揭秘3D打印技術
——當制造業邁向智造業

2014-10-23 02:06:28文怡

今日科技 2014年2期

文怡

近年來，中國軍事科技突飛猛進，以先進戰機為代表的各種尖端武器殲-15、殲-16、殲-20、殲-31等的密集亮相，讓世界看花了眼。近日，在全國兩會上，全國政協委員、殲-15總設計師孫聰透露了中國軍工迅速發展的秘密——領先世界的3D打印技術。這項被英國《經濟學人》認為“將推動實現第三次工業革命”的技術，早已引發美國、歐洲諸國的激烈鏖戰，“戰火”從太空一直蔓延到器官移植，從F-35、F-22等先進武器“燒”到每個人的日常用品，3D打印機一時間成為了令人矚目的明星。

3D打印技術的核心制造思想最早起源于19世紀末的美國，到20世紀80年代后期3D打印技術發展成熟并被廣泛應用。3D打印是科技融合體模型中最新的高“維度”的體現之一。

據報道，美國科學家發明了一種可打印出三維效果的打印機，并已將其成功推向市場。普通打印機能打印一些報告等平面紙張資料。而這種最新發明的打印機，它不僅使立體物品的造價降低，且激發了人們的想象力。未來3D打印機的應用將會更加廣泛。

在此之前，3D打印機數量很少，大多集中在“科學怪人”和電子產品愛好者手中。他們主要用來打印像珠寶、玩具、工具、廚房用品之類的東西。甚至有汽車專家打印出了汽車零部件，然后根據塑料模型去訂制真正市面上買不到的零部件。

人們可以在一些電子產品商店購買到這類打印機，工廠也在進行直接銷售。不過物以稀為貴，一套3D打印機的價格從一般的750美元到上等質量的27000美元不等。

科學家們表示，三維打印機的使用范圍還很有限，不過在未來的某一天人們一定可以通過3D打印機打印出更實用的物品。

發展過程

3D打印源自100多年前美國研究的照相雕塑和地貌成形技術，上世紀80年代已有雛形，其學名為“快速成型”。它的原理是：把數據和原料放進3D打印機中，機器會按照程序把產品一層層造出來。打印出的產品，可以即時使用。

現階段三維打印機被用來制造樣品。2003年以來三維打印機的銷售逐漸擴大，價格也開始下降。該技術可用于珠寶，鞋類，工業設計，建筑，工程和施工（AEC），汽車，航空航天，牙科和醫療產業，教育，地理信息系統，土木工程，和許多其他領域。

3D打印機的工作原理就像使用打印機打印一封信：輕點電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數字文件便被傳送到一臺噴墨打印機上，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，軟件通過電腦輔助設計技術（CAD）完成一系列數字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機上，后者會將連續的薄型層面堆疊起來，直到一個固態物體成型。3D打印機與傳統打印機最大的區別在于它使用的“墨水”是實實在在的原材料。如今可用于打印的介質種類多樣，從繁多的塑料到金屬、陶瓷以及橡膠類物質。有些打印機還能結合不同介質，令打印出來的物體一頭堅硬而另一頭柔軟。科學家們正在利用3D打印機制造諸如皮膚、肌肉和血管片段等簡單的活體組織，很有可能將有一天我們能夠制造出像腎臟、肝臟甚至心臟這樣的大型人體器官。如果生物打印機能夠使用病人自身的干細胞，那么器官移植后的排異反應將會減少。人們也可以打印食品，比如康奈爾大學的科學家們已經成功打印出了杯形蛋糕。幾乎所有人都相信，食品界的殺手級應用將是能夠打印巧克力的機器。

打印特點

3D打印技術對于生產者來說，可大幅降低生產成本，提高原材料和能源的使用效率，減少對環境的影響，它還使消費者能根據自己的需求量身定制產品。

3D打印機既不需要用紙，也不需要用墨，而是通過電子制圖、遠程數據傳輸、激光掃描、材料熔化等一系列技術，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物。其優點是大大節省工業樣品制作時間，且可以“打印”造型復雜的產品。因此許多專家認為，這種技術代表制造業發展新趨勢。

工作步驟

3D打印機工作步驟是這樣的：先通過計算機建模軟件建模，如果你有現成的模型也可以，比如動物模型、人物、或者微縮建筑等等。然后通過SD卡或者USB優盤把它拷貝到3D打印機中，進行打印設置后，打印機就可以把它們打印出來，其工作結構分解圖如下。3D打印機的工作原理和傳統打印機基本一樣，都是由控制組件、機械組件、打印頭、耗材和介質等架構組成的，打印原理是一樣的。3D打印機主要是在打印前在電腦上設計了一個完整的三維立體模型，然后再進行打印輸出。

3D打印與激光成型技術一樣，采用了分層加工、疊加成型來完成3D實體打印。每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結，而沒有膠水的區域仍保持松散狀態。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環利用。

應用領域

3D打印機的應用對象可以是任何行業，只要這些行業需要模型和原型。以色列的Objet公司認為，3D打印機需求量較大的行業包括政府、航天和國防、醫療設備、高科技、教育業以及制造業。

醫療行業。一位83歲的老人由于患有慢性的骨頭感染，因此換上了由3D打印機“打印”出來的下顎骨，這是世界上首位使用3D打印產品做人體骨骼的案例。

據國外媒體報道，在不久的將來外科醫生們或許就將可以在手術中現場利用打印設備打印出各種尺寸的骨骼用于臨床使用。這種神奇的3D打印機已經被制造出來了，而用于替代真實人體骨骼的打印材料則正在緊鑼密鼓地測試之中。

在實驗室測試中，這種骨骼替代打印材料已經被證明可以支持人體骨骼細胞在其中生長，并且其有效性也已經在老鼠和兔子身上得到了驗證。未來數年內，打印出的質量更好的骨骼替代品或將幫助外科手術醫師進行骨骼損傷的修復，用于牙醫診所，甚至幫助骨質疏松癥患者恢復健康。

科學研究。美國德雷塞爾大學的研究人員通過對化石進行3D掃描，利用3D打印技術做出了適合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同時還做了比例縮減，更適合研究。

產品原型。比如微軟的3D模型打印車間，在產品設計出來之后，通過3D打印機打印出來模型，能夠讓設計制造部門更好地改良產品，打造出更出色的產品。

文物保護。博物館里常常會用很多復雜的替代品來保護原始作品不受環境或意外事件的傷害，同時復制品也能將藝術或文物的影響更多更遠的人。史密森尼博物館就因為原始的托馬斯·杰弗遜要放在弗吉尼亞州展覽，所以博物館用了一個巨大的3D打印替代品放在了原來雕塑的位置。

建筑設計。在建筑業里，工程師和設計師們已經接受了用3D打印機打印的建筑模型，這種方法快速、成本低、環保，同時制作精美。完全合乎設計者的要求，同時又能節省大量材料。

制造業。制造業也需要很多3D打印產品，因為3D打印無論是在成本、速度和精確度上都要比傳統制造好很多。而3D打印技術本身非常適合大規模生產，所以制造業利用3D技術能帶來很多好處，甚至連質量控制都不再是個問題。

食品產業。沒錯，就是“打印”食品。研究人員已經開始嘗試打印巧克力了。或許在不久的將來，很多看起來一模一樣的食品就是用食品3D打印機“打印”出來的。當然，到那時可能人工制作的食品會貴很多倍。

汽車制造業。不是說你的車是3D打印機打印出來的（當然或許有一天這也有可能），而是說汽車行業在進行安全性測試等工作時，會將一些非關鍵部件用3D打印的產品替代，在追求效率的同時降低成本。

配件、飾品。這是最廣闊的一個市場。在未來不管是你的個性筆筒，還是有你半身浮雕的手機外殼，抑或是你和愛人擁有的世界上獨一無二的戒指，都有可能是通過3D打印機打印出來的。甚至不用等到未來，就可以實現。

美容護膚。3D打印技術未來也可能會幫助愛美人士進行整容，說不定未來最有效果的青春痘的治療方法就是通過3D打印技術來實現的。不僅青春痘,包括祛斑、美白等領域都有希望使用到3D打印技術的。

未來趨勢

好萊塢大作《十二生肖》電影，相信成龍迷們對該部影片也不陌生，但該部影片中有項非常流行技術不知各位是否有留意，《十二生肖》中成龍佩戴了專業掃描手套來掃描劇中十二生肖銅像，另外一邊通過專業設備將所掃描的銅像完美打印，看似很科幻不切實際，其實，影片中出現的專業設備就是目前流行的3D打印技術。對于目前技術高速發展的時代來說，已經有國產品牌推出萬元內3D打印機產品，并且還在京城首家3D打印機體驗館中進行了展示。

打印機是款一直被定義于辦公用戶的產品，但3D打印機并不屬于辦公用品，而是一款生活中常會使用到的家電產品，為什么說3D打印機是款家電產品呢？首先，如果生活中安裝某設備，突然發現少掉一顆螺絲，正常情況下可能會去五金店里配，但有了3D打印機之后，就完全可以在家中打印一個相符的螺絲，用戶無須出門就會解決困擾。另外，用戶也可通過3D打印機制作DIY產品，比如在網絡上看見非常別致的裝飾品，就可通過3D打印機將其打印出來，當然生活中會使用到3D打印機的機會當然不止這些。