3D列印技術

3D列印技術

3D列印(3DP)即快速成型技術的一種,它是一種以數字模型檔案為基礎,運用粉末狀金屬或塑膠等可粘合材料,通過逐層列印的方式來構造物體的技術。 3D列印通常是採用數位技術材料印表機來實現的。常在模具製造、工業設計等領域被用於製造模型,後逐漸用於一些產品的直接製造,已經有使用這種技術列印而成的零部件。該技術在珠寶、鞋類、工業設計、建築、工程和施工(AEC)、汽車,航空航天、牙科和醫療產業、教育、地理信息系統、土木工程、槍枝以及其他領域都有所套用。

基本信息

簡介

桌面上的3D印表機桌面上的3D印表機

3D列印技術又稱積層製造(AdditiveManufacturing,AM),屬於快速成形技術的一種,它是一種數字模型檔案為基礎直接製造幾乎任意形狀三維實體的技術。3D列印運用粉末狀金屬或塑膠等可粘合材料,通過逐層堆疊累積的方式來構造物體,即“層造形法”。3D列印與傳統的機械加工技術

3D列印咖啡桌3D列印咖啡桌
不同,後者通常採用切削或鑽孔技術(即減材工藝)實現。過去其常在模具製造、工業設計等領域被用於製造模型,現正逐漸用於一些產品的直接製造。特別是一些高價值套用(比如髖關節牙齒,或一些飛機零部件)已經有使用這種技術列印而成的零部件,意味著“3D列印”這項技術的普及。

3D列印通常是採用數位技術材料印表機來實現。這種印表機的產量以及銷量在二十一世紀以來就已經得到了極大的增長,其價格也正逐年下降。

該技術在珠寶,鞋類,工業設計,建築,工程和施工(AEC),汽車,航空航天 ,牙科和醫療產業,教育,地理信息系統,土木工程,槍枝以及其他領域都有所套用。

歷史

3D列印超級跑車3D列印超級跑車
長久以來科學家和技術工作者一直有著一個複製技術的構想,但直到20世紀80年代,3D列印的概念才算真正開始實現。1982年,日本名古屋市工業研究所首次公開實現實體模型的印製。但直到2010年代才出現商業的3D印表機。然而,最常被冠以發明“現代”3D印表機的人是查爾斯·W·赫爾(ChuckHull)。自21世紀初,3D印表機銷量大增,進而價格也明顯下降。根據總部位於美國的全球知名的從事3D列印行業研究的諮詢機構WohlersAssociates,Inc統計,2012年3D印表機及其服務市場達到了22億美元,比2011年增長了29%。2015年增長了46%。

術語

“增材製造”(Additivemanufacturing)用來指通過層層疊加製造實體的技術。製造出的實體可用於從試製(即快速原型)到最終產品的規模化生產(即快速製造)整個生命周期內任何地方。

3D列印月餅3D列印月餅

一般原理

三維設計

3D列印技術3D列印技術

3D列印的設計過程是:先通過計算機輔助設計 (CAD)或計算機動畫建模軟體 建模,再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面,從而指導印表機逐層列印。

設計軟體和印表機之間協作的標準檔案格式是STL檔案格式 。一個STL檔案使用三角面來大致模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面解析度越高。PLY 是一種通過掃描來產生三維檔案的掃描器,其生成的VRML 或者WRL 檔案經常被用作全彩列印的輸入檔案。

列印過程

Stratasys機器Stratasys機器

印表機通過讀取檔案中的橫截面信息,用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地列印出來,再將各層截面以各種方式粘合起來從而製造出一個實體。這種技術的特點在於其幾乎可以造出任何形狀的物品。

印表機打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方

3D印表機器人3D印表機器人
向即X-Y方向的解析度是以dpi(像素每英寸)或者微米來計算的。一般的厚度為100微米,即0.1毫米,也有部分印表機如ObjetConnex系列還有3DSystems'ProJet系列可以列印出16微米薄的一層。而平面方向則可以列印出跟雷射印表機相近的解析度。列印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。用傳統方法製造出一個模型通常需要數小時到數天,根據模型的尺寸以及複雜程度而定。而用3D列印的技術則可以將時間縮短為數個小時,當然其是由印表機的性能以及模型的尺寸和複雜程度而定的。

傳統的製造技術如注塑法可以以較低的成本大量製造聚合物產品,而3D列印技術則可以以更快,更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。一個桌面尺寸的3D印表機就可以滿足設計者或概念開發小組製造模型的需要。

表面

3D列印搭建房3D列印搭建房
目前3D印表機的解析度對大多數套用來說已經足夠(在彎曲的表面可能會比較粗糙,像圖像上的鋸齒一樣),要獲得更高解析度的物品可以通過如下方法:先用當前的3D印表機打出稍大一點的物體,再稍微經過表面打磨即可得到表面光滑的“高解析度”物品。

有些技術可以同時使用多種材料進行列印。有些技術在列印的過程中還會用到支撐物,比如在列印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易於除去的東西(如可溶的東西)作為支撐物。

技術

首款3D列印車試行首款3D列印車試行
在存在著許多不同的技術。它們的不同之處在於以可用的材料的方式,並以不同層構建創建部件。有些技術利用熔化或軟化可塑性材料的方法來製造列印的“墨水”,例如:選擇性雷射燒結(selectivelasersintering ,SLS)和熔融沉積式(fuseddepositionmodeling ,FDM),還有一些技術是用液體材料作為列印的“墨水”的,例如:立體平板印刷(stereolithography ,SLA)、分層實體製造(laminatedobjectmanufacturing ,LOM)。每種技術都有各自的優缺點,因而一些公司會提供多種印表機以供選擇。一般來說,主要的考慮因素是列印的速度和成本,3D印表機的價格,物體原型的成本,還有材料以及色彩的選擇和成本。

可以直接列印金屬的印表機價格昂貴。有時候人們會先使用普通的3D印表機來製作模具,然後用這些模具製作金屬部件。

累積技術 基本材料
選擇性雷射燒結(selective laser sintering,SLS) 熱塑性塑膠金屬粉末、陶瓷粉末
直接金屬雷射燒結(Direct metal laser sintering,DMLS) 幾乎任何合金
熔融沉積式(fused deposition modeling,FDM) 熱塑性塑膠共晶系統金屬、可食用材料
立體平版印刷(stereolithography,SLA) 光硬化樹脂(photopolymer)
數字光處理(DLP) 液態樹脂
熔絲製造(Fused Filament Fabrication,FFF) 聚乳酸(PLA)、ABS樹脂
融化壓模式(Melted and Extrusion Modeling,MEM) 金屬線、塑膠
分層實體製造(laminated object manufacturing,LOM) 金屬膜、塑膠薄膜
電子束熔化成型(Electron beam melting,EBM) 合金
選擇性熱燒結(Selective heat sintering,SHS) Thermoplastic powder
粉末層噴頭3D列印(en:Powdger bed and inkjet head 3d printin,PP) 石膏

限制因素

材料的限制

3D列印迷幻眼鏡模擬藥物帶來幻覺3D列印迷幻眼鏡模擬藥物帶來幻覺
雖然高端工業印刷可以實現塑膠、某些金屬或者陶瓷列印,但無法實現列印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外,印表機也還沒有達到成熟的水平,無法支持日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。

研究者們在多材料列印上已經取得了一定的進展,但除非這些進展達到成熟並有效,否則材料依然會是3D列印的一大障礙。

機器的限制

法國6歲男孩裝3D列印假手法國6歲男孩裝3D列印假手
3D列印技術在重建物體的幾何形狀和機能上已經獲得了一定的水平,幾乎任何靜態的形狀都可以被列印出來,但是那些運動的物體和它們的清晰度就難以實現了。這個困難對於製造商來說也許是可以解決的,但是3D列印技術想要進入普通家庭,每個人都能隨意列印想要的東西,那么機器的限制就必須得到解決才行。

智慧財產權的憂慮

在過去的幾十年里,音樂、電

3D列印探測車3D列印探測車
影和電視產業中對智慧財產權的關注變得越來越多。3D列印技術也會涉及到這一問題,因為現實中的很多東西都會得到更加廣泛的傳播。人們可以隨意複製任何東西,並且數量不限。如何制定3D列印的法律法規用來保護智慧財產權,也是我們面臨的問題之一,否則就會出現泛濫的現象。

道德的挑戰

道德是底線。什麼樣的東西會違反道德規律是很難界定的,如果有人列印出生物器官和活體組織,在不久的將來會遇到極大的道德挑戰。

3D列印技術3D列印技術
3D躶體列印3D躶體列印

花費的承擔

煎餅3D印表機煎餅3D印表機
3D列印技術需要承擔的花費是高昂的。第一台3D印表機的售價為1萬5。如果想要普及到大眾,降價是必須的,但又會與成本形成衝突。

每一種新技術誕生初期都會面臨著這些類似的障礙,但相信找到合理的解決方案3D列印技術的發展將會更加迅速,就如同任何渲染軟體一樣,不斷地更新才能達到最終的完善。

印表機

家用印表機

歐宇航局3D列印的月球基地模型歐宇航局3D列印的月球基地模型

有一些機構以及公司正在努力開發一般家庭負擔得起的3D印表機,其中有許多是相關的。這項工作的推動,並有針對性地DIY/發燒友/早期採用者社區的學術和黑客社區的連結。

RepRap3D印表機是一個在桌面類的運行時間最長的項目。RepRap項目的目的是產生一個自由和開放源碼軟體(FOSS)的3D印表機,其規格在GNU通用公共許可證下發布的,並可以列印自己的部分(列印件),以創造更多的機器。截至2010年11月,RepRap可以列印塑膠件,並要求電機,電子和一些金屬支撐棒來完成。列印印刷電路板,以及金屬部件的設備正在研究中。一些公司和個人出售部分創建不同的RepRap設計,開始於2012年的價格約€400/500美元

3D列印食品3D列印食品
由於RepRap具有的開放源碼軟體的目的,許多相關的項目都用它的設計中獲取靈感,創造一個生態系統的許多相關的或派生的3D印表機,其中大部分也是開源設計。這些開源設計的可用性意味著,發明3D印表機的變體很容易。但是,不同的印表機設計的質量和複雜性不同,套件或成品的質量也良莠不齊。這種快速發展的開源3D印表機的正在得到越來越多的關注,無論是已開發國家和開發中國家都在大量定製和設計,因為它可以通過管道在公共領域使用,如Thingiverse製作的適當開源的技術。這項技術也可以協助在可持續發展,這種技術很容易在當地取得資源,因此十分經濟,以滿足他們的需求。

開放源碼的Fab@Home項目一般使用的印表機,可以使用一個噴嘴做出任何產品,從朱古力到矽密封劑和化學反應物。印表機可以從供應商的工具包項目的設計或組裝的形式,在2012年該地區的價格是2000美元。

許多這些印表機以套件形式提供的,還有一些是完全組裝好的形式。完全組裝好的Solidoodle2,一個6x6x6英寸的印表機的價格為499美元。印表機套件的價格從400美元為開源SeeMeCNCH-1,500美元的Printrbot,這兩者都是來自以前的RepRap印表機的派生模型,到超過2000美元的Fab@Home的2.0雙注射器系統。

商用和家用印表機

開發和能超級自定義的的基於RepRap的3D印表機製作了一類新的印表機,適用於住宅及商業用途。最便宜的組裝印表機是Solidoodle2,而RepRapPro的DIY套件售價為680美元左右,是最便宜的和最可靠的。還有其他的高端工具包和完全組裝好的機器,是基於RepRap的機器增強型號,能以高速和高清晰度來列印。根據不同的套用,列印解析度和速度的程度介乎個人印表機和工業印表機之間。印表機的價格和其他信息的清單被人維護。大部分最近的deltarobots已經用於3D列印來進一步的增加製造的速度。

套用

工業套用

用於列印朱古力的3D印表機 用於列印朱古力的3D印表機

在20世紀80年代初以來,工業的3D印表機已經存在,並已廣泛用於快速成型設計和研究目的。這些通常是較大的機器,使用專有的金屬粉末,鑄造介質(如沙子),塑膠或磁帶,並用於許多快速原型使用的大學和商業公司。製造工業用3D印表機的公司包括Renishaw,ObjetGeometries,Stratasys,3DSystem和ZCorporation公司。

快速成型

主條目:快速成型

快速成型或快速成形(英語:Rapidprototyping,RP)是一種

3D列印汽車3D列印汽車
快速生成模型或者零件的製造技術。在計算機控制與管理下,依靠已有的CAD數據,採用材料精確堆積的方式,即由點堆積成面,由面堆積成三維,最終生成實體。依靠此技術可以生成非常複雜的實體,而且成型的過程中無需模具的輔助。

快速成型操作流程

3D列印為受傷海龜重塑下頜3D列印為受傷海龜重塑下頜
1、輕點電腦螢幕上的“列印”按鈕,一份數字檔案便被傳送到一台噴墨印表機上,它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像。
2、而在3D列印時,軟體通過電腦輔助設計技術(CAD)完成一系列數字切片,並將這些切片的信息傳送到3D印表機上,後者會將連續的薄型層面堆疊起來,直到一個固態物體成型。

快速製造

在快速成型技術的進步所帶來的使用材料用於最終製造的能力。在材料的使用這些技術進步帶來的直接生產成品組件的前景。3D列印技術的優勢在於相對廉價的生產少量的零件快速製造。

3D列印服務

3D列印情趣用品3D列印情趣用品
有些公司提供網上線上的3D列印服務,既對消費者也對工業界開放。人們上傳自己的3D設計到3D列印服務公司網站,設計被通過工業的3D印表機列印後運到客戶。3D列印服務公司的一些例子是Shapeways,Kraftwurx,i.materialise和FreedomOfCreation。MakerBot工業的Thingiverse允許共享的3D列印檔案和作為一個社區資源。

研究

其他應用程式將包括創造開放源碼的科學設備,或用於其他科學為基礎的應用程式,例如重建古生物化石,複製古老而珍貴文物,重建骨骼和身體各部位的法醫病理學,以及重建嚴重受損來自於犯罪現場調查的證據。

矽膠3D列印內衣矽膠3D列印內衣

美國太空總署(NASA)資助美國一位工程師,設計3D食物印表機,如果機器設計成功,不僅能為長途太空任務提供食物,未來地球人類過多引發資源不足時,也能直接印出食物餵飽大眾。

2013年11月,第一把3D列印金屬槍問世。

2014年1月,第一個3d列印建築問世。

3D列印心臟

3D列印心臟3D列印心臟

據外媒報導,美國紐約的一家醫院,利用3D列印技術“列印”了一個患先天性心臟病嬰兒的心臟,而利用這個心臟模型,醫生們能夠制定完美的手術方案,而不是等到打開嬰兒胸腔的時候再決定如何手術,這極大地提高了手術的成功機率,成本也僅只有數千美元。

無獨有偶,3D列印技術同樣套用在其他方面。一群狂熱的民間火箭愛好者在不久前利用3D列印技術打造了一支微縮版火箭,能夠衝上2萬米高空,成本也僅有6000英鎊。日本也在最近宣布將利用3D列印技術製作專為盲人設計的地圖。

列印頭骨

3D列印頭蓋骨可以完成破損頭蓋骨的修復3D列印頭蓋骨可以完成破損頭蓋骨的修復
2014年10月,3D列印公司OPM(OxfordPerformanceMaterials)宣布與耶魯大學共同開發3D列印生物醫學技術。之前OPM公司已經開發過多種圍繞聚合物PEKK(聚醚酮酮)的先進材料技術。此次兩家的聯合將會更加深入挖掘探索3D列印與PEKK的醫學套用。目前,該項目包括頭蓋骨開發、臉部結構開發、肋骨替換等等。

PEKK具備良好的特性,其中包括高性能、強度高、生物兼容等。3D列印技術和PEKK的結合將會更好的使3D列印的PEKK材料運用於醫學。耶魯大學MarkSaltzman表示,3D列印技術與PEKK的結合將有力地開發一種獨特的治療方法,在一定程度上實現了創新及陳本降低的結合。

2014年8月28日,西安市周至縣的胡偉(化名)在蓋房時不幸被電弧擊中頭部,由3層樓房高空處墜落,被送到醫院緊急手術後雖然保住了性命,但還是導致半個“腦蓋”缺失,嚴重毀容。第四軍醫大學西京醫院套用3D列印技術輔助,成功為他實施手術,使其成功恢復外觀。

3D列印假肢

3D列印骨骼模型、3D列印器官骨骼模型、3D列印人工關節、3D列印頸椎……近年來,隨著科學技術的發展,3D列印已在醫療套用領域獲得很多突破,但在大部分人眼裡,這種炫酷又神秘的3D列印技術距離日常生活還很遠。然而在目睹了一場不幸之後,身為骨科醫生的徐貴升開始嘗試用時下流行的3D技術“拯救”一位特殊的殘疾人患者,最後成功製作了也許是國內第一個實用型3D列印假肢。更讓人振奮的是,3D列印假肢的成本僅僅是傳統假肢的十分之一甚至幾十分之一。

歷史建築與數字典藏

3D列印鏇轉樓房3D列印鏇轉樓房
歷史建築的紀錄過去常以圖面或照片等平面信息紀錄,現代因科技發展而有3D掃描技術可較精準地將歷史建築數位化進行數字典藏,而以此為基礎之數據除可妥善保存外,亦可直接或經處理後成為3D數字模型,現在通過3D印表機可將原本僅存在數字世界中的數據實體化,數位化的製造過程更可將人為的誤差降到最低,免除過去建築模型以人工製作時所加入的人為意識或變更產生與實體不符之狀況。

太空套用

未來航天員即使像度假者一樣忘記攜帶太空之旅用品,也沒有什麼大問題,因為美國“太空製造”公司宣布,將於2014年為國際空間站提供一台3D印表機,供太空人在軌生產零部件,無需再從地球運輸零部件。

全球首架3D列印飛機全球首架3D列印飛機

美國“太空製造”公司將與美國太空總署馬歇爾航天中心合作,開展在零重力環境中的3D列印技術試驗硏究,並計畫在明年八月利用美國太空探索技術公司的“龍”飛船,將新硏發的太空3D印表機送往國際空間站。
“太空製造”公司說,國際空間站現有的三成以上的備用部件都可由這台3D印表機製造。這台設備將使用聚合物和其他材料,利用擠壓增量製造技術逐層製造物品。
該公司執行長亞倫·科梅爾表示:“3D列印實驗是美國太空總署未來重點硏究項目之一,3D列印零部件和工具將增強太空任務的可靠性和安全性,同時由於不必從地球運輸,可降低太空任務成本。
此外,該公司還計畫在2015年為國際空間站提供一個名為“增量生產設備”的太空列印設備,該設備不僅可“列印”物品,還能修理組件並升級硬體等。
馬歇爾航天中心的3D列印項目負責人沃克海澤在聲明中說,3D列印技術對美國太空總署的太空探索任務來說至關重要。
“太空製造”公司於2010年在加利福尼亞州莫菲特場的美國太空總署艾姆斯硏究中心內成立,由奇點大學的校友創建。該公司自2011年秋天以來已展開四百多次拋物線飛行試驗,以在微重力環境下驗證3D列印技術。

重要事件

2013年9至12月,日本橫濱某大學職員居村佳知(28歲)用家裡的電腦和3D印表機製作出樹脂材料的槍枝部件,並組裝成兩把手槍。

2013年11月,涉案男子居村佳知在社交網路上稱“雖然已經依照《槍刀法》進行了改造,但仍有被警察搜查的風險,可這是有意義的行為”、“我要進行日本第一把6連發3D列印左輪手槍的試射”,暗示將公布試射視頻。居村隨後在視頻網站上傳了自製左輪手槍的射擊視頻。神奈川警方2014年掌握這些線索後,隨即對其展開了調查。

2014年4月居村佳知在家中持有這些槍枝。

2014年10月20日,日本橫濱地方法院對前大學職員居村佳知(28歲)被控違反《槍刀法》和《武器等製造法》用3D印表機自製手槍案做出判決,判處被告有期徒刑兩年。檢方求刑3年零6個月。檢方在總結陳詞中指出,被告在網上公開槍枝製造方法和3D數據,濫用3D印表機可能會從根本上顛覆通過槍枝管制維護的社會治安,“刑事責任重大”。辯方則表示“被告並未意識到自己違法”,要求判處緩刑。

發展方向

標準和標準的制定機構

當一間實驗室作出了圖紙,需要拿出來共享時,會發現有太多的格式和標準了,因此,3D列印原型機這個領域看起來像是野蠻生長,毫無標準。

開源的設計、配置和軟體

當有了統一的標準後,3D列印行業將會迎來開源。現在,太多的團隊注重提高自己的3D列印水平,在自我的閉環中發展。實際上,行業需要設備和軟體的開源,在統一的標準下產生更多有用、高效、開放的創新。

原型機實驗室

原型機列印並不受到重視,所以現在很多醫療器械商都是在一個髒亂、布滿灰塵的地方放置列印設備。其實,現在已經有商業化運營的3D列印實驗室,來幫助這些企業列印出質量更高的原型機。

評價

3D列印煎餅3D列印煎餅
大部份媒體都予以了正面評價 ,或者因其成本過高而對其發展速度與規模產生了疑問。也有部份媒體對其列印物是否合法產生了懷疑,質疑其列印塑膠槍械和手銬鑰匙威脅社會治安 。

政策引領

2015年8月23日,中共中央政治局常委、國務院總理李克強主持國務院專題講座,討論加快發展先進制造與3D列印等問題。

科技新品分類導航

高科技是一種人才密集、知識密集、技術密集、資金密集、風險密集、信息密集、產業密集、競爭性和滲透性強,對人類社會的發展進步具有重大影響的前沿科學技術。這將是推動各行各業發展的關鍵因素。
機器人 新品生活 科技產品 發明
電子科技 影像科技 高新技術 新技術
人造技術 專利發明 高科技

科技分類導航

科技即科學技術,科學與技術的通稱,通常人們先於掌握科學的原理之前,早有利用該原理的技術。
光電科技影像科技核能科技太空科技
生物技術納米技術航空航天信息技術

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