3D打印技术的原理及应用.

3D打印技术的原理及应用生活中的计算思维研讨课第三小组1.1什么是3D打印3D打印（3DP)即快速成型技术的一种，它是一种以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。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。1.2初探3D打印“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。----中国物联网校企联盟1986年1993年1995年2005年2010年CharlesHull开发了第一台商业3D印刷机麻省理工学院获3D印刷技术专利美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机，市场上首个高清晰彩色3D打印机SpectrumZ510由ZCorp公司研制成功世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世在2010年之后，3D打印技术飞速发展，在2011年到2013年的两年时间里，陆续出现了3D巧克力打印机，3D打印的飞机、艺术品、手枪等等。1.33D打印机的分类家用3D打印机：德国发布了一款迄今为止最高速的纳米级别微型3d机——PhotonicProfessionalGT。这款3D打印机，能制作纳米级别的微型结构，以最高的分辨率，快速的打印宽度，打印出不超过人类头发直径的三维物体。彩印3D打印机：2013年5月上市高端机型ProJet660Pro和ProJet860Pro可以使用CMYK（青色、洋红、黄色、黑色）4种颜色的粘合剂，实现600万色以上的颜色。最小的3D打印机：世上最小的3D打印机来自维也纳技术大学，这款迷你3D打印机只有大装牛奶盒大小，重量约3.3磅(约1.5公斤)，造价1200欧元(约1.1万元人民币)。相比于其他的打印技术，这款3D打印机的成本大大降低最大的3D打印机：世上最大的3D打印机来自华中科技大学史玉升科研团队，这一“3D打印机”可加工零件长宽最大尺寸均达到1.2米。从理论上说，只要长宽尺寸小于1.2米的零件（高度无需限制），都可通过这部机器“打印”出来。这项技术将复杂的零件制造变为简单的由下至上的二维叠加，大大降低了设计与制造的复杂度，缩短了制造时间。3D打印技术的原理3D打印机又称三维打印机(3DP)，是一种累积制造技术，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，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。传统打印机是只要轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而3D打印机首先将物品转化为一组3D数据（三维空间数据），然后打印机开始逐层分切，针对分切的每一层构建，按层次打印。打印时，粉末耗材会一层一层地打印出来，层与层之间通过特殊的胶水进行粘合，并按照横截面将图案固定住，最后一层一层叠加起来，就像我们坐在海边用沙子堆砌城堡一样的程序，最终经过分层打印、层层粘合、逐层堆砌，一个完整的物品就会呈现在我们眼前了。2.1文字解释1.电脑阅读一个带3D信息的打印物体结构说明文件3.塑料线在喷头中融化，熔化的塑料珠形成0.25毫米厚的打印层2.在一个可调节高度的工作平台上，一个水平方向的挤压喷头，向垂直方向移动。4.一层打完之后，平台下降0.25毫米，喷头开始下一层打印。最终，层层累叠之后，物体逐渐成形。PS:两个喷头喷射不同的材料，第一个打印最终保留的结构，第二个打印可抛弃的支柱结构。在打印完成、塑料凝固变硬后，可用水溶解掉支撑结构。2.2图解3.1优势3D打印带来了世界性制造业革命，以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印机的出现，将会颠覆这一生产思路，这使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。发展前景巨大，在未来的某一天人们一定可以通过3D打印机打印出几乎所有的物品。3D打印无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，从而极大地所缩短了产品的生产周期，提高了生产率。3.2比较普通制造方式部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，因而限制了创新部件的发展。3D打印方式在生产部件的时候不用考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定，越复杂时间越长。传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品。制造出一个模型用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的，性能越好时间越短。三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。4.1航天科技2014年9月底，NASA完成了首台成像望远镜，所有元件基本全部通过3D打印技术制造，而传统制造方法所需的零件数是3D打印的5-10倍。此外，在3D打印的望远镜中，可将用来减少望远镜中杂散光的仪器挡板做成带有角度的样式，这是传统制作方法在一个零件中所无法实现的。2014年8月31日，美国宇航局的工程师们完成了3D打印火箭喷射器的测试。制造火箭发动机的喷射器需要精度较高的加工技术，如果使用3D打印技术，就可以降低制造上的复杂程度，在计算机中建立喷射器的三维图像，打印的材料为金属粉末和激光，在较高的温度下，金属粉末可被重新塑造成我们需要的样子，准确且快速。2014年10月11日，英国一个发烧友团队用3D打印技术制出了一枚火箭，团队队长海恩斯说，有了3D打印技术，要制造出高度复杂的形状并不困难。就算要修改设计原型，只要在计算机辅助设计的软件上做出修改，打印机将会做出相对的调整。这比之前的传统制造方式方便许多。GE中国研发中心用3D打印机成功“打印”出了航空发动机的重要零部件。与传统制造相比，这一技术将使该零件成本缩减30%、制造周期缩短40%。4.2医疗行业3D打印脊椎植入人体2014年8月，北京大学研究团队成功地为一名12岁男孩植入了3D打印脊椎，这属全球首例。据了解，这位小男孩的脊椎在一次足球受伤之后长出了一颗恶性肿瘤，医生不得不选择移除掉肿瘤所在的脊椎。不过，这次的手术比较特殊的是，医生并未采用传统的脊椎移植手术，而是尝试先进的3D打印技术。研究人员表示，这种植入物可以跟现有骨骼非常好地结合起来，而且还能缩短病人的康复时间。由于植入的3D脊椎可以很好地跟周围的骨骼结合在一起，所以它并不需要太多的“锚定”。此外，研究人员还在上面设立了微孔洞，它能帮助骨骼在合金之间生长，换言之，植入进去的3D打印脊椎将跟原脊柱牢牢地生长在一起，这也意味着未来不会发生松动的情况。3D打印心脏救活2周大先心病婴儿2014年10月13日，纽约长老会医院的埃米尔·巴查博士(Dr.EmileBacha)医生就讲述了他使用3D打印的心脏救活一名2周大婴儿的故事。这名婴儿患有先天性心脏缺陷，它会在心脏内部制造“大量的洞”。在过去，这种类型的手术需要停掉心脏，将其打开并进行观察，然后在很短的时间内来决定接下来应该做什么。但有了3D打印技术之后，巴查医生就可以在手术之前制作出心脏的模型，从而使他的团队可以对其进行检查，然后决定在手术当中到底应该做什么。这名婴儿原本需要进行3-4次手术，而现在一次就够了，这名原本被认为寿命有限的婴儿可以过上正常的生活。[22]3D打印技术能够让医生提前练习，从而减少病人在手术台上的时间。3D模型有助于减少手术步骤，使手术变得更为安全。4.3文物行业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。博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物的影响传递给更多更远的人。史密森尼博物馆就因为原始的托马斯·杰弗逊像要放在弗吉尼亚州展览，所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。4.5汽车制造不是说你的车是3D打印机打印出来的，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。实例世界第一台3D打印车名叫“Strati”，整个制造过程仅用了45个小时。Strati只有49个零部件，包括底盘、仪表板、座椅和车身在内的余下部件均由3D打印机打印，所用材料为碳纤维增强热塑性塑料。Strati的车身一体成型，由3D打印机打印，共有212层碳纤维增强热塑性塑料。4.4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。实例2014年8月，10幢3D打印建筑在上海张江高新青浦园区内交付使用，作为当地动迁工程的办公用房。这些“打印”的建筑墙体是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，按照电脑设计的图纸和方案，经一台大型3D打印机层层叠加喷绘而成，10幢小屋的建筑过程仅花费24小时。5.1健康危害3D打印技术日渐普及，应用于医学、建筑和军事等范畴，甚至开始家用化。但该技术在逐渐被广泛应用的同时，危害也日趋暴露出来。市面上的3D打印机首先将塑料加热，然后通过喷嘴喷出，造出设计模型。这过程类似工业生产，会释出有毒物质，但一般家用者不会使用防护装备。微粒会在空中飘浮，容易被人吸入肺部甚至脑部，过度积聚可能会引发肺病、血液及神经系统疾病，甚至导致死亡。实例研究员测试五款市面热销的3D打印机，发现它们释放的超微细粒子数量惊人。例如，以PLA聚合物作低温打印，最低每分钟释放二百亿微粒;在高温下以其他物料打印，每分钟释放的微粒更可多达二千亿粒。这些3D打印机的微粒释放量，有如在室内开火炉、烧香味蜡烛或燃烧香烟。5.2材料的限制虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外，打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持日常生活中所接触到的各种各样的材料。研究者们在多材料打印上已经取得了一定的进展，但除非这些进展达到成熟并有效，否则材料依然会是3D打印的一大障碍。实例以色列的Object是掌握最多打印材料的公司。它已经可以使用14种基本材料并在此基础上混搭出107种材料，两种材料的混搭使用、上色也已经是现实。但是，这些材料种类与人们生活的大千世界里的材料相比，还相差甚远。不仅如此，这些材料的价格便宜的几百元一公斤，最贵的要四万元左右。5.3机械设计的限制因为3D打印给机械设计带来的无限可能，很多工业品都应当被重新设计优化，但是这个就涉及到上游设计领域的大变革。传统CAD软件需要被颠覆，传统结构设计，应当向topology优化方向发展，但是这些都是还没有成形的体系的。此外，3D打印并非想怎么做就能怎么做的，仍然需要考虑产品结构能否支撑，多余部分是否能够除去。实例有些复杂零件需要优化，而传统的CAD软件却无法担当起这一任务；另外，当选用SLS技术时，完全空心的塑料球就不可能被打印出来，如果按3D打印的方法一层一层来的话，最终就无法去除中心的多余材料。5.4工序问题很多人可能以为3D打印就是电脑上设计一个模型，不管多复杂的内面，结构，摁一下按钮，3D打印机就能打印一个成品。这个印象其实不正确。真正设计一个模型，特别是一个复杂的模型，需要大量的工程，结构方面的知识，需要精细的技巧，并根据具体情况进行调整，另外，制作完成后还需要一些后续工艺：或打磨，或烧结，或组装，或切割，这些过程通常需要大量的手工工作。实例在现在的打印技术下，成品打印件的表面，塑料件只能说尚可，却不能说光滑，金属件则完全坑坑洼洼，可能还不如铸件光滑，所以必要的打磨和清理都是难逃得。但当打磨变成一种必要的时候，就难逃人力成本和时间成本，3D打印也就不那么智能和方便了。5.