9.3D设计与打印技术的初步应用

深度揭秘神奇的3D打印机 3D打印的概念早在几十年前就已提出 上世纪70年代 随着3D辅助设计的兴起 设计师能在电脑软件中看到虚拟的三维物体 但要将这些物体用粘土 木头或是金属做成模型却非常不易 可以用费时费力费钱来形容 3D打印的出现 使平面变成立体的过程一下简单了很多 设计师的任何改动都可在几个小时后或一夜之间重新打印出来 而不用花上几周时间等着工厂把新模型制造出来 这样可以大大缩短制作周期 降低制作成本 而随着科技的不断进步 更多材料的产品被打印出来 人们才发现原来还可以这么玩 经济学人 杂志曾评价 伟大发明所能带来的影响 在当时那个年代都是难以预测的 1750年的蒸汽机如此 1450年的印刷术如此 1950年的晶体管也是如此 而今 我们仍然无法预测 3D打印将在漫长的时光里如何改变这个世界 3D打印机究竟为何物 3D打印机 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 运用粉末状金属或塑料等可粘合材料 通过逐层打印的方式来构造物体的技术 过去其常在模具制造 工业设计等领域被用于制造模型 现正逐渐用于一些产品的直接制造 意味着这项技术正在普及 机器的上半部分是个半透明的罩子 有一排控制按钮 旁边是一台电脑 掀起罩子 左边立着四盒不同颜色的墨水 右边的工作区摆放研磨得很细的石膏粉末 工作时 这些粉末会一层层地被液态连接体也就是特殊胶水粘合 按照不同的横截面图案固化 一层层叠加 感觉像是在做蛋糕那样创建三维实体 基本原理与现有技术 其实3D打印机原理很简单 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 完成后 要处理掉物品周围沾满的粉末 这是可以循环利用的 再涂上增强硬度的胶水 眼下3D打印机有两种类型 一种是堆叠法 一种是烧结 原理基本都是多层分片打印 而堆叠和烧结只是成型技术的区别 堆叠只能成型塑料 硅之类的材质 对固化反应速度有要求 而烧结可以利用激光的高温对金属粉末进行处理加工出金属材质的东西出来 实体可通过打磨 钻孔 电镀等方式进一步加工 所以3D打印机和普通打印机 最大的区别是 墨水 现有的3D打印技术能够实现600dpi分辨率 每层厚度只有0 01毫米 想完美地展现头发丝还是很困难的 但是做小零件 模型绰绰有余 技术的发展和粉末很有关系 材料越细 每一层就更薄 做出来的东西精度就越高 3D打印为何能火 新的三个有关3D打印的报道很吓人 一个是打印房子 另一个打印飞机 三是打印手枪 其实在欧美 注重创造力的发达国家 3D打印技术已经成功商用 尤其是消费电子业 航空业和汽车制造业 它们不光可以离开传统的大规模机床来制造小数量的部件 而且可以用不同方法来制造 比如单个制作喷气式飞机上的空气动力导管 而不再需要很多不同的元件来组装它 用发展的眼光来看 3D打印首先会影响的是模具行业 即便在国内制造行业不景气的今天 模具行业仍然风景独好 一方面是对技术要求高 另一方面是市场有需求 在产品大规模生产之前 必须要进行多次打样和修改 3D打印机的出现 其实是消灭了模具反复打造的流程 能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件 极大地缩短产品的研制周期 大幅减少成本投入 对于一些复杂而精细的造型 3D打印机表示毫无压力 3D打印为何能火 其次是会引发个性风潮 对一些小厂家来说 迫于模具制造的高成本 往往会采用公模来生产 虽然在功能上能满足用户的需求 但千篇一律的造型 很难迎合时下个性化的发展趋势 所以卖不出高价 只能靠低价来吸引消费者 在机械化和流水线盛行的年代 人们对于手工的东西有特别的亲切感 即便价格昂贵数倍 也不愁找不到买家 原因是手工制作不可能有相同的 而且品质有保证 3D打印机的出现 一方面满足人们对个性化产品的追求欲 完全可以量身定制 另一方面在大大提高生产效率的同时 还能降低成本 第三是激发了人的想象力 极客牙医用它进行牙齿正畸和数字化种牙 减少风险和痛苦 外科医生更厉害 直接打印骨头 只不过把材料换成添加了硅和锌磷酸钙 用于临床手术 汽车维修公司用它来打印稀缺的汽车零部件 原先要等全球物流下2个月才到的一个东西 1个小时搞定了 英国科学家还在3D打印机的基础上成功改造 使用液态巧克力作为 油墨 可以打印各种形状的巧克力 几乎所有人都相信 3D打印机会成为食品界杀手级工具 3D打印应用广泛 医疗行业最近 一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染 因此换上了由3D打印机 打印 出来的下颚骨 这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例 随着技术的发展 甚至可以打印出具有活性的人体组织等 科学研究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 产品模型比如微软的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 建筑设计在建筑业里 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 3D打印应用广泛 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 食品产业没错 就是 打印 食品 研究人员已经开始尝试打印巧克力了 或许在不久的将来 很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机 打印 出来的 当然 到那时可能人工制作的食品会贵很多倍 汽车制造业不是说你的车是3D打印机打印出来的 当然或许有一天这也有可能 而是说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 饰品 工艺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 现在就可以实现 3D打印机并非天价 工业用的3D打印系统价格从1 5万美元左右起 最贵的要100多万美元 但是 普通的桌面3D打印机并不像大家想象的那么昂贵 原因是它采用了开源硬件Arduino Arduino由5个国际工程师研发 刚开始是为了促进意大利艾维里互动设计学院的发展 旨在帮助学生们实现把输入的数据原型输出 它括一个简单易用的I O电路板 以及一个基于Eclipse的软件开发环境 可以用来开发可独立运作 并具互动性的电子用品 也可以开发出与PC相连的周边装置 同时能在运作时与PC上的软件进行沟通 因为Arduino让生产3D产品又快又便宜 所以整个制造过程被大大简化透明了 对整个3D打印产业来说 正是因为有了Arduino和其他尾随的开源技术 才变的更普遍 更廉价 要知道它的重组成本接近为零 以杭州某创业者为例 从2010年底到现在 他已经卖出了150台桌面3D打印机 不仅包括代理的国外品牌 还有他们自己制造的机器 第一代产品售价是4000元 只有一个喷头 只能打印一种材料 第二代产品正在内测中 安装有两个喷头 价格也不会过万 3D打印离我们生活还有多远 3D打印机现在来看 在欧美国家已经形成了一种潮流和噱头 多为极客和高端用户服务 像纽约另一家利用3D技术生产消费品的公司Quirky拥有20万的注册用户 他们在线搜集用户的创意 产品设计图纸 用3D打印机以最快的速度成型 设计者常从一个创意就获得不少的收入 有的用户一年能赚几万美元 而美国加利福尼亚州的LegacyEffect公司 利用Objet3D打印机为电影特效片段制造3D模型和原型 为演员量身定制可以完全适合演员的脸 颈部和头部的道具 在电影 侏罗纪公园 阿凡达 钢铁侠 以及 复仇者联盟 中都有应用 日本一家公司甚至推出了面向个人的 Baby复原服务 只需提供婴儿在母亲肚子里的X光照片 他们便可以复原成三维图像后 打印出一个肚子里的婴儿模型作为纪念 3D打印离我们生活还有多远 国内目前3D打印还有待普及 一方面是应用于工业的高端型号投入较大 行业投资人比较慎重 处于观望状态 另一方面 应用普及也就是从最近才开始 用户缺乏对3D打印有一个深入的认识 由于有些新闻在描述上运用了夸张的手法 大胆的预测 所以给人的感觉是电影中的情节 业内人士介绍 和美国相比 中国缺少DIY和创意设计的习惯 所以3D打印机的最