何為3D打印技術(shù)

傳統(tǒng)打印機(jī)打印出的是圖紙，3D打印機(jī)打印出的正是各種實(shí)物模型。3D打印技術(shù)發(fā)明于上世紀(jì)80年代，但它并不是高科技實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)物，而是來自一位父親的家用工作室。目前全球最大3D打印設(shè)備商是美國(guó)的Stratasys，其創(chuàng)始人斯科特·克倫普在1988年為他女兒做一個(gè)玩具青蛙，學(xué)過機(jī)械工程、做過焊接工作的克倫普決定把聚乙烯、燭蠟混合物裝進(jìn)噴膠槍，一層一層堆疊做出青蛙形狀，Stratasys3D打印技術(shù)FDM（熔融沉積成型）正是由此發(fā)展而來。

3D打印特點(diǎn)

3D打印技術(shù)對(duì)于生產(chǎn)者來說，可大幅降低生產(chǎn)成本，提高原材料和能源的使用效率，減少對(duì)環(huán)境的影響，它還使消費(fèi)者能根據(jù)自己的需求量身定制產(chǎn)品3D打印機(jī)既不需要用紙，也不需要用墨，而是通過電子制圖、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、激光掃描、材料熔化等一系列技術(shù)，使特定金屬粉或者記憶材料熔化，并按照電子模型圖的指示一層層重新疊加起來，最終把電子模型圖變成實(shí)物。其優(yōu)點(diǎn)是大大節(jié)省工業(yè)樣品制作時(shí)間，且可以“打印”造型復(fù)雜的產(chǎn)品。因此許多專家認(rèn)為，這種技術(shù)代表制造業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)。

3D打印原理

3D打印是添加劑制造技術(shù)的一種形式，在添加劑制造技術(shù)中三維對(duì)象是通過連續(xù)的物理層創(chuàng)建出來的。3D打印機(jī)相對(duì)于其他的添加劑制造技術(shù)而言，具有速度快，價(jià)格便宜，高易用性等優(yōu)點(diǎn)。

3D打印機(jī)就是可以“打印”出真實(shí)3D物體的一種設(shè)備，功能上與激光成型技術(shù)一樣，采用分層加工、迭加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實(shí)體，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)完全不同。稱之為“打印機(jī)”是參照了其技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^程與噴墨打印十分相似。隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們已經(jīng)能夠生產(chǎn)出與原型的外觀、感覺和功能極為接近的3D模型。說的簡(jiǎn)單一點(diǎn)，3D打印是斷層掃描的逆過程，斷層掃描是把某個(gè)東西“切“成無數(shù)疊加的片，3D打印就是一片一片的打印，然后疊加到一起，成為一個(gè)立體物體。使用3D打印機(jī)就像打印一封信：輕點(diǎn)電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數(shù)字文件便被傳送到一臺(tái)噴墨打印機(jī)上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像。而在3D打印時(shí)，軟件通過電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，后者會(huì)將連續(xù)的薄型層面堆疊起來，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。3D打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)最大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實(shí)實(shí)在在的原材料。

3D打印機(jī)應(yīng)用

3D打印機(jī)的應(yīng)用對(duì)象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。以色列的Objet公司認(rèn)為，3D打印機(jī)需求量較大的行業(yè)包括政府、航天和國(guó)防、醫(yī)療設(shè)備、高科技、教育業(yè)以及制造業(yè)。

3D打印機(jī)價(jià)格

任何一款新設(shè)備要推廣普及，必須擁有一個(gè)親民的價(jià)格，這也正是3D打印機(jī)難以走入家庭的重要原因。最早的Stratasys3D打印機(jī)每臺(tái)售價(jià)高達(dá)13萬美元，別說家庭用戶，就連企業(yè)用戶也對(duì)這個(gè)售價(jià)高昂的新家伙無人問津，Stratasys在成立三年后才賣出自己的第一臺(tái)3D打印機(jī)。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，如今3D打印機(jī)早已不是當(dāng)初的價(jià)格，雖然一些用于工業(yè)設(shè)計(jì)、精密程度非常高的3D打印機(jī)價(jià)格仍然不菲，但作為普通設(shè)計(jì)公司乃至家庭用戶使用的桌面式3D打印機(jī)，國(guó)外品牌售價(jià)基本在2萬-5萬元不等，而國(guó)產(chǎn)3D打印機(jī)售價(jià)已經(jīng)來到萬元以下。

3D打印機(jī)未來有望熱銷

Stratasys中國(guó)區(qū)總經(jīng)理汪祥艮介紹，3D打印機(jī)主要有四個(gè)方面的應(yīng)用：一是概念模型，藝術(shù)家搞概念的東西，形狀、外體什么樣；第二就是結(jié)構(gòu)和外觀的測(cè)試或者是實(shí)驗(yàn)；第三個(gè)是一些功能性的測(cè)試；第四是直接制造。

過去的十幾年里，3D打印技術(shù)的主要使用者是設(shè)計(jì)師、工程師和科學(xué)家，3D打印機(jī)可以幫助他們制造一次性的各種產(chǎn)品或模型。比如建筑設(shè)計(jì)師就可以把設(shè)計(jì)圖上的原稿通過3D打印機(jī)做出建筑模型，而科學(xué)家甚至可以直接通過3D打印機(jī)來制作高科技產(chǎn)品
( 4 )( 3 )3D打印的樣品。
( 3 )資料圖片
( 2 )
　　英國(guó)將3D打印拓展到人類胚胎干細(xì)胞范圍。

　　開欄的話

　　各位親愛的讀者，《城市實(shí)驗(yàn)室》今天與您見面了。

　　“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”絢麗繽紛的城市生活中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)生機(jī)盎然的萬千氣象。新鮮的事物，到底是怎么回事？我們的未來會(huì)因此有怎樣的改變？讓本報(bào)記者去體驗(yàn)、去實(shí)驗(yàn)，用真實(shí)細(xì)膩的文字記錄下城市里正在發(fā)生的一切。

　　美國(guó)科幻作家羅伯特·�？死�曾經(jīng)寫過一個(gè)“萬能制造機(jī)”的故事，故事里的人們帶著一臺(tái)“萬能制造機(jī)”飛往太空。

　　看過電影《十二生肖》的人都會(huì)被這一幕所驚嘆：成龍扮演的國(guó)際大盜用高科技掃描手段獲取了國(guó)寶獸首的三維數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程傳輸?shù)揭慌_(tái)神奇的機(jī)器上，瞬間一模一樣的銅獸首復(fù)制成功。

　　盡管“想要什么就生產(chǎn)什么”的現(xiàn)實(shí)還遠(yuǎn)沒有小說電影描述的那般輕松隨意，但現(xiàn)在，通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)小零件、食物、自行車、建筑甚至人的皮膚、腎臟等都已不再是天方夜譚。

　　究竟3D打印有多神奇？與普通的打印有什么不同？3D打印真的會(huì)給制造業(yè)帶來革命性的變化嗎？

　　昨日，記者走進(jìn)了揚(yáng)州首家提供3D打印技術(shù)的西安交大揚(yáng)州科技園的快速制造國(guó)家工程研究中心揚(yáng)州示范中心動(dòng)手試驗(yàn)了一下3D打印。

　　

　　揚(yáng)州3D打印國(guó)內(nèi)領(lǐng)先

　　2012年7月，揚(yáng)州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西安交通大學(xué)揚(yáng)州科技園一期正式開園，這其中就有“快速制造國(guó)家工程研究中心揚(yáng)州示范中心”。中心由中國(guó)工程院院士盧秉恒教授領(lǐng)銜。

　　中國(guó)3D打印先驅(qū)牽手揚(yáng)州

　　西安交通大學(xué)教授盧秉恒，被視為國(guó)內(nèi)3D打印業(yè)的先驅(qū)人物。他1992年赴美做高級(jí)訪問學(xué)者，發(fā)現(xiàn)了快速成型技術(shù)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用，回國(guó)后隨即轉(zhuǎn)向研究這一領(lǐng)域，1994年成立先進(jìn)制造技術(shù)研究所。同一時(shí)期，華中科技大學(xué)等高校也開始參與到相關(guān)研究中來，中國(guó)的3D打印技術(shù)開始踏上了征程。

　　從兩個(gè)數(shù)字看揚(yáng)州水平

　　在“快速制造國(guó)家工程研究中心揚(yáng)州示范中心”里，負(fù)責(zé)人方翔對(duì)記者說，經(jīng)過半年多的運(yùn)行，目前中心運(yùn)營(yíng)情況良好�！拔靼步淮蟪�在揚(yáng)州設(shè)立科技園外，還在蘇州、寧波、山東聊城設(shè)有科技園，同時(shí)向這些地區(qū)輸出3D打印技術(shù)。不過，無論從3D打印出的產(chǎn)品尺寸，還是精度來看，揚(yáng)州無疑是最先進(jìn)的。”

　　這主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，是生產(chǎn)設(shè)備的空間大。揚(yáng)州引進(jìn)的3D打印機(jī)，可以打印出600×600×600毫米的實(shí)物模型，這樣的尺寸在西安交大系統(tǒng)中是最大的。“如果實(shí)物的體積超過上述規(guī)格，可以通過分段打印，再進(jìn)行組合�！逼浯�，打印產(chǎn)品的精度可以達(dá)到0.1毫米。“相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的那樣，這一指標(biāo)目前在國(guó)內(nèi)名列前茅�！�

　　綜合來看，方翔認(rèn)為，“揚(yáng)州的3D打印在全國(guó)處于中高端水平，將極大地提高揚(yáng)州工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平，與最高端中航重機(jī)的差距就在于還不能使用鈦合金粉末作材料�！�

　　揚(yáng)企已近水樓臺(tái)先得月

　　“對(duì)于揚(yáng)州的制造業(yè)來說，這將是制造模式的一次革命�！笔薪�(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)相關(guān)負(fù)責(zé)人向記者分析。

　　嗅覺靈敏的揚(yáng)州企業(yè)已搶先一步。記者從揚(yáng)州新菱電器了解到，他們最近設(shè)計(jì)研發(fā)了新的自動(dòng)復(fù)位式斷電保護(hù)器，并委托“快速制造國(guó)家工程研究中心揚(yáng)州示范中心”“打印”出來，樣品讓他們非常滿意。“最主要的是節(jié)省時(shí)間,對(duì)一個(gè)新產(chǎn)品來說，時(shí)間比什么都重要�！�

　　在揚(yáng)州，除了新菱電器，不少工業(yè)企業(yè)開始關(guān)注3D打印技術(shù)，并積極先行先試，搶占先機(jī)。這幾天，方翔的手機(jī)時(shí)常能接到各地的咨詢電話�！�3D打印在生產(chǎn)量少、定制化個(gè)性化精密性高的驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型和傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)難以完成的產(chǎn)品上最有優(yōu)勢(shì)，也適用于初期小批量生產(chǎn)�！狈较韪嬖V記者。

　　實(shí)驗(yàn)

　　兩小時(shí)打印一個(gè)油壺

　　記者特地來到“快速制造國(guó)家工程研究中心揚(yáng)州示范中心”，在技術(shù)人員的指導(dǎo)下，記者利用3D打印設(shè)備，親手制作了一個(gè)10:1比例的油壺。

　　如此神奇的技術(shù)，過程其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是兩個(gè)步驟：建模和打印。

　　第一步驟：建模

　　【應(yīng)用設(shè)備】三維掃描儀、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件

　　【目標(biāo)】立體變平面

　　首先，記者來到反求數(shù)據(jù)處理室。

　　“3D打印的第一個(gè)步驟就在這里完成�！奔夹g(shù)員袁剛說，無論要打印出什么樣的實(shí)物模型，都首先要把實(shí)物設(shè)計(jì)成“圖紙”。

　　在反求數(shù)據(jù)處理室，有一臺(tái)電腦，電腦旁則矗立著一個(gè)帶著三腳架的儀器�！斑@是三維掃描儀，帶有兩個(gè)紅外攝像頭�！�

　　袁剛拿來了一個(gè)普通油壺，擺放到三維掃描儀前的墊板上進(jìn)行拍照。記者看到，油壺身上貼著不少黑色小紙片，墊板上也遍布這樣的黑色小紙片。這有什么用呢？

　　“這些黑色紙片涂有光敏材料，是物品上的隨機(jī)坐標(biāo)點(diǎn)。拍照后，通過與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)點(diǎn)的對(duì)比和油壺實(shí)物的對(duì)比，在兩組對(duì)比中產(chǎn)生3D數(shù)據(jù)�！痹瑒傉f，如果沒有實(shí)物模型，也可以制圖，然后通過3D軟件生成數(shù)據(jù)。

　　第二步驟：打印

　　【應(yīng)用設(shè)備】 激光快速成型機(jī)、光敏樹脂

　　【目標(biāo)】 平面變立體

　　第一步給油壺建模操作完了，將數(shù)據(jù)傳輸給3D打印機(jī)，然后裝好打印材料，開動(dòng)打印機(jī)就可以開始了。這一步驟在激光成型室進(jìn)行。

　　在激光成型室，記者看到，房間中央擺放著一臺(tái)激光快速成型機(jī)，從外觀上看，這臺(tái)機(jī)器和普通的復(fù)印機(jī)并無大的不同，唯一的不同是它們打印時(shí)不用紙而是光敏樹脂。

　　機(jī)器的左半部分是個(gè)半透明的罩子，右邊則有一排控制按鈕。掀起罩子，工作區(qū)底部是一個(gè)“池子”，裝滿了液態(tài)狀的材料，“池子”中央還有一個(gè)網(wǎng)狀的支撐架，而工作區(qū)的頂部則懸掛著一個(gè)激光發(fā)生器探頭。

　　響應(yīng)信號(hào)聲過后，在隆隆作響的打印過程中，透過那個(gè)半透明的罩子，記者清晰地看見機(jī)器工作的場(chǎng)景：一層白色的粉末均勻撒開，一束紅色的光線迅速掃過，一幅精美的畫面隱約展現(xiàn)在記者眼前，又是一層白色的粉末均勻地撒過，紅色的光線再次掃描，精美的畫面再次出現(xiàn)。袁剛告訴記者，白色粉末是一種光敏樹脂材料，在計(jì)算機(jī)控制下激光掃描過的地方樹脂就會(huì)固化，一次次掃描、一次次固化，層與層之間在激光的作用下實(shí)現(xiàn)了逐層堆積，無縫連接。

　　可以把這個(gè)過程想象成很多張打印紙累加的結(jié)果首先就是分層打印，其中每張紙是一個(gè)圖層，橫切面上的圖案依靠打印材料構(gòu)建出來，并被強(qiáng)力黏合，然后，多張紙的不同圖層疊加。如果還是不能理解，那就想象一次搭積木的過程。

　　“剩下的就是時(shí)間問題了！”袁剛說，打印這樣一個(gè)10厘米高的物體，大約需要2小時(shí)。記者看到，在展示架里，擺放著栩栩如生的心臟、建筑構(gòu)件、各式建筑模型等。

　　大約兩個(gè)小時(shí)之后，一個(gè)10:1的油壺從激光快速成型機(jī)里被取出。

　　算賬

　　一個(gè)模型能賣一千多元

　　“像這么一個(gè)模型差不多就得一千多元吧！”袁剛從樣品里拿出了一個(gè)水管滴灌的模型指著說。“揚(yáng)州目前所用的光敏樹脂材料已領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)大多數(shù)3D打印所用的ABS塑料絲所做的材料。光敏樹脂材料所打印的實(shí)物模型價(jià)格為1克20元。”

　　對(duì)于企業(yè)來說很便宜

　　“對(duì)于一個(gè)普通人來說這可能挺貴的，而且購(gòu)買人群相對(duì)很少，但是對(duì)于制造企業(yè)做這么一個(gè)就很便宜了！”袁剛說，因?yàn)殡娔X設(shè)計(jì)與實(shí)物制作有很大的差別，所以一些公司在批量生產(chǎn)產(chǎn)品前，都需要對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品專門進(jìn)行樣品模擬，把實(shí)物打出來看看是否存在缺陷，“如果開模具的話，費(fèi)用少則數(shù)萬，多則數(shù)十上百萬，如果后期還要修改，更麻煩，費(fèi)用也更高，而使用3D打印技術(shù)既便宜又方便�！�

　　打印金屬部件，中國(guó)也行

　　《十二生肖》電影中，成龍通過專業(yè)設(shè)備將所掃描的銅像進(jìn)行完美打印�，F(xiàn)在揚(yáng)州是使用光敏樹脂材料，打印出來的產(chǎn)品畢竟是塑料的，而工業(yè)制造過程中，使用的絕大多數(shù)零配件是金屬制成品。那么，3D打印技術(shù)能打印金屬制品嗎?

　　“國(guó)內(nèi)剛剛研究成金屬3D打印技術(shù)，是使用鈦合金粉末作材料，使用激光打印機(jī)打印。而此項(xiàng)技術(shù)，以前也一直為外國(guó)人壟斷�！睋�(jù)了解，國(guó)內(nèi)中航重機(jī)不久前剛研制成功鈦合金粉末激光3D打印技術(shù)，憑此項(xiàng)技術(shù)，中航重機(jī)獲得了國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

　　也能用其他不同材質(zhì)

　　據(jù)袁剛介紹，目前支持3D打印的材料很多。簡(jiǎn)單說，不同公司生產(chǎn)的3D打印機(jī)會(huì)支持不同的材料，樹脂、尼龍、石膏、塑料這些都是普遍使用的材料，隨著業(yè)界研發(fā)的不斷進(jìn)步，支持鈦、不銹鋼或鋁、鐵金屬材料的打印機(jī)也已經(jīng)出現(xiàn)。

　　“但激光器要有足夠的能量，且成本很高�！痹瑒傉f，“不過我們?nèi)糇鼋饘倭慵�一般采用激光制模和精密鑄造聯(lián)動(dòng)，先用3D打印工藝做一個(gè)鑄造模具，然后通過石蠟鑄造工藝，生產(chǎn)出所需的金屬物件。用這種工藝制造的金屬零件的強(qiáng)度要比普通鑄件強(qiáng)度高，制造成本也比直接打印金屬零件要便宜得多�！�

　　應(yīng)用

　　前景廣闊 問題猶存

　　想象一下，將來你家有這樣一臺(tái)打印機(jī)，需要杯子的時(shí)候，輸入外形數(shù)據(jù)，就可以打印出一只你想要的杯子。

　　但是，“神筆馬良”，并不是所有人都能做的。 困難一 耗材較貴

　　耗材比較貴，如果是進(jìn)口的設(shè)備，國(guó)外會(huì)控制材料，也就是說，買他們的設(shè)備一定要搭配耗材。常用的耗材一般有尼龍、光敏樹脂、金屬等，便宜的尼龍也要幾百元/公斤，而貴的光敏樹脂、金屬等耗材價(jià)格高達(dá)2000多元/公斤。

　　困難二 兼容性差

　　不單耗材，一臺(tái)3D打印機(jī)只能用同類耗材，也制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展�！翱焖僦圃靽�(guó)家工程研究中心揚(yáng)州示范中心”這臺(tái)3D打印機(jī)，只能用光敏樹脂做耗材，這類3D打印機(jī)售價(jià)高達(dá)兩百多萬元，金屬類的3D打印機(jī)售價(jià)更需要五六百萬元。

　　困難三 家庭用戶使用門檻高

　　記者采訪了解到，目前家庭使用的3D打印機(jī)已經(jīng)在市面上出現(xiàn)，但價(jià)格昂貴，對(duì)使用者知識(shí)要求較高，因此其進(jìn)入普通家庭的門檻比較高。

　　一款“入門級(jí)”掃描設(shè)備價(jià)格都在十幾萬元以上，一臺(tái)桌面級(jí)3D打印機(jī)也要兩三萬元。

　　袁剛告訴記者，3D打印技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用主要在三個(gè)方面，一是高端應(yīng)用，如航空航天產(chǎn)品，二是中端工業(yè)應(yīng)用，如企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)。三是民用，如在醫(yī)療領(lǐng)域。北京等地已經(jīng)出現(xiàn)了為大眾服務(wù)的3D打印照相館。目前揚(yáng)州只有20家左右企業(yè)及個(gè)人前來利用3D打印。由于成本及知名度的原因，此項(xiàng)技術(shù)還未大規(guī)模推廣開來。

　　名詞解釋

　　到底什么是3D打��？在“快速制造國(guó)家工程研究中心揚(yáng)州示范中心”，現(xiàn)場(chǎng)的科技人員給記者進(jìn)行了一回“科普”：通俗地說，3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備。之所以通俗地稱其為“打印機(jī)”是參照了普通打印機(jī)的技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^程與噴墨打印十分相似。

　　“我們?nèi)粘Ｉ�活中使用的普通打印機(jī)可以打印電腦設(shè)計(jì)的平面物品，而所謂的3D打印機(jī)只是打印材料有些不同�！痹瑒偨榻B說，普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，打印機(jī)與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物