(lái)的重點(diǎn)研究的課題和方向。我們有理由相信，3D打印技術(shù)一定會(huì)淘汰傳統(tǒng)生產(chǎn)線，生產(chǎn)效率高出幾十倍，與此同時(shí)所需原材料用量只占傳統(tǒng)所需的幾分之一。
參考文獻(xiàn)：
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機(jī)遇與挑戰(zhàn)
3D打印技術(shù)提供了大量機(jī)遇，不僅僅體現(xiàn)在制造領(lǐng)域，還包括零售、醫(yī)療健康和其他領(lǐng)域。3D打印最本質(zhì)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題是，打印產(chǎn)品的成本高于傳統(tǒng)制造，但工具的成本為零。對(duì)于大規(guī)模批量生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)制造的成本更低。但是，高昂的工具成本，使得傳統(tǒng)制造的成本對(duì)于小批量生產(chǎn)來(lái)說(shuō)更高。利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品的時(shí)間要短于制造工具，但單件產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)于傳統(tǒng)制造。
用途領(lǐng)域甚廣
快速制造原型產(chǎn)品是3D打印技術(shù)的第一大用途。傳統(tǒng)上，生產(chǎn)一件原型產(chǎn)品通常耗時(shí)1、2個(gè)月。利用3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)人員數(shù)小時(shí)就可以拿到原型產(chǎn)品。3D打印技術(shù)的用途遠(yuǎn)不止生產(chǎn)原型產(chǎn)品。
夾具和卡具可能是最熱門的增長(zhǎng)領(lǐng)域。在大多數(shù)工廠，技術(shù)工人通常負(fù)責(zé)制作工具，例如夾具和卡具。夾具和卡具的生產(chǎn)對(duì)技能要求很高，經(jīng)常需要大量試驗(yàn)，還難免會(huì)出錯(cuò)。夾具的任何錯(cuò)誤都會(huì)“被復(fù)制”在最終產(chǎn)品中。利用3D打印技術(shù)制造夾具和卡具通常速度更快、更方便。
小批量生產(chǎn)很常見(jiàn)，制作原型只是其中一個(gè)特例。市場(chǎng)空間有限的產(chǎn)品，可能能帶來(lái)利潤(rùn)，但不值得生產(chǎn)、購(gòu)買昂貴的工具。3D打印技術(shù)很適合小批量生產(chǎn)，它還適合用在需求不確定的情況下。企業(yè)可以利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)少量產(chǎn)品，從而無(wú)需投入巨額資金購(gòu)買昂貴的工具。生命周期結(jié)束的零部件也適用于3D打印技術(shù)。大量20年前購(gòu)買的汽車還在使用，用戶需要備件。通過(guò)為這些過(guò)時(shí)的產(chǎn)品提供服務(wù)，廠商可以提高自己的品牌形象，增加現(xiàn)在的銷售。
大規(guī)模定制是終極版的小批量生產(chǎn)：一件產(chǎn)品只為一名客戶制造。Normal利用3D打印技術(shù)為客戶定制耳機(jī)，每副耳機(jī)都根據(jù)客戶的需求量身打造。佛羅里達(dá)州立大學(xué)制作了塑料“大腦”，供醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)。當(dāng)前的技術(shù)能融合不同密度的材料，給學(xué)生提供最真實(shí)的手感。未來(lái)，供實(shí)習(xí)用的大腦將通過(guò)對(duì)病人進(jìn)行3D掃描獲得，其中將包含模擬的腫瘤。
非標(biāo)零部件也是一種潛在用途。中小批量的生產(chǎn)任務(wù)通常使用標(biāo)準(zhǔn)件，利用3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行更好的優(yōu)化，而無(wú)需考慮標(biāo)準(zhǔn)件。
一、3D打印技術(shù)創(chuàng)新取得新突破
在生物打印領(lǐng)域，西安交通大學(xué)開展的3D打印個(gè)性化人工假體制造研究與應(yīng)用獲得標(biāo)志性進(jìn)展，科研成果《個(gè)性化顱頷面骨替代物設(shè)計(jì)制造技術(shù)及應(yīng)用》通過(guò)國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)初評(píng)。西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)的常溫直接成形生物陶瓷術(shù)前診斷模型、全骨支架模型等已經(jīng)在北醫(yī)三院、第四軍醫(yī)大學(xué)臨床應(yīng)用。
在非金屬打印領(lǐng)域，西安交通大學(xué)創(chuàng)新陶瓷材料3D打印成形工藝，實(shí)現(xiàn)了大型燃?xì)廨啓C(jī)空心渦輪葉片等復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件的快速制造；開發(fā)了高溫熔絲成形3D打印設(shè)備，可以有效打印纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、尼龍、聚醚醚酮等耐高溫材料制品；研發(fā)了大尺寸的燒結(jié)成形工藝及樣機(jī)，可以形成多種非金屬材料粉末燒結(jié)設(shè)備。
在金屬打印領(lǐng)域，西北工業(yè)大學(xué)研制出達(dá)到世界先進(jìn)水平的個(gè)性化金屬液滴微噴頭、壓電脈沖微噴頭及5軸聯(lián)動(dòng)金屬微滴打印設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了碳納米管漿料微滴的按需打印、直徑小于0.1mm的鋁均勻微滴可控噴射與打印，可快速制備超級(jí)微電容器、微電源、碳納米管晶體管以及微小復(fù)雜波導(dǎo)件、散熱件、嵌入式智能器件。西安光機(jī)所突破了可變焦的3D打印熔覆頭關(guān)鍵技術(shù)，研制出可用于成形中小型鈦（鋼）合金零件的同軸送粉式金屬3D打印機(jī)，可使打印效率提高3―5倍。西北有色金屬研究院成功開發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)商業(yè)化的粉床電子束3D打印設(shè)備和新一代等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉設(shè)備。
二、3D打印產(chǎn)業(yè)化態(tài)勢(shì)喜人
一是龍頭企業(yè)發(fā)展迅猛。截至2014年第三季度，西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司擁有相關(guān)發(fā)明專利達(dá)到35項(xiàng)，銷售收入已達(dá)1.02億元，全年銷售收入預(yù)期可達(dá)1.5億元、利潤(rùn)3000多萬(wàn)元，同比增長(zhǎng)552%，成為目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、技術(shù)實(shí)力最雄厚的金屬增材制造綜合服務(wù)商，并一舉奪得第三屆中國(guó)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽先進(jìn)制造行業(yè)總決賽冠軍。陜西恒通智能機(jī)器有限公司進(jìn)入渭南高新區(qū)開展產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了3種機(jī)型的研發(fā)與上市，實(shí)現(xiàn)銷售收入6000多萬(wàn)元。
二是產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)進(jìn)展順利。渭南高新區(qū)建成了全國(guó)第一家占地460畝的3D打印產(chǎn)業(yè)培育基地、全國(guó)第一個(gè)2.3萬(wàn)平米的3D打印創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化器、全國(guó)第一只總規(guī)模2.5億元的3D打印創(chuàng)投基金，吸引了省內(nèi)外20多家相關(guān)企業(yè)和項(xiàng)目入駐，3D打印產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)格局初步形成。西安高新區(qū)規(guī)劃占地1000畝的3D打印產(chǎn)業(yè)園加快建設(shè)，園區(qū)主要路網(wǎng)的水、電、氣、道路施工已完成過(guò)半，首批700畝產(chǎn)業(yè)用地已逐步到位，一期2萬(wàn)平米的孵化器、4.6萬(wàn)平米的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)中試廠房已具備開工條件，已吸引10多個(gè)企業(yè)和項(xiàng)目入駐。
3D打印技術(shù)是數(shù)字化時(shí)代的重要產(chǎn)物，又被稱為“添加制造”（AdditiveManufacturing）技術(shù)，它是以三維數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，創(chuàng)新性地將信息、材料、生物、控制等技術(shù)融合滲透到一起，能以自身逐層添加打印的制造方式完美地實(shí)現(xiàn)各種材料的結(jié)合。3D打印技術(shù)自開發(fā)以來(lái)得到不斷地發(fā)展，迅速被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、軍事、航天、醫(yī)療等不同領(lǐng)域，并取得一系列實(shí)質(zhì)性的突破。3D打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)的大型增材制造設(shè)備來(lái)說(shuō)，更加注重體現(xiàn)設(shè)備的小型化、智能化和個(gè)性化。3D打印技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)能夠在0.01mm的單層厚度上實(shí)現(xiàn)600dpi的精確分辨率，。并且適用于該技術(shù)的材料豐富，比如以生物細(xì)胞為材料，能夠打印出器官、骨骼；以金屬為材料，能夠打印出機(jī)械零件；以沙子為材料，能夠打印出建筑物；以玻璃為材料，能夠打印出玻璃制品等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2012年年底，著名的3D打印成型公司Stratasys的產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展為能支持123種不同材料進(jìn)行3D打印，隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，這一數(shù)字將不斷地被刷新。同時(shí)，在打印速度上，3D打印技術(shù)能實(shí)現(xiàn)垂直25.4mm/h以上。未來(lái)我們有理由相信，隨著智能制造的逐漸深入發(fā)展與成熟，將會(huì)有更多新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷地投入應(yīng)用，3D打印技術(shù)也會(huì)在此基礎(chǔ)上被進(jìn)一步推向更為廣闊的領(lǐng)域。
二、3D打印技術(shù)在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
近年來(lái)，3D打印技術(shù)在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)上應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并且突破了以往單純的常規(guī)幾何形態(tài)，開始以更具創(chuàng)新性、類似于自然形態(tài)的精美造型出現(xiàn)在人們的日常生活中，以獨(dú)特的制造方式和時(shí)代意義賦予我們的生活空間新的活力。比如在人們熟悉的服裝領(lǐng)域中，著名的荷蘭時(shí)裝設(shè)計(jì)師IrisvanHerpen與Materialise在2013年初的巴黎時(shí)裝展上合作制造的3D打印時(shí)裝，給人帶來(lái)強(qiáng)烈的視覺(jué)盛宴，風(fēng)靡一時(shí)。此外，2011年Materialise公司提供以14K金和純銀為原材料的3D打印服務(wù)，更是為珠寶制造業(yè)帶來(lái)巨大革新。由比利時(shí)公司MGX設(shè)計(jì)的分形桌子，設(shè)計(jì)師以數(shù)學(xué)特征中的自相似性為設(shè)計(jì)原理，以自然界中的分形生長(zhǎng)為模型創(chuàng)造了這一作品，其成就是傳統(tǒng)制造方式無(wú)法企及的。以現(xiàn)代裝飾中的燈飾為例，2012年設(shè)計(jì)師宋波紋協(xié)同格物工作室，創(chuàng)新性地推出3D打印作品“十二水燈”，燈具快速成型材料為尼龍，其創(chuàng)作靈感來(lái)源于宋代畫家馬遠(yuǎn)的水畫名作“十二水圖”。在該造型設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師完美地將中國(guó)傳統(tǒng)繪畫的意境與傳統(tǒng)思想中“格物致知”的觀念進(jìn)行融合，通過(guò)探究事物的發(fā)展規(guī)律，尋找智慧的源頭。作品利用現(xiàn)代先進(jìn)的制造技術(shù)向人們呈現(xiàn)出耳目一新的作品，并通過(guò)這種形式完成對(duì)文化的傳承。所以，可以說(shuō)，3D打印技術(shù)讓產(chǎn)品的造型有了更為廣闊的發(fā)展空間，同時(shí)也讓產(chǎn)品的個(gè)性化特色更為突出。與傳統(tǒng)機(jī)器生產(chǎn)和手工制造相比，3D打印技術(shù)突破了以往制造過(guò)程中受眾多造型、材料和設(shè)備的限制，這在某種程度上促使其對(duì)產(chǎn)品造型的制造更加接近設(shè)計(jì)本來(lái)的要求，同時(shí)與產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)隨著時(shí)代、科技和人文藝術(shù)的發(fā)展而革新的歷史使命相符。3D打印技術(shù)的應(yīng)用，極大地開拓了設(shè)計(jì)師的想象思維，即使是外觀再?gòu)?fù)雜的產(chǎn)品都能通過(guò)3D打印技術(shù)進(jìn)行制造，并能保證與設(shè)計(jì)的渾然一體。這就促使設(shè)計(jì)師將關(guān)注力放在產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新上，不斷實(shí)現(xiàn)超越。并且，隨著產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的多元化，設(shè)計(jì)師開始重視體現(xiàn)產(chǎn)品的美學(xué)屬性，將時(shí)尚化、個(gè)性化因素融入到產(chǎn)品造型的藝術(shù)化表現(xiàn)方式中，從而潛移默化地引導(dǎo)著消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品造型審美觀的變化。
三、3D打印技術(shù)在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中的問(wèn)題和展望
就目前而言，雖然3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。但是從整體上來(lái)說(shuō)，3D打印技術(shù)在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的普及力度仍然比較弱。這可能是因?yàn)?D打印技術(shù)本身受自身打印機(jī)性能、打印材料、打印成本、打印精度等眾多因素的影響，而不能得到全面的普及和應(yīng)用，因此也就無(wú)法促使對(duì)3D打印技術(shù)的進(jìn)一步研究和創(chuàng)新。另外，現(xiàn)階段，3D打印技術(shù)的應(yīng)用主要集中在服裝、家具及相關(guān)家居用品等形態(tài)比較小的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中，還沒(méi)有廣泛應(yīng)用到較大型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)上。并且一些產(chǎn)品在空間界面上的打印要求3D打印機(jī)和相關(guān)材料都必須有較高的質(zhì)量，這樣才能充分滿足其在制造過(guò)程中來(lái)自各方面的要求。盡管如此，我們?nèi)匀挥欣碛上嘈牛S著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)字化的持續(xù)創(chuàng)新，未來(lái)3D打印技術(shù)必然與計(jì)算機(jī)技術(shù)、云技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)等更加緊密地結(jié)合在一起，最大限度地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)成果的資料共享。與此同時(shí)，國(guó)家和相關(guān)部門將會(huì)更加重視設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)產(chǎn)權(quán)知識(shí)、消費(fèi)者權(quán)益責(zé)任保障、資源利用和環(huán)境保護(hù)等一系列問(wèn)題，為3D技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的更深層次的發(fā)展提供良好的環(huán)境氛圍。因此，在未來(lái)，3D打印技術(shù)也會(huì)在此基礎(chǔ)上被進(jìn)一步推向更為廣闊的領(lǐng)域，直接影響著設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思路，不斷突破傳統(tǒng)的生產(chǎn)和制造方式，改變整個(gè)世界的面貌。
四、結(jié)語(yǔ)
關(guān)鍵詞 3D打印 傳統(tǒng)打印 3D模具
一、過(guò)程原理
每一層的打印過(guò)程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會(huì)迅速固化黏結(jié)，而沒(méi)有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實(shí)體模型將會(huì)被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用。
二、3D打印過(guò)程
打印耗材由傳統(tǒng)的墨水、紙張轉(zhuǎn)變?yōu)槟z水、粉末，當(dāng)然膠水和粉末都是經(jīng)過(guò)處理的特殊材料，不僅對(duì)固化反應(yīng)速度有要求，對(duì)于模型強(qiáng)度以及“打印”分辨率都有直接影響。3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)600dpi分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。受到噴打印原理的限制，打印速度勢(shì)必不會(huì)很快，較先進(jìn)的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)每小時(shí)25毫米高度的垂直速率，相比早期產(chǎn)品有10倍提升，而且可以利用有色膠水實(shí)現(xiàn)彩色打印，色彩深度高達(dá)24位。
三、優(yōu)勢(shì)
1、制造復(fù)雜物品不增加成本。就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復(fù)雜，制造成本越高。對(duì)3D打印機(jī)而言，制造形狀復(fù)雜的物品成本不增加，制造一個(gè)華麗的形狀復(fù)雜的物品并不比打印一個(gè)簡(jiǎn)單的方塊消耗更多的時(shí)間、技能或成本。
2、產(chǎn)品多樣化。不增加成本一臺(tái)3D打印機(jī)可以打印許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。3D打印省去了培訓(xùn)機(jī)械師或購(gòu)置新設(shè)備的成本，一臺(tái)3D打印機(jī)只需要不同的數(shù)字設(shè)計(jì)藍(lán)圖和一批新的原材料。
3、無(wú)須組裝。3D打印能使部件一體化成型。傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)建立在組裝基礎(chǔ)上。3D打印機(jī)通過(guò)分層制造可以不需要組裝。省略組裝就縮短了供應(yīng)鏈，節(jié)省在勞動(dòng)力和運(yùn)輸方面的花費(fèi)。
4、零時(shí)間交付。3D打印機(jī)可以按需打印。即時(shí)生產(chǎn)減少了企業(yè)的實(shí)物庫(kù)存，企業(yè)可以根據(jù)客戶訂單使用3D打印機(jī)制造出特別的或定制的產(chǎn)品滿足客戶需求，所以新的商業(yè)模式將成為可能。如果人們所需的物品按需就近生產(chǎn)，零時(shí)間交付式生產(chǎn)能最大限度地減少長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)某杀尽?/p>
5、設(shè)計(jì)空間無(wú)限。傳統(tǒng)制造技術(shù)和工匠制造的產(chǎn)品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。例如，傳統(tǒng)的木制車床只能制造圓形物品，軋機(jī)只能加工用銑刀組裝的部件，制模機(jī)僅能制造模鑄形狀。3D打印機(jī)可以突破這些局限，開辟巨大的設(shè)計(jì)空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。
6、減少?gòu)U棄副產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)相比，3D打印機(jī)制造金屬時(shí)產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品。傳統(tǒng)金屬加工的浪費(fèi)量驚人，90%的金屬原材料被丟棄在工廠車間里。3D打印制造金屬時(shí)浪費(fèi)量減少。隨著打印材料的進(jìn)步，“凈成形”制造可能成為更環(huán)保的加工方式。
7、材料無(wú)限組合。對(duì)當(dāng)今的制造機(jī)器而言，將不同原材料結(jié)合成單一產(chǎn)品是件難事，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的制造機(jī)器在切割或模具成型過(guò)程中不能輕易地將多種原材料融合在一起。隨著多種材料3D打印技術(shù)的發(fā)展，我們有能力將不同原材料融合在一起。以前無(wú)法混合的原料混合后將形成新的材料，這些材料色調(diào)種類繁多，具有獨(dú)特的屬性或功能。
四、應(yīng)用狀況
3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域也在隨著技術(shù)進(jìn)步而不斷擴(kuò)展。美國(guó)科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)出了能打印皮膚、軟骨、骨頭和身體其他器官的三維“生物打印機(jī)”。人們還使用3D打印來(lái)制造雕塑并修復(fù)雕塑，制造由塑料和聚合物制成的三維物體并打印出了實(shí)品。
近年來(lái)，我國(guó)也積極探索3D打印技術(shù)的研發(fā)，初步取得成效。在3D打印設(shè)備制造技術(shù)、3D打印材料技術(shù)、3D設(shè)計(jì)與成型軟件開發(fā)等研究方面，開展了積極的探索。其中，激光直接加工金屬技術(shù)發(fā)展較快，基本滿足特種零部件的機(jī)械性能要求。在傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機(jī)制造流程當(dāng)中，飛機(jī)的3D模型設(shè)計(jì)好后，需要進(jìn)行長(zhǎng)期的投入來(lái)制造水壓成型設(shè)備，而使用3D打印制造技術(shù)后，零件的成型速度、應(yīng)用速度得以大幅度提高。
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