3D打印技術(shù)探索與應(yīng)用探索
近年來，3D打印技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計，特別是數(shù)字產(chǎn)品模型制造領(lǐng)域的應(yīng)用正在成為一種潮流和熱門話題。桌面級3D打印設(shè)備的逐漸成熟和應(yīng)用開始推動全球3D打印市場的興起，全球工業(yè)分析公司（GlobalIndustry Analysis Inc）的研究報告預(yù)測2018年全球3D打印市場將達(dá)到29.9億美元。
一、3D打印技術(shù)與3D打印機(jī)
3D打印技術(shù)與3D印刷是兩個完全不同的概念。3D印刷是將圖片分離成不同角度的紅、藍(lán)兩張圖片，然后將這兩張圖片按照規(guī)定的視差距離套印在一起，并用特殊眼鏡觀看來形成3D視覺效果，或者將圖片經(jīng)過特殊處理后，直接印刷在特殊的光柵板上，從而呈現(xiàn)3D視覺效果的印刷技術(shù)。而3D打印技術(shù)是指采用三維噴墨打印技術(shù)，通過分層加工與疊加成形相結(jié)合的方法，逐層打印增加材料來生成3D實(shí)體，達(dá)到與激光成型等其他3D模型制造技術(shù)相同3D真實(shí)物體的數(shù)字制造技術(shù)。
3D打印機(jī)按照所使用技術(shù)的不同，其工作原理可分為兩類：
1. 基于三維打印技術(shù)的3D打印機(jī)
基于三維打印技術(shù)的3D打印機(jī)先由儲存桶送出一定量的原材料粉末，粉末在加工平臺上被滾筒推成薄薄一層，接著打印頭在需要成形的區(qū)域噴出一種特殊的黏合劑。此時，遇到黏合劑的粉末會迅速固化黏結(jié)，而沒有遇到黏合劑的粉末則仍保持松散狀態(tài)。每噴完一層，加工平臺就會自動下降一點(diǎn)，根據(jù)電腦切片的結(jié)果不斷循環(huán)，直到實(shí)物完成。完成之后只要掃除松散的外層粉末便可獲得所需制造的三維實(shí)物。
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C A D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)動路徑。然后熱噴頭會在計算機(jī)的控制下根據(jù)實(shí)物的截面輪廓信息在打印平面上進(jìn)行平面運(yùn)動，同時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)的工作平臺上。噴涂熱塑性材料快速冷卻后在平臺上形成一層厚度約0.1 m m的輪廓薄片，形成了一個3D打印截面。將這個作業(yè)過程不斷循環(huán)，承載工作臺高度隨之不斷降低，一層層的熔覆3D打印截面形成多層堆疊，最終獲得所需的三維實(shí)物。
二、3D打印技術(shù)的應(yīng)用需求
目前3D打印技術(shù)支持多種材料，可以廣泛應(yīng)用在珠寶首飾、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、汽車、航天、牙科、醫(yī)療甚至美食等不同領(lǐng)域。根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)的需求，所使用的材料有樹脂、尼龍、石膏、A B S、聚碳酸酯（PC）或食材配料等。3D打印機(jī)的快速成型技術(shù)使之在市場上獨(dú)具優(yōu)勢，在生產(chǎn)應(yīng)用上潛力巨大，熱點(diǎn)應(yīng)用概述如下。
1. 工業(yè)應(yīng)用
“空氣單車”是位于英國布里斯托爾的歐洲航空防務(wù)和航天公司采用3D打印機(jī)，應(yīng)用3D打印技術(shù)制造出的世界上第一輛打印自行車。這輛自行車使用像鋼鐵和鋁合金一樣結(jié)實(shí)的尼龍材料，重量比金屬材料要輕65%。更有趣的是，“空氣單車”無論是車輪、鏈條還是軸承都是一次打印出來的，無需原來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，自行車就能夠活動自如。自行車的制造過程就像在平面打印中打印不連續(xù)的線條一樣簡單，3D打印機(jī)能夠打印出空間彼此不相連的物體。
2. 醫(yī)學(xué)應(yīng)用
在醫(yī)學(xué)上，采用3D打印將雙光子聚合物和生物功能材料組合修飾成毛細(xì)血管，不僅具有良好的彈性和人體相容性，還能夠用于替換壞死的血管，與人造器官結(jié)合，部分取代藥物研發(fā)中的實(shí)驗(yàn)動物。2011年10月在德國生物科技展 （Biotechnical Fair）上，用3D打印機(jī)打印出來的人造毛細(xì)血管吸引了參會者的關(guān)注，這些人造毛細(xì)血管已經(jīng)在臨床醫(yī)學(xué)上應(yīng)用。
3. 日常生活應(yīng)用
“3D食物打印機(jī)”是美國紐約康奈爾大學(xué)研制的食物制造設(shè)備。這部“3D食物打印機(jī)”采用了類似日常計算機(jī)打印機(jī)的工作原理，將食材和配料預(yù)先放入容器內(nèi)（墨盒）中，只需輸入所需食譜，通過所配套的C A D軟件就能把美食“印”出來。對不少廚師而言，這種烹飪的新廚具意味著他們可以創(chuàng)作新菜品，制作出更多個性美食，獲得更高的食物附加值。使用“3D食物打印機(jī)”制作食物，可以大幅地縮減從原材料到成品的環(huán)節(jié)，從而避免食物加工、運(yùn)輸、包裝等環(huán)節(jié)中的污染與保存等不利影響。由于烹飪的原料和配料必須放置在打印機(jī)的容器內(nèi)，因此食物原料必須是液體或其他可以“打印”的狀態(tài)。
4. IT應(yīng)用
最近，迪士尼的一組研究人員利用3D打印技術(shù)在與有機(jī)玻璃同樣效果的高透光塑料上，以低廉造價打印出了L C D屏幕與多種傳感器，實(shí)現(xiàn)了I T應(yīng)用中的新突破。利用3D打印光導(dǎo)管可以制造出高科技的國際象棋，這些國際象棋的棋子可以偵測并顯示當(dāng)前位置。盡管這種單色屏與日常生活中見到豐富多彩的顯示屏相比有些微不足道，但其擁有3D打印技術(shù)成本低廉、制造工藝簡單的優(yōu)勢。除了顯示屏，利用3D打印技術(shù)還能夠打印出多種傳感器。這些傳感器可以通過紅外光來偵測觸摸、振動等刺激，并將結(jié)果輸出。3D打印技術(shù)必將為智慧生活和智慧城市創(chuàng)造出更多的IT應(yīng)用。
5. 在教學(xué)中的應(yīng)用
3D打印技術(shù)是應(yīng)用3D打印機(jī)打印出實(shí)物模型。因此，在中國中學(xué)的教育中．可應(yīng)用該技術(shù)打印出各種模型．讓學(xué)生易于接受對知識的理解。在中學(xué)的教育中，大量的應(yīng)用掛圖、圖片等手段進(jìn)行教學(xué)，這只是平面的工具。如果能把三維模型打印出來，必然加深學(xué)生的印象，而且增加了學(xué)習(xí)的趣味性，增強(qiáng)學(xué)生的動手能力。
三、3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢
近年來3D打印技術(shù)持續(xù)發(fā)展，成本的大幅降低使其已經(jīng)從研發(fā)的小眾空間向主流市場進(jìn)軍，發(fā)展勢頭不可阻擋，已經(jīng)成為社會廣泛關(guān)注、民用市場迅速崛起的新領(lǐng)域。3D打印制作的模型、禮品、紀(jì)念品乃至工藝品的應(yīng)用，極大吸引了社會關(guān)注和投入，發(fā)展加速，市場開始呈現(xiàn)量與質(zhì)的雙飛躍。據(jù)預(yù)測，2020年3D打印成品將占產(chǎn)品生產(chǎn)總量的50%。
2012年12月工信部副部長蘇波公開表示，將推動3D打印產(chǎn)業(yè)化，制定路線圖和中長期發(fā)展戰(zhàn)略，并加大財稅政策引導(dǎo)力度。據(jù)《上海證券報》報道，目前3D打印相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃正在研究制定中，有望于兩會后公布。與此同時，地方政府已經(jīng)先行發(fā)力，我國首個3D打印工業(yè)園將落戶武漢東湖高新區(qū)，目前武漢市發(fā)改委等部門針對3D打印產(chǎn)業(yè)，正在摸底調(diào)查，擬著手編制規(guī)劃并予以扶持培育。東莞也將發(fā)展3D打印寫入了今年的地方政府工作報告。我國最早研發(fā)3D打印技術(shù)的華中科技大學(xué)快速制造中心主任史玉升預(yù)計，未來10年在電腦上完成產(chǎn)品設(shè)計藍(lán)圖，輕輕一按“打印”鍵，3D打印機(jī)就能一點(diǎn)一點(diǎn)打出所設(shè)計的模型。現(xiàn)在一些鑄造企業(yè)開始研發(fā)選擇性激光燒結(jié)3D打印機(jī)及其應(yīng)用，力圖將復(fù)雜鑄件的交貨期由3個月縮短到10天。發(fā)動機(jī)制造商通過3D打印技術(shù)，將大型六缸柴油發(fā)動機(jī)缸蓋砂芯的研制周期，由過去5個月縮短至1周。史玉升表示：“3D打印技術(shù)的最大優(yōu)勢在于能拓展設(shè)計人員的想象空間。只要能在計算機(jī)上設(shè)計成三維圖形的東西，無論是造型各異的服裝、精美的工藝品，還是個性化的車子，只要解決了材料問題，都可以實(shí)現(xiàn)3D打印。”
隨著3D打印技術(shù)的不斷突破，新材料的日益改善，3D打印的速度、尺寸在不斷提高，其技術(shù)在不斷優(yōu)化，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)展，特別是在圖形藝術(shù)領(lǐng)域的潛力，三維的概念模型能更好地傳達(dá)作者的想法或解決方案，一張圖可以勝過幾百甚至上千個文字的描述。專業(yè)人士堅(jiān)信個性化或定制化的3D打印可以將一個所想象的三維模型即時擺在眼前，能夠快速改進(jìn)產(chǎn)品，增長幅度將超過想象，將會改變社會各種應(yīng)用的未來。 3D打印技術(shù)將淘汰傳統(tǒng)生產(chǎn)線，縮短制作周期，大大減少生產(chǎn)廢料，所需原材料用量將減少到原來的幾分之一。3D打印不僅節(jié)約成本，提高制作精度，也將彌補(bǔ)傳統(tǒng)制造的不足，并將在民用市場迅速崛起，從而開啟制造業(yè)的新紀(jì)元，為印刷工業(yè)帶來新的機(jī)遇和希望。
(責(zé)任編輯：admin)
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