3D打印的全面解析

魔猴君  知識堂   3191天前

    提起3D打印，很多人一定會認(rèn)為，這是一個非常新的技術(shù)，但是事實(shí)上并不是這樣。3D打印技術(shù)的歷史，并不比噴墨打印短多少，它誕生于1986年。將數(shù)字化的3D圖形轉(zhuǎn)化成為物理實(shí)物，這一想法最早是由美國人查爾斯.豪爾申請的專利（Charles W. Hull）申請的專利（美國專利4573330），其原理為立體光刻造型（stereolithography），這一技術(shù)后面我們會有詳解。需要指出的是，這個豪爾先生，同時也是3DSystems公司的創(chuàng)始人，并且推出了第一款工業(yè)化的3D打印設(shè)備。

    在八十年代末期，3D System公司的設(shè)備以及流行起來。但是在同期，出現(xiàn)了另外兩種可以3D成型的技術(shù)：熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）與選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering ，SLS）。FDM技術(shù)與1988年由斯科特克魯姆普發(fā)明（Scott Crump）,Stratasys在次年商業(yè)化這一技術(shù)，并與1992年售出了第一臺基于熔融沉積成型技術(shù)的3D打印產(chǎn)品。同在1992年，DTM公司也把基于選擇性激光燒蝕技術(shù)的產(chǎn)品推向市場。

    在1993年，美國麻省理工學(xué)院申請了一種新的3D打印技術(shù)，名字就叫做“三維打印技術(shù)”（3 Dimensional Printing techniques），這是一種依賴已有噴墨技術(shù)的3D成型技術(shù)，Z Corporation取得了麻省理工學(xué)院的專利授權(quán)，并在1995年推出了第一款產(chǎn)品。

    此后的十余年，是3D打印的發(fā)展時期，各個公司都在努力的去降低3D打印的成本。在2005年，ZCorp推出了一款里程碑意義的3D打印機(jī)產(chǎn)品“Spectrum Z510”，這是第一款能夠進(jìn)行高分辨率彩色3D打印的產(chǎn)品。

    在2006年，發(fā)生3D打印界的另外一個標(biāo)志事件。一個名叫Reprap的開源3D打印計(jì)劃公布出來，有興趣的讀者可以訪問他們的官網(wǎng)（http://reprap.org/wiki/WebHome），這一行為，讓3D打印，在很多領(lǐng)域，不再有專利的束縛，普通人自己也可以進(jìn)行3D打印。不過目前基于此開源計(jì)劃的3D打印設(shè)備能打印的物體個頭還都比較小。但是這一技術(shù)卻非常受歡迎，僅僅四年內(nèi)，就已經(jīng)發(fā)展出了一個相當(dāng)復(fù)雜的產(chǎn)品族譜。在淘寶上，一個能打印12厘米見方的3D打印機(jī)，只要四千元，可以說已經(jīng)相當(dāng)?shù)谋阋耍T位中關(guān)村在線的網(wǎng)友如果有興趣也可以自己買一個，在家就能進(jìn)行3D成型工作，不過需要指出的是3D打印機(jī)個頭偏大，體積與以前的29寸彩電占用的空間差不多，甚至還要大一些。

主流技術(shù)：SLA與FDM

    立體光刻造型（stereolithography）

    立體光刻造型技術(shù)，網(wǎng)友們可以想象一下把一根黃瓜切成很薄的薄片再拼成一整根。先由軟件把3D的數(shù)字模型，“切”成若干個平面，這就形成了很多個剖面，在工作的時候，有一個可以舉升的平臺，這個平臺周圍有一個液體槽，槽里面充滿了可以紫外線照射固化的液體，紫外線激光會從底層做起，固化最底層的，然后平臺下移，固化下一層，如此往復(fù)，直到最終成型。

    立體光刻造型（stereolithography）技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

    優(yōu)點(diǎn)：精度高，可以表現(xiàn)準(zhǔn)確的表面和平滑的效果，精度可以達(dá)到每層厚度0.05毫米到0.15毫米

    缺點(diǎn)：可以使用的材料有限，并且不能多色成型

    熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）

    熔融沉積成型技術(shù)，同樣是需要把3D的模型薄片化，但是成型的原理不一樣。學(xué)過高等數(shù)學(xué)的朋友都知道積分，熔融沉積成型技術(shù)，就是把材料用高溫熔化成液態(tài)，然后通過噴嘴擠壓出一個個很小的球狀顆粒，這些顆粒在噴出后立即固化，通過這些顆粒在立體空間的排列組合形成實(shí)物。

    1，噴嘴；2，沉積材料；3，可以多方向移動的平臺

    熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

    優(yōu)點(diǎn)：成型精度更高、成型實(shí)物強(qiáng)度更高、可以彩色成型。

    缺點(diǎn)：成型后表面粗糙

其它主要3D打印技術(shù)

    選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering ，SLS）

    選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，是把3D模型薄片化之后，在一個容器內(nèi)，讓其充滿待燒結(jié)的材料粉末，這些粉末可以做的很細(xì)，然后由大功率的二氧化碳激光，選擇最底層的3D切片形狀開始燒結(jié)，然后平臺下移，材料輥則在已經(jīng)燒結(jié)的部分基礎(chǔ)之上，再鋪上薄薄的一層材料粉末燒結(jié)，如此往復(fù)，直到整體成型。SLS技術(shù)就是選擇性燒結(jié)料粉末薄層的一部分

    選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering ，SLS）技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

    優(yōu)點(diǎn)：材料的強(qiáng)度非常高，可選材料從金屬到聚苯乙烯等等，可選材料范圍非常廣泛。

    缺點(diǎn)：成型精度低，成型后表面粗糙，不能彩色成型。

    “三維打印技術(shù)”（3 Dimensional Printing techniques）

    這一技術(shù)和我們今天使用的2D噴墨打印機(jī)類似，一樣是通過多個噴嘴，噴射成型材料來逐層打印3D實(shí)物。其成型材料分為兩種，一種是成型用的粉末，另外一種是粘接劑，粘接劑可以很快的固化。

     三維打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：

    優(yōu)點(diǎn)：成型精度高，可以彩色成型

    缺點(diǎn)：成型表面粗糙，材料強(qiáng)度差，成型后表面細(xì)節(jié)差

    Polyjet與Polyjet矩陣

    Polyjet技術(shù)的3D打印優(yōu)點(diǎn)很多

    這是最近才發(fā)明的技術(shù)，其中Polyjet矩陣是Object Geomatries公司2007年發(fā)布的。其技術(shù)原理是噴射超薄層的光固化物，并且可以噴射多種不同的材料，其最薄的層，只有16微米。

    技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：

    優(yōu)點(diǎn)：成型精確、表面光滑、細(xì)節(jié)豐富、可以彩色成型

    缺點(diǎn)：成型材料強(qiáng)度低

    不可或缺的3D掃描

    如果要進(jìn)行3D打印，必須有www.huisheliren.com數(shù)字化的3D模型才行。除了使用CAD等3D設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行3D建模以外，必須有一種方法，把實(shí)物通過掃描的辦法，形成數(shù)字化的3D模型，那就是3D掃描儀。

    常見的3D掃描儀有兩種，一種是接觸式的，一種是非接觸式的。目前非接觸式的面狀光柵3D掃描儀是市場上的重點(diǎn)產(chǎn)品，這是結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的組合。特點(diǎn)是速度快，精度高（0.03毫米）可掃描的物體體積大。

考古與醫(yī)學(xué)應(yīng)用

    考古與古生物學(xué)

    眾所周知，很多文物非常的珍貴，所以不可能經(jīng)常的搬動，3D打印技術(shù)，則可以復(fù)制這些文物，比如陶瓷器、青銅器等，用戶可以知道其準(zhǔn)確的3D形狀，這對于提高文物的鑒賞水平是有幫助的，因?yàn)樵谀硞€特定歷史時期，只會有一些特定的器形。在古生物學(xué)領(lǐng)域，可以通過3D打印來復(fù)制整個古生物的骨架和造型，讓研究人員更立體。

3D打印立體文物

    中國是文物大國，但是在歷次戰(zhàn)亂中，大量的中國文物去了國外，尤其是佛教的造像，很多都身首分離，身子還在國內(nèi)，但是頭首卻要么被搶劫，要么被盜賣到了國外，通過3D打印技術(shù)，則可以對兩部分分別進(jìn)行3D掃描，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)拼接成一整個佛教造像，再3D打印出來，形成完整的形狀，還原歷史的原貌。

    醫(yī)學(xué)

    3D打印的醫(yī)學(xué)應(yīng)用很多，主要是復(fù)雜的手術(shù)和牙科。

    人體本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜往往超出我們的想象，有時候外科醫(yī)生，對一些復(fù)雜的手術(shù)，往往只能通過CT、核磁共振等醫(yī)學(xué)影像學(xué)資料進(jìn)行可能的判斷，進(jìn)而進(jìn)行手術(shù)，但是有的時候，復(fù)雜程度超出想象，手術(shù)成功率低。3D打印技術(shù)，可以利用已有的醫(yī)學(xué)影像資料，先打印一個3D的病人模型出來，通過在模型上進(jìn)行模擬，進(jìn)而確定可行的手術(shù)方案。

    牙醫(yī)是另外一個3D應(yīng)用的熱門領(lǐng)域。在歐美，牙醫(yī)之所以收入高，是因?yàn)檫@是一個需要憑借經(jīng)驗(yàn)的工作，很多人在鑲牙的時候，都咬過齒模，牙醫(yī)再憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正。但是如果對患者的口腔進(jìn)行3D掃描和3D建模、打印，那么就能夠很高精度的打印出病人的口腔結(jié)構(gòu)，進(jìn)行幫助牙醫(yī)制造出準(zhǔn)確的假牙。

建筑、工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用

    建筑

    如果不是建筑學(xué)專業(yè)的人，恐怕沒有幾個人能夠在看建筑圖紙的時候就在頭腦中構(gòu)想出建筑物的3D形狀。而通過人手工制作建筑模型則往往成本很高，因?yàn)闅W美國家人工很貴。而通過3D打印技術(shù)，則可以很容易、很快的就能在短時間內(nèi)打印出一個建筑模型，即便客戶有修改意見，同樣可以短時間內(nèi)就完成一個的模型，提高設(shè)計(jì)階段的效率。

工業(yè)

     先3D打印一個等比縮小的實(shí)物再生產(chǎn)已經(jīng)是很多家具企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)流程

    工業(yè)是3D打印應(yīng)用的核心領(lǐng)域。現(xiàn)如今工業(yè)設(shè)計(jì)非常非常重要，往往是一款產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵。在從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品化的過程當(dāng)中，3D打印技術(shù)的參與，加速了工業(yè)設(shè)計(jì)的步伐，因?yàn)?D打印技術(shù)能夠快速的實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)物化，尤其是汽車等領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)可以打印出很大的實(shí)物，而實(shí)物化是設(shè)計(jì)必不可少的一步，可以讓無論是設(shè)計(jì)師還是企業(yè)的決策者非常直觀的看到產(chǎn)品的形狀，進(jìn)而做出是否量產(chǎn)的決策。當(dāng)然，由于選擇性激光燒結(jié)等技術(shù)的存在，還能夠進(jìn)行小批量的生產(chǎn)，因?yàn)檫@一技術(shù)可以成型金屬，有些時候小批量的3D打印，在成本上是優(yōu)于數(shù)字機(jī)床切削或是開模鑄造、沖壓的。

    娛樂業(yè)

圖為《鋼鐵俠2》的手部道具，3D打印的產(chǎn)物

    在電影中，我們看到過很多演員扮演的類人形的怪物，傳統(tǒng)上，諸如好萊塢這樣的制片基地，都是通過www.huisheliren.com手工技術(shù)來進(jìn)行這些特殊的造型，但是現(xiàn)如今已經(jīng)基本都是3D打印模型的天下，很方便就能打印出一個個性化的怪物頭套和全身裝備，效果可以亂真。

    個人制作物體

    123DCatch本來是Autodesk公司AutoCAD的一個插件，現(xiàn)如今iPhone上也可以用，通過多角度拍攝同一物體，就能生成3D的數(shù)據(jù)。類似的應(yīng)用還有Trimensiona等等，喜歡的網(wǎng)友朋友們可以去appstore上尋找。

3D打印，打印的未來？

    3D打印這個詞如今越來越熱，并且很快的在全球范圍內(nèi)得到了應(yīng)用。筆者在廣東做工廠的朋友介紹，如今廣東那邊3D打印一個模型出來，收費(fèi)大約在500元左右，對于產(chǎn)品的開發(fā)成本來說，并不算高昂，現(xiàn)如今4000塊左右可以買到的3D打印機(jī)，能自己成型小的產(chǎn)品或是零件。

    相比2D打印，每年幾百億乃至上千億美元的市場來說，3D打印每年的市場空間只有幾億到十幾億美元，還是一個孕育中的市場。不過2011年2月的經(jīng)濟(jì)學(xué)家（The Economist）雜志說道“3D打印技術(shù)可以廉價的成型從單品到成千上萬個產(chǎn)品，進(jìn)而破壞規(guī)模經(jīng)濟(jì)，正如那些3D打印公司所做到的那樣……正如1450年的印刷術(shù)、1750年的蒸汽機(jī)和1950年的晶體管，當(dāng)時沒有人能正確的預(yù)見他們在未來廣闊的應(yīng)用前景，沒有人能預(yù)測3D打印技術(shù)的長期影響。3D打印技術(shù)已經(jīng)到來了，它可能在未來破壞每一個它所觸及的領(lǐng)域。”

    但是我們看到，對于Stratasys、3D Systems等公司的發(fā)展壯大，傳統(tǒng)的打印業(yè)巨頭們都采取了按兵不動的觀望狀態(tài)。對于這些巨頭來說，一來傳統(tǒng)的2D打印業(yè)務(wù)目前市場還足夠大，二來，這些3D打印公司對這些500強(qiáng)企業(yè)來說還足夠小，一旦這些傳統(tǒng)的打印巨頭提起興趣，在資本市場進(jìn)行收購，并不是不可能。