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3d打印机:神奇的机器

作者: 来源: 时间:2017年03月20日 点击: 字体:

3D打印机:打印一切

房子、器官、汽车、衣服、机器人……你能想象这些东西都可以打印出来吗?3D打印的概念起源于19世纪末的美国,近几年逐渐大热,中国物联网校企联盟称它为“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。此前,部件设计完全依赖于生产工艺能否实现,而3D打印机的出现,将颠覆这一生产思路,任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。

 

3D打印机(3D Printers)简称(3DP)是一位名为恩里科·迪尼(Enrico Dini)的发明家设计的一种神奇的打印机,它不仅可以“打印”一幢完整的建筑,甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品的形状。

2016年2月3日讯,中国科学院福建物质结构研究所3D打印工程技术研发中心林文雄课题组在国内首次突破了可连续打印的三维物体快速成型关键技术,并开发出了一款超级快速的连续打印的数字投影(DLP) 3D打印机。该3D打印机的速度达到了创记录的600 mm/s,可以在短短6分钟内,从树脂槽中“拉”出一个高度为60 mm的三维物体,而同样物体采用传统的立体光固化成型工艺(SLA)来打印则需要约10个小时,速度提高了足足有100倍!3D打印实现太空工业化。

 

发展年表

3D打印思想起源于19世纪末的美国,并在20世纪80年代得以发展和推广。3D打印是科技融合体模型中最新的高“维度”的体现之一。

19世纪末,美国研究出了的照相雕塑和地貌成形技术,随后产生了打印技术的3D打印核心制造思想。

20世纪80年代以前,三维打印机数量很少,大多集中在“科学怪人”和电子产品爱好者手中。主要用来打印像珠宝、玩具、工具、厨房用品之类的东西。甚至有汽车专家打印出了汽车零部件,然后根据塑料模型去订制真正市面上买到的零部件。

1979年,美国科学家RF Housholder获得类似“快速成型”技术的专利,但没有被商业化。

20世纪80年代已有雏形,其学名为“快速成型”。20世纪80年代中期,SLS被在美国得克萨斯州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利,项目由DARPA赞助的。

到20世纪80年代后期,美国科学家发明了一种可打印出三维效果的打印机,并已将其成功推向市场,3D打印技术发展成熟并被广泛应用。普通打印机能打印一些报告等平面纸张资料。而这种最新发明的打印机,它不仅使立体物品的造价降低,且激发了人们的想象力。未来3D打印机的应用将会更加广泛。

1995年,麻省理工创造了“三维打印”一词,当时的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson修改了喷墨打印机方案,变为把约束溶剂挤压到粉末状的解决方案,而不是把墨水挤压在纸张上的方案。

2003年以来三维打印机的销售逐渐扩大,价格也开始下降。

研发产品

家用3D打印机

德国发布了一款迄今为止最高速的纳米级别微型3d打印机——Photonic Professional GT。 这款Photonic Professional GT 3D打印机,能制作纳米级别的微型结构,以最高的分辨率,快速的打印宽度,打印出不超过人类头发直径的三维物体。

最小的3D打印机

世上最小的3D打印机来自维也纳技术大学,由其化学研究员和机械工程师研制。这款迷你3D打印机只有大装牛奶盒大小,重量约3.3磅(约1.5公斤),造价1200欧元(约1.1万元人民币)。相比于其他的打印技术,这款3D打印机的成本大大降低。研发人员还在对打印机进行材料和技术的进一步实验,希望能够早日面世。

最大的3D打印机

华中科技大学史玉升科研团队经过十多年努力,实现重大突破,研发出全球最大的“3D打印机”。这一“3D打印机”可加工零件长宽最大尺寸均达到1.2米。从理论上说,只要长宽尺寸小于1.2米的零件(高度无需限制),都可通过这部机器“打印”出来。这项技术将复杂的零件制造变为简单的由下至上的二维叠加,大大降低了设计与制造的复杂度,让一些传统方式无法加工的奇异结构制造变得快捷,一些复杂铸件的生产由传统的3个月缩短到10天左右。

大连理工大学参与研发的最大加工尺寸达1.8米的世界最大激光3D打印机进入调试阶段,其采用“轮廓线扫描”的独特技术路线,可以制作大型工业样件及结构复杂的铸造模具。这种基于“轮廓失效”的激光三维打印方法已获得两项国家发明专利。该激光3D打印机只需打印零件每一层的轮廓线,使轮廓线上砂子的覆膜树脂碳化失效,再按照常规方法在180℃加热炉内将打印过的砂子加热固化和后处理剥离,就可以得到原型件或铸模。这种打印方法的加工时间与零件的表面积成正比,大大提升打印效率,打印速度可达到一般3D打印的5—15倍。

彩印3D打印机

2013年5月上市了这种类型的3D打印机新产品“ProJet x60”系列。ProJet品牌主要有四种造型方法的装置。其余三种均是使用光硬化性树脂的类型,包括用激光硬化光硬化性树脂液面的类型、从喷嘴喷出光硬化性树脂后照射光进行硬化的类型(这种类型的造型材料还可以使用蜡)、向薄膜上的光硬化性树脂照射经过掩模的光的类型。高端机型ProJet 660Pro和ProJet 860Pro可以使用CMYK(青色、洋红、黄色、黑色)4种颜色的粘合剂,实现600万色以上的颜色ProJet 260C和ProJet 460Plus使用CMY三种颜色的粘合剂)。

3D打印机器人

2013年11月23日,西安电子科技大学展出3D打印机器人,这是一台远程体感控制服务机器人,最主要的功能是照顾老人。很多老人行动不便,有了机器人助手,只要对着摄像头做出手势,机器人就能模仿动作去做家务。

 

技术原理

3D打印机又称三维打印机(3DP),是一种累积制造技术,即快速成形技术的一种机器,它是一种数字模型文件为基础,运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中,机器会按照程序把产品一层层造出来。

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,堆叠薄层的形式有多种多样,可用于打印的介质种类多样,从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。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。

1、有些3D打印机使用“喷墨”的方式。即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,此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离,以供下一层堆叠上来。

2、还有的使用一种叫做“熔积成型”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才形成薄层。

  3、还有一些系统使用一种叫做“激光烧结”的技术,以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,熔铸成指定形状,然后由喷出的液态粘合剂进行固化。

4、有的则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒,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。

 

主要特点

3D打印带来了世界性制造业革命,以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现,而3D打印机的出现,将会颠覆这一生产思路,这使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题,任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。

3D打印无需机械加工或模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体, 从而极大地缩短了产品的生产周期,提高了生产率。尽管仍有待完善,但3D打印技术市场潜力巨大,势必成为未来制造业的众多突破技术之一。

3D打印使得人们可以在一些电子产品商店购买到这类打印机,工厂也在进行直接销售。科学家们表示,三维打印机的使用范围还很有限,不过在未来的某一天人们一定可以通过3D打印机打印出更实用的物品。

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,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。3D打印实验是美国太空总署未来重点研究项目之一,3D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。

 

工作步骤

软件建模

3D打印机工作步骤是这样的:

先通过计算机建模软件建模,如果你有现成的模型也可以,比如动物模型、人物、

实际过程

或者微缩建筑等等。

然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中,进行打印设置后,打印机就可以把它们打印出来,其工作结构分解图如下。

3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样,都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的,打印原理是一样的。3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型,然后再进行打印输出。

3D打印与激光成型技术一样,采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层的打印过程分为两步,首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将会被“打印”成型,打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型,而剩余粉末还可循环利用。

三维设计

三维打印的设计过程是:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即 切片,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文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器,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

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 系列还有三维 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。而用三维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,而三维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。一个桌面尺寸的三维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。

制作完成

三维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:先用当前的三维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。

 

应用领域

3D打印技术可用于珠宝,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,和许多其他领域。常常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型或者用于一些产品的直接制造,意味着这项技术正在普及。通过3D打印机也可以打印出食物,是3D打印机未来的发展方向。

航天科技

GE中国研发中心的工程师们仍在埋头研究3D打印技术。

就在这之前,他们刚刚用3D打印机成功“打印”出了航空发动机的重要零部件。与传统制造相比,这一技术将使该零件成本缩减30%、制造周期缩短40%。来不及庆祝这一喜人成果,他们就又匆匆踏上了新的征程。鲜为人知的是,他们已经“秘密”研发3D打印技术十年之久了。

一位叫Jim Smith的工程师又通过3D打印技术造出了世界首艘3D打印皮划艇,并且成功下水。

这艘“皮划艇”是他花费了42天时间,使用一台自制大型3D打印机打造的。它身长5米,由28块彩色ABS塑料组装而成,每个部件都是由3D打印机制作,然后再用螺栓固定在一起。

制造的过程看似简单,其实颇费功夫。从开始规划到制造完成花了Smith近6年的时间,下水前的最后调整也花费了40天。这艘成品长5.08米,宽0.52米,总重量为29.29公斤,其中ABS部分重26.48公斤,黄铜螺纹部件重0.86公斤,螺栓重2.068公斤,总造价只有500美元。

3D打印技术已经日趋成熟,未来人们用它来造房子、造汽车,甚至更多东西也不无可能。

2015年6月22日报道,国营企业俄罗斯技术集团公司以3D打印技术制造出一架无人机样机,重3.8公斤,翼展2.4米,飞行时速可达90至100公里,续航能力1至1.5小时。

公司发言人弗拉基米尔·库塔霍夫介绍,公司用两个半月实现了从概念到原型机的飞跃,实际生产耗时仅为31小时,制造成本不到20万卢布(约合3700美元)。 

音乐行业

打印音乐的3D打印机

为了探索3D打印机更多的应用,Rickard Dahlstrand使用Lulzbot 3D打印机创造出独特的艺术。在2013斯德哥尔摩艺术黑客节上,Lulzbot 3D打印机不仅为参加的艺术家和黑客们打印出艺术节的LOGO,而且作为一个表演项目,它还一边播放古典音乐一边相应地打印出可视化的音乐作品。Lulzbot 3D打印机打印可视化音乐的原理是:该步进电机的运动进行控制可以以不同的速度运行,声音的音调决定速度,从而音乐控制了打印过程。三台电机分别代表一个音轨,它们使用独特的模式运动。两个马达控制Z轴移动。

医疗行业

骨骼打印

将来外科医生们或许就将可以在手术中现场利用打印设备打印出各种尺寸的骨骼用于临床使用。这种神奇的3D打印机已经被制造出来了,而用于替代真实人体骨骼的打印材料则正在紧锣密鼓地测试之中。

在实验室测试中,这种骨骼替代打印材料已经被证明可以支持人体骨骼细胞在其中生长,并且其有效性也已经在老鼠和兔子身上得到了验证。未来数年内,打印出的质量更好的骨骼替代品或将帮助外科手术医师进行骨骼损伤的修复,用于牙医诊所,甚至帮助骨质疏松症患者恢复健康。

3D打印技术迅速兴起,成为炙手可热的新型产业,它可以打印的立体产品种类正迅速增加。为了打印骨

3D打印机图片

 骼材料,博斯和她的同事们使用了一台商业销售的ProMetal 3D打印机进行测试。这种3D打印机最初的设计目的是为了打印金属件。它会逐层喷洒塑料胶粒在一层粉末基底之上并逐层成型。每一层的厚度仅相当于人的头发丝宽度的一半。

这种骨骼支架的主要材料成分是磷酸钙,其中还额外添加了硅和锌以便增强其强度。当它被植入人体内之后可以暂时起到骨骼的支撑作用,并在此过程中帮助正常骨骼细胞生长发育并由此修复之前的损伤,随后这种材料可以在人体内自然溶解。

科学家们花费4年时间才找出这种材料的合适配方,其中涉及化学,材料学,生物学和工艺科学的诸多学科。

文物行业

美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描,利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型,不但保留了原化石所有的外在特征,同时还做了比例缩减,更适合研究。

博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害,同时复制品也能将艺术或文物的影响传递给更多更远的人。史密森尼博物馆就因为原始的托马斯·杰弗逊像要放在弗吉尼亚州展览,所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。

建筑领域

在建筑业里,工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型,这种方法快速、成本低、环保,同

合并图册

时制作精美。完全合乎设计者的要求,同时又能节省大量材料。

荷兰海牙核安全峰会在2014年3月24日到25日举行,各国国家元首皆出席此次峰会,忙里偷闲各国元首也会参加一些有趣的聚会或活动,如前天晚间习近平主席携夫人彭丽媛女士参加的荷兰国王举行的国宴,与此同时前来与会的美国总统奥巴马先生却在DUS公司的3D打印展览馆,参观全球最大的3D打印建筑物。

该3D打印展览馆目前正在利用3D打印技术准备打印全球最大的3D打印房屋,该公司使用名为KamerMaker的3D打印机,高达6米可安置在废弃集装箱内。KamerMaker的功能与桌面3D打印机相似,可在连续层次中挤压出热塑料。它还可以用来打印较小物件,比如板凳。

制造业

制造业也需要很多3D打印产品,因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产,所以制造业利用3D技术能带来很多好处,甚至连质量控制都不再是个问题。

比如微软的3D模型打印车间,在产品设计出来之后,通过3D打印机打印出来模型,能够让设计制造部门更好的改良产品,打造出更出色的产品。汽车行业在进行安全性测试等工作时,会将一些非关键部件用3D打印的产品替代,在追求效率的同时降低成本。

汽车打印

2014年10 月10日,世界首款3D打印汽车终成现实,这辆由“本地汽车”公司打造的3D打印汽车只有两个座位,名字叫“斯特拉迪”,它的制作周期为44个小时,并且最高时速可以达到80公里每小时。“斯特拉迪”全身是碳纤维及塑料,利用“3D打印技术”制造而成。据悉,全车只使用了40个零件,且依靠电动能源,充一次电花费3.5小时,可以行驶大约100公里 。

食品产业

3D食物打印机Atomium

2013年5月22日,NASA已选中总部位于得克萨斯州的系统和材料研究公司,向其投资12.5亿美元,研发能为宇航员制造“营养可口”食品的3D打印机。

3D食物打印机的概念设计方案中,打印机的“墨盒”——也就是装载食物的部分使用寿命长达30年。这款产品的实验版本已经可以成功“打印”巧克力,而比萨饼将是它未来几周内的下一个目标。据透露,食物打印机制造比萨饼的步骤如下:首先,打印一层面饼,并在打印的同时烤好;然后机器会将使用装载番茄的“墨盒”和水、油混合,打印出番茄酱。最后将酱料和奶油打印在比萨饼的表面。

一位名叫Luiza Silva的学生就设计了一个3D概念打印机Atomium,它能够打印分子级的材料,几乎能够打印各种形状。如果这个概念得以实现,它将会改变我们与食物间的关系。

Atomium的工作原理是这样的:用户事先注册基本信息,比如医疗数据(对什么过敏等)和饮食偏好等。然后,用户可以简单勾画出他们喜欢的形状类型,Atomium就会分析这些指令并创造出相应的食物。

西班牙巴塞罗那的自然机器公司向市场推出首款3D食物打印机Foodini,像是将食物打印出来一样制作出甜品、汉堡、面包、巧克力或意大利面。自然机器公司对于这款特殊“打印机”的销售前景十分乐观。 

生活用品

配件、饰品

这是最广阔的一个市场。在未来不管是你的个性笔筒,还是有你半身浮雕的手机外壳,抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指,都有可能是通过3D打印机打印出来的。甚至不用等到未来,就可以实现。

美容护肤

3D打印技术未来也可能会帮助爱美人士进行整容,说不定未来最有效果的青春痘的治疗方法就是通过3D打印技术来实现呢!不仅青春痘,包括祛斑、美白等领域都有希望使用到3D打印技术的!

 

应用案例

2010年,美国“太空制造”公司,在加利福尼亚州莫菲特场的美国太空总署艾姆斯研究中心内成立,由奇点大学的校友创建。

2011年秋天,该公司自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。

2013年,美国“太空制造”公司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打印技术试验研究。

2014年,计划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。计划2014年八月利用美国太空探索技术公司的“龙”飞船,将新研发的太空3D打印机送往国际空间站。

2014年8月,3D打印机将连同太空货物由SpaceX飞行器携带升空抵达国际空间站,采用“挤制递增制造”技术将聚合物和其它材料逐层打印,最终形成所需的打印物体。3D打印设计蓝图可从空间站计算机中预先载入或者从地面上行传输,空间站超过30%的零部件都可以通过这台3D打印机制造。

2014年,国际空间站的宇航员们不久前利用3D打印技术制造出第一把“太空工具”——扳手。这台针对零重力环境设计的3D打印机9月被送上太空,11月打印出首个“太空产品”——属于它自身的一个零部件。

2015年,该公司还计划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。

2015年04月22日,南方医科大学珠江医院利用3D打印指导完成复杂肝脏肿瘤切除手术。手术负责医生方驰华教授介绍,这个手术复杂,难度非常大,若非借助3D打印的肝脏模型指导,切除手术无法完成。这在国内尚属首例。 

2016年,太空制造公司正在研制的一种叫做“递增生产设备”的永久性太空打印装置,将交付国际空间站使用。

2015年7月17日,由3D模块新材料搭建的别墅现身西安,建造方在三个小时完成了别墅的搭建。据建造方介绍,这座三个小时建成的精装别墅,只要摆上家具就能拎包入住。[10] 

2016年,郑州科技学院大三的学生黄子帆发明的“桌面彩色3D打印机”获全国金奖。

“目前国内的3D打印机只能打单色,而我设计的‘桌面彩色3D打印机’根据三基色原理,采用红黄青三基色料丝,通过软件程序控制料丝的进料长度,在打印机喷头内进行融化融合获得任意色彩,在国内属首创。”在“2016年全国科技活动周”展台上,黄子帆向参观者介绍这台3D打印机的不同之处。

凭借技术领先的优势,黄子帆发明的这台彩色3D打印机在“2015年全国青少年科技创意”大赛上获得青年组一等奖,在由北京市科技委员会和中国发明协会联合主办的2016年第10届北京发明创新大赛中,又获得“全国科技创新大赛”金奖。


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