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什么是3D打印?3D打印究竟能干什么?

其实3D打印的学名叫做“增材制造”,是一种快速成型的技术。以三维数字模型文件为基础,运用塑料或者粉末状金属等可粘合材料,通过逐层堆积的方式来制造物体。

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3D打印过程

3D打印的原理和用途

下面是美国标准委员会对3D打印工艺的一种分类,相对来说比较权威。

光固化

液体光敏树脂经过光照以后发生固化反应,凝固成产品形状。

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激光烧结

江西11选5走势图粉末原料(金属、塑料、石膏等)通过能量束(激光或电子束等)照射,层层融化成型;或是通过一些胶粘剂,对粉末进行粘接成型。

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层压

一种比较古老的3D打印工艺,最早应用在考古学,对恐龙化石或者人头骨复原的时候,利用切割硬纸板的方式,来制作化石的模型。

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熔融沉积

江西11选5走势图比较常见的工艺,桌面机是以挤出工艺为主的机器。使用的材料多种多样,不仅有塑料,还包括一些食物,如巧克力、豆沙,甚至建筑类材料,如水泥,泥浆等糊状物。

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定向能量沉积

把金属粉末或金属丝直接在产品表面熔融固化,适合修复零件,也在统一零件使用多种材料。这种技术我们国还是比较领先,获得了国家科学进步一等奖来自北航的王华明团队,就是利用这种技术制作了四米左右的飞机的部件,并用在了航天航空相关的工业上。

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混合增材

这是比较新的技术,是CNC数控机床的配套增材制造包,典型材料是金属粉、金属丝和陶瓷。因为几乎所有的3D打印作品并不是打印完毕就结束了,都需要进行后处理。所以这种增材和减材并用的技术,可以同时解决后处理的问题。

3D打印的用途大致可以分为三种:概念建模,原型测试,和直接数字制造。

概念建模和原型测试是比较传统的两种用途,简单的说就是制作模型,主要功能是做验证,如结构验证,外观验证,功能验证和装配验证。直接数字制造是现在流行的一种趋势,即打印出来的成品可以直接作为一个最终的产品或者是零件直接使用到终端。

可以给大家举几个例子。比如概念建模,我们公司和雪佛兰合作做了一个公益的活动,内容是征集小朋友对未来汽车的想象.通过他们的画笔画出汽车图案,而我们把图案变为数字模型,再通过打印和后期的着色形成一个实体物品。这是一个梦想变成现实的过程,可以把一个原始的想法变为一个漂亮的样品。

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另外还有一个机器人公司在我们公司做原型测试。最初我们会打印他们设计的图纸,但一旦中间有不符合要求部件就立刻更换。通过不断的迭代,反复的验证,终于打印出一整合格的外壳。大家可以看到下图中最开始的设计和最终的成品间差距还是挺大的。

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直接数字制造的例子是与时装相关,一个武汉大学学生的作品。手镯和服装都是采用尼龙打印,设计师设计完毕后我们打印把整个概念展示出来,再经过穿戴和韧性的测试后模特把它穿到了T台上。

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直接制造工具这方面一般都是与金属类相关的,目前的价格还是比较高,多数用在跟国防、航空等有减重和保密要求的行业。国家正在建造的世界上最大的天文台望远镜天眼里有些关键零部件就由我们来设计和通过金属打印完成制造的。

3D打印的常规的流程

首先是要有数据,如果有实物可以通过3D扫描建立3D打印模型,如果有2D图纸可以通过软件转化成一个3D模型。如果什么都没有的话,那就只有从零开始用软件来建模。然后把模型用切片软件,完成切片之后就可以开始3D打印了。打印完成之后绝大部分还需要做后处理(打磨、电镀、喷雾、拉伸等,上色是可选项),否则就是个半成品。

3D打印的主要优势

首先是省时,跟传统工艺对比来说的,本身的建造速度老实讲现在还是有点慢。其次是省料,它几乎不产生废料。再者是精确,特别是对曲面还有复杂工艺的还原。最后是个性,能满足越来越个性化,复杂原型的设计。所以从整体上来说,3D打印非常适合个性、复杂、小批量、非标件的原型生产。

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但其最大的优势在于,随着零件复杂度的提升,其制造工艺难度和成本并不会增加。也就是设计师只需要考虑零件功能的实现,并不需要过于纠结该采用怎样的制造工艺去生产。

3D打印对于复杂件的制造有非常大的优势,所以它还是主要用于工业制造上。这就涉及到了3D打印应用层次的问题,也就是为什么我们并没有感觉到3D打印对我们的生活有什么直接的改变。

3D打印应用的层次

“原型制造”是3D打印最低层次的应用,比如制造模型、原型等单个的东西,但这也是3D打印最传统的应用。

第二级别是“代替”。制作代替现在的某个零件。但应用并不广泛,因为传统制造工艺非常适合大规模批量化的生产,3D打印并不占优。

第三个是“零件整合”。单一零件制作3D打印可能并不占优势,但是如果能将多个零件整合成一个零件打印出来,整体的价值便上去了。

最高级的应用不仅整合了多零件,而且还进行了优化。因为3D打印可以做非常复杂的工艺,这是其他工艺没法实现的。通用航空之前用3D打印做了一个航空发动机的喷油嘴,这是一个里程碑式的案例。这个喷油嘴整合了20多个零件,里面还有非常复杂的冷却管道、润滑管道。不仅提高燃油效率高,还不需要生产20多个零件装配起来,使用寿命也延长了5倍。

因此3D打印如何影响每一个人,可能需要在思维上做一些调整。在未来某一天,我们设计的时候,不需要考虑用什么工具来生产,甚至连思考如何设计这个过程也会发生变化。只需要去考虑设计目标,给出边界值,通过数学和计算机模拟就能得到最优的结果。比如去年英国的一个最高设计奖,就给了这样一个案例。一个航天的小部件,通过拓扑优化的方式,重量是原来的一半都不到,但是强度是原来的一倍多,最后采用3D打印的制造方式。这样,优势就很明显了。

3D打印的经济化分析

产品数量在千个之内还是比较明显,但随着3D打印成本的下降,数量范围是不断增加的。以铸造为例,在数量、生产时间、复杂度这几个因素中也有一个平衡点。未来我们会见到越来越多奇形怪状的物件,它是直接由数学和计算机来决定的形状。这种工艺复杂度的增加,不会给3D打印带来困难,但是对传统工艺来说,这种增加就是噩梦。

现在采用3D打印工艺做生产的企业是越来越多了,前一阵通用就收购了两家3D打印的公司,做金属3D打印的。许多人认为,这或许是3D打印进入主流制造业的一个标志。另外,3D打印还有一些在医学上的应用,还有人用它来打印一些光学器件。未来,建筑,飞机等各式各样的应用,都会涉及到。3D打印其实是一种基础工具性的东西,就像互联网或者高速公路一样,是所有人都会用得到的。

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3D打印涉及的东西非常的多,我们去年做了一万多个案例,涉及各式各样的应用,这里我简单的介绍一下,举几个例子,比如工业,医疗,科研,3D人像,建筑,游戏,动漫,个性制造,3D打印都会涉及。一个比较传统的案例,用石蜡法来铸造模具,用有限元来分析力学热学等因素来分析和生产的一个应用。

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还有3D打印的医疗上的一个应用,简单说,就是用CT或核磁共振的一些数据,把它们变成3D打印的模型,再变成实物,可以成为术前的模型,为精准医疗做些模拟,如果用钛合金打印,也可以成为植入体,植入人体内。

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魔兽电影上映的时候推出的一个衍生品,是影视周边的尝试。它其实是一个杯子,从原型到上色,再去做批量生产。

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个性化制造的案例就是包贝尔的婚鞋。当时是包贝尔夫妇亲自挑选,高跟鞋踩着一个小兔子,脚底下有两个人的指纹和名字,是世界上独一无二的鞋子。通过设计、打印、后处理,得到效果非常棒的一双鞋。

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什么是3D扫描

3D扫描也是一个重要的数据来源,它可以非常快的把实物变成3D数据,各种工业设备或者人物、艺术相关的扫描都可以得到这样从实物到数据的过程。这里有一些通过扫描变成实物的案例。例如人体的扫描大家可能都有所耳闻,还有像文物相关的扫描,如果文物有缺损,通过扫描得到相关数据之后用数字手段做出需要补全的部分,之后再打印出来,从而能够做到文物模型的完整修复。之前我们和故宫做过一些相关的合作。

还有一个比例缩放的例子。作为交车仪式的一部分,主办者要将车钥匙模型交到中方手里。我们通过扫描把小钥匙的数据提取之后再放大,最后做出一个大约40厘米左右的钥匙模型。

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未来的畅想

3D打印本身是零技能操作,关键是要补充3D数据这一环。如果将来有丰富的3D数据库可以使用,必然会带动3D打印更大范围的普及。

未来的在线工具能把3D数据做一个快速的处理,开源分享给他人,一起优化设计。将来有可能做成“3D数据银行”,或者叫“原型设计类银行”,任何人都可以很方便的对3D数据进行建模,甚至可以和VR、AR相结合,让普通人也可以直接处理3D数据。这样3D打印就是3D数据输出一个最好的桥梁。

,可以参考3D打印的资料,
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