日本工程公司Fasotec將3D打印技術(shù)和核磁共振掃描相結(jié)合，打印出胎兒模型。
個(gè)人3D打印機(jī)
大型3D打印機(jī)
新聞背景
3D打印，這個(gè)原本匪夷所思的詞匯已經(jīng)越來(lái)越變得耳熟能詳。《環(huán)球科學(xué)》雜志評(píng)選的2012年十大科技新聞中，更是把3D打印步入實(shí)用階段列入其中，稱(chēng)3D打印將在制造業(yè)和科研領(lǐng)域引發(fā)一場(chǎng)革命。新年伊始又傳來(lái)趣聞，中國(guó)首家3D打印照相館在西安向公眾開(kāi)放，顧客只要花15分鐘將自己的全身外形掃描至計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)2-3小時(shí)便會(huì)打印出一個(gè)立體的“自己”。
在電影《碟中諜4》中，為阻止冷艷女殺手與恐怖分子的密碼交易，特工伊森使了一計(jì)“瞞天過(guò)海”。他計(jì)劃用“面具制造機(jī)”一臺(tái)能夠在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)三維建模從而完整“打印”出他人容貌的機(jī)器，制作出女殺手的面具。盡管這一計(jì)劃因不小心碰翻了打印機(jī)而落空，不過(guò)此前，面具制造機(jī)打印出的立體面具還是幫助伊森成功潛入了克里姆林宮，混過(guò)了衛(wèi)兵的搜查。
事實(shí)上，電影中的情節(jié)絕不是毫無(wú)根據(jù)的幻想。目前熱門(mén)的3D打印技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)這種幻想的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。很多人認(rèn)為，3D打印技術(shù)是一種新型的生產(chǎn)方式，能夠促成第三次工業(yè)革命。
舉個(gè)例子，假如你的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠給撞壞了，4S店又沒(méi)有相配套的給你換，怎么辦？未來(lái)也許你可以到汽車(chē)制造商網(wǎng)站上，下載前保險(xiǎn)杠的三維圖，然后用3D打印機(jī)打印出來(lái)，噴上漆后裝上，跟原來(lái)的一模一樣。
只要有三維數(shù)據(jù)就能做出物體
原理類(lèi)似噴墨打印
3D打印技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代中期，是由美國(guó)麻省理工學(xué)院的科學(xué)家最早發(fā)明的。這種技術(shù)跟2D打印不同的是，2D打印出來(lái)的是文稿或照片等平面的二維圖案，而3D打印出來(lái)的是一個(gè)三維的物體。二者具有相似的地方，比如2D打印是將油墨等材料噴涂在承印材料上，一般厚度只有幾個(gè)微米。如果在承印物上不止印刷一次，而且是印刷很多次，承印物上的“墨”的厚度會(huì)逐漸增高，最終形成三維模型。印刷的每一層的圖案信息都是可以變化的，所以，用這種“加成”的方法就可以輕易地形成三維模型。
3D打印技術(shù)的學(xué)名叫增材制造技術(shù)、快速成形技術(shù)等，原理在于將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的物體分解成若干層平面數(shù)據(jù)，然后把不同形態(tài)的金屬、陶瓷、塑料、砂等材料按平面數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)平面形狀，再通過(guò)層層累積疊加，像植物生長(zhǎng)般一次性整體成形。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，其工作原理可歸結(jié)為“由點(diǎn)成線、由線成面、由面成體”，材料根據(jù)電腦中的數(shù)據(jù)，在3D打印機(jī)中先固結(jié)成面，而后一層一層平面再累加固結(jié)成體，最終將電腦中虛擬的數(shù)據(jù)，“打印”成現(xiàn)實(shí)的物體。
3D建模是3D打印的前提，相當(dāng)于平面印刷中的“原稿”，3D建模質(zhì)量的好壞決定了3D打印的質(zhì)量。3D分割則將建立的3D模型分成一個(gè)個(gè)的薄片，一般為幾十微米到幾百微米不等。噴墨打印就是將材料一層層噴涂在基材上，目前比較流行的做法是先噴一層膠水，然后再在上面撒一層粉末，如此反復(fù)。打印完成后，還需要對(duì)打印出來(lái)的3D模型進(jìn)行后處理，比如固化處理、剝離、模型的修整等等，最終完成所需要的模型的制作。
無(wú)拼接、低耗材、個(gè)性化
更擅長(zhǎng)制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)
傳說(shuō)中，天上仙女的衣服沒(méi)有縫，完美自然，渾然一體。而在傳統(tǒng)制造業(yè)中，制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大型制件一般采用分段成形、拼接成整體的方法，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高，不但制件連接處潛伏著質(zhì)量隱患，而且也增加了重量。而3D打印技術(shù)將多維制造變?yōu)楹?jiǎn)單的由下至上的二維疊加，這種工藝方法能夠使最終固結(jié)成形的產(chǎn)品為整體成形制造、自然無(wú)縫連接，從而達(dá)到傳統(tǒng)制造方法難以或無(wú)法加工的任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且重量輕和耗材少，如封閉內(nèi)部空腔、多層嵌套等。尤其適合動(dòng)力裝備、航空航天、汽車(chē)等高端產(chǎn)品上關(guān)鍵零部件的制造，如空心渦輪葉片、渦輪盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋等。
傳統(tǒng)的制造方法多是減材制造，即在整塊材料的基礎(chǔ)上去除多余部分，將剩下的部分制成產(chǎn)品，那些多余部分便大多淪為工業(yè)廢料而被拋棄。而3D打印技術(shù)名為“增材制造”，是按照設(shè)計(jì)圖，用材料精確制出每一層平面后再進(jìn)行累加，所以其生產(chǎn)過(guò)程幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何廢料。除了節(jié)省原材料之外，相較于傳統(tǒng)制造技術(shù)的多步驟，3D打印技術(shù)還能節(jié)省大量的人力。
在電腦中設(shè)計(jì)一個(gè)奇形怪狀的玩具，按下“打印”鍵，3D打印機(jī)就能開(kāi)始生產(chǎn)獨(dú)一無(wú)二的新產(chǎn)品。3D打印十分適合個(gè)性化產(chǎn)品的生產(chǎn)。“只要你想得到，就能做出來(lái)”，英國(guó)增材制造協(xié)會(huì)主席彼得-托馬斯認(rèn)為其打破了傳統(tǒng)制造的局限性，拓展了人們的創(chuàng)意空間。
大到宇宙飛船、小到服裝手機(jī)
未來(lái)應(yīng)用前景難以估量
在美英等國(guó)，3D打印技術(shù)的應(yīng)用已較為廣泛，大到飛行器、賽車(chē)，小到服裝、手機(jī)殼，各領(lǐng)域或多或少都借著3D打印的東風(fēng)，煥發(fā)出了新的生命。目前3D打印技術(shù)已成為國(guó)外研究空間飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。據(jù)悉，美國(guó)國(guó)家航空航天局正在研究一項(xiàng)被稱(chēng)為“未來(lái)3D打印宇宙飛船”的技術(shù)，希望通過(guò)3D打印，制造出“廉價(jià)的機(jī)器人宇宙飛船”，奧巴馬政府已經(jīng)在俄亥俄州重點(diǎn)投入建一個(gè)專(zhuān)門(mén)整合國(guó)家資源的研究所，以加大3D打印技術(shù)的研究和應(yīng)用力度。
在我國(guó)，華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等高校和科研機(jī)構(gòu)也研發(fā)出多種系列的3D打印機(jī)。如華中科技大學(xué)史玉升教授的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的1.2米×1.2米的“立體打印機(jī)”（基于粉末床的激光燒結(jié)快速制造裝備），是目前世界上最大成形空間的得到工業(yè)應(yīng)用的3D打印機(jī)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)外同類(lèi)裝備水平。
“金屬3D打印技術(shù)開(kāi)辟了骨科植入技術(shù)的新紀(jì)元，使多孔生物器件制造的瓶頸迎刃而解。”上海交通大學(xué)李祥教授現(xiàn)在正致力于此技術(shù)與醫(yī)學(xué)應(yīng)用相結(jié)合，運(yùn)用到臨床醫(yī)學(xué)治療中。而北京航空制造研究所也基于此技術(shù)，研發(fā)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)電子束熔絲沉積成形裝備，大幅提升了材料的利用率，減少銑切量和制造周期，實(shí)現(xiàn)了綠色制造。
事實(shí)上，在美國(guó)，價(jià)格低、操作簡(jiǎn)便的小型家用3D打印機(jī)已到了“每4公里范圍內(nèi)有一臺(tái)”的普及程度，其購(gòu)買(mǎi)量仍在不斷攀升中。目前，華中科技大學(xué)正在開(kāi)發(fā)一款萬(wàn)元左右的3D打印機(jī)，相較于工業(yè)應(yīng)用的動(dòng)輒百萬(wàn)元的3D打印機(jī)，這款價(jià)格低廉的產(chǎn)品旨在面向終端用戶。
延伸閱讀
3D打印不能取代傳統(tǒng)制造業(yè)
隨著應(yīng)用的廣泛和技術(shù)的成熟，讓夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的3D打印技術(shù)，是完全取代傳統(tǒng)減材制造方式，還是成為傳統(tǒng)制造業(yè)技術(shù)的一種重要補(bǔ)充？華中科技大學(xué)王運(yùn)贛教授認(rèn)為，在未來(lái)制造業(yè)發(fā)展中，“減材制造法仍是主流”。
“由于用于增材制造的材料研發(fā)難度大等原因，導(dǎo)致3D打印制造成本較高，一般達(dá)到每克10-100元；制造效率不高，尤其在金屬材料成形方面，大約每小時(shí)100-3000克。”西安交通大學(xué)盧秉恒院士指出，目前增材制造技術(shù)在我國(guó)主要應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)，且制造成本高，制造效率低，制造精度尚不能令人滿意。
據(jù)了解，3D打印技術(shù)在我國(guó)工業(yè)零部件制造方面得到一定應(yīng)用，但尚未進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，其工藝與裝備，以及在航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用都有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。就目前的形勢(shì)來(lái)看，3D打印技術(shù)并不具備取代傳統(tǒng)制造業(yè)的條件，在大批量制造等方面，高效低成本的傳統(tǒng)減材制造法更勝一籌。
