3D打印

只需要幾分鐘的時間，就可以將剛剛在電腦上設(shè)計好的馬克杯打印出來，我們可以像普通馬克杯那樣使用它。這是科幻電影中的情節(jié)嗎？不，這是已經(jīng)在使用的3D打印技術(shù)。與普通打印機只可以在平面上打印文字和圖形不同，3D打印機可以輕松地“打印”出三維的物體。通常，這些3D打印機采用新型的合成材料作為原料，不過采用金屬、石膏和玻璃等原料的3D打印機也已經(jīng)出現(xiàn)。雖然目前世面上的3D打印機采用了多種不同的技術(shù)，但是其基本原理都是相同的，這些打印機會先按照3D模型最底部的輪廓形狀運動并在走過的位置留下一定厚度的合成材料，在一層打印完畢后，打印結(jié)構(gòu)會升起一定的高度繼續(xù)打印第二層，一層層疊加最終即可生成完整的三維模型。

家用的個人3D打印機

3D打印機主要用于研究所和工業(yè)制造領(lǐng)域，它可以幫助設(shè)計師盡快拿到新產(chǎn)品的原型，比如新的汽車擋泥板或者櫥柜門上的鉸鏈。不過，大部分工業(yè)制造領(lǐng)域使用的3D打印機不僅價格昂貴，而且體積都像自動售貨機一樣大。然而近幾個月，3D打印技術(shù)取得了突破性的進展。有些新型3D打印機的體積已經(jīng)降到了類似多功能一體機的大小，而且價格也大幅降低。

家用3D打印機使用不同的方法實現(xiàn)三維物品快速成型。其中最重要的兩種技術(shù)分別是立體光刻（Stereo Lithography）和激光燒結(jié)（Laser Sintering）。立體光刻采用液態(tài)的光敏樹脂作為原料。采用該技術(shù)的3D打印機中的主要結(jié)構(gòu)包含一個鋪著光敏樹脂的印刷臺和一個液壓升降機，液壓升降機比印刷臺的平面要低0.05mm，印刷臺的上方是紫外激光發(fā)射器。首先，通過計算機控制紫外激光按模型的各分層截面信息在光敏樹脂表面進行逐點掃描，被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成模型的第一個薄層。第一層完成之后，液壓升降機會降低一層的高度（通常為0.05~0.25mm），在固化后的第一層樹脂表面再覆蓋一層新的液態(tài)樹脂，如此重復(fù)，直至得到三維實體模型。立體光刻技術(shù)的優(yōu)勢是成型速度快，可以制作表面光滑的物體模型。然而，該技術(shù)也有一個致命的弱點，那就是合成樹脂材料的強度不高，制作出來的三維實體模型容易折斷。為了避免這種情況的出現(xiàn)，我們必須設(shè)計好三維模型的支撐結(jié)構(gòu)，使其更加穩(wěn)固。

同立體光刻一樣，激光燒結(jié)技術(shù)也需要使用到激光，但是不需要使用紫外激光，而是根據(jù)需要采用二氧化碳、釔鋁石榴石或者光纖等不同的激光器。另外，與立體光刻3D打印機的結(jié)構(gòu)不同，采用激光燒結(jié)技術(shù)的3D打印機需要兩個液壓升降機。一個液壓升降機自下而上移動，傳送制作原料，通常是粉末狀的“聚酰胺12”，也可以使用金屬或者陶瓷粉等作為原料。另一個液壓升降機作為生成3D實體模型的印刷臺，采用相反的移動方向，也就是自上而下。打印時，一個圓柱體部件將一層粉末狀的原料從存儲箱“推送”到印刷臺上。激光在計算機的控制下，按照3D模型輪廓對原料粉末進行燒結(jié)。第一層完成后，原料存儲箱的液壓升降機上升“一層”的距離，而印刷臺則下降“一層”的距離，然后不斷循環(huán)，層層堆積成型。激光燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)勢是制造工藝簡單、原料價格便宜，主要應(yīng)用于鑄造業(yè)。

免費的3D建模軟件

打印三維物體，首先需要創(chuàng)建該物體的3D模型。我們可以采用昂貴的CAD軟件或者免費的3D建模軟件Google SketchUp。雖然不同的3D打印機支持多種3D模型圖格式，但是STL（Standard Triangulation Language）是事實上的標(biāo)準(zhǔn)3D打印交換格式，它依據(jù)拓?fù)鋵W(xué)原理“任何曲面都存在三角剖分”，也就是說大量三角形可以組成任何曲面物體。不過，我們需要通過安裝一個SketchUp轉(zhuǎn)STL插件（goo.gl/0WUKh）使Google SketchUp可以導(dǎo)出STL格式的文件。

3D打印：從模型到真實的物品

首先利用3D建模軟件制作出馬克杯的3D模型，然后通過以下兩種可行的方法進行打印（快速成型）之后，一個可以觸摸的真實物品就出現(xiàn)在眼前了。

3D圖形格式：3D打印機支持多種3D圖形格式。

STL：基于三角形可以組成任何曲面的原理實現(xiàn)。

VRML：專門為互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的虛擬現(xiàn)實建模語言。

X3D：VRML的最新升級版本，基于XML格式開發(fā)的可擴展三維語言。

圖樣：3D模型圖

我們需要為不同的3D打印機提供其支持的3D模型圖，既可以自己動手通過CAD或者Google SketchUp制作，也可以直接從互聯(lián)網(wǎng)上下載，然后讓3D打印服務(wù)商幫忙調(diào)整成可以使用的模型。

方法1：立體光刻fiE

開始的時候，液壓升降機處在最高位置上，印刷臺上覆蓋著薄薄的一層液體樹脂原料，通過計算機控制紫外激光按模型的各分層截面信息進行掃描和固化。然后液壓升降機下降“一層”的距離（通常是0.05mm~0.25mm），紫外激光再加固第二層液體原料，依次重復(fù)成型。

方法2：激光燒結(jié)

兩個液壓升降機模組同時工作：一臺負(fù)責(zé)傳送粉末狀的原料，一臺負(fù)責(zé)構(gòu)建物體模型。首先，圓柱體部件向打印臺推送一層薄薄的粉末狀原材料，激光在計算機的控制下，按照3D模型輪廓對原料粉末進行燒結(jié)。然后不斷循環(huán)，層層堆積成型。

成果：打印出的物品

幾乎所有物體都是可以被打印的，除了各種工藝品之外，目前3D打印發(fā)燒友們已經(jīng)打印出了高跟鞋和汽車變速桿，甚至打印出了無人飛機。在模型大小方面，家用3D快速成型服務(wù)商可以打印2m之內(nèi)的物體。而且通過拼接還可以做到更大。