3D打印的全面解析

魔猴君  知識堂   3227天前

    提起3D打印，很多人一定會認為，這是一個非常新的技術，但是事實上并不是這樣。3D打印技術的歷史，并不比噴墨打印短多少，它誕生于1986年。將數字化的3D圖形轉化成為物理實物，這一想法最早是由美國人查爾斯.豪爾申請的專利（Charles W. Hull）申請的專利（美國專利4573330），其原理為立體光刻造型（stereolithography），這一技術后面我們會有詳解。需要指出的是，這個豪爾先生，同時也是3DSystems公司的創始人，并且推出了第一款工業化的3D打印設備。

    在八十年代末期，3D System公司的設備以及流行起來。但是在同期，出現了另外兩種可以3D成型的技術：熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）與選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering ，SLS）。FDM技術與1988年由斯科特克魯姆普發明（Scott Crump）,Stratasys在次年商業化這一技術，并與1992年售出了第一臺基于熔融沉積成型技術的3D打印產品。同在1992年，DTM公司也把基于選擇性激光燒蝕技術的產品推向市場。

    在1993年，美國麻省理工學院申請了一種新的3D打印技術，名字就叫做“三維打印技術”（3 Dimensional Printing techniques），這是一種依賴已有噴墨技術的3D成型技術，Z Corporation取得了麻省理工學院的專利授權，并在1995年推出了第一款產品。

    此后的十余年，是3D打印的發展時期，各個公司都在努力的去降低3D打印的成本。在2005年，ZCorp推出了一款里程碑意義的3D打印機產品“Spectrum Z510”，這是第一款能夠進行高分辨率彩色3D打印的產品。

    在2006年，發生3D打印界的另外一個標志事件。一個名叫Reprap的開源3D打印計劃公布出來，有興趣的讀者可以訪問他們的官網（http://reprap.org/wiki/WebHome），這一行為，讓3D打印，在很多領域，不再有專利的束縛，普通人自己也可以進行3D打印。不過目前基于此開源計劃的3D打印設備能打印的物體個頭還都比較小。但是這一技術卻非常受歡迎，僅僅四年內，就已經發展出了一個相當復雜的產品族譜。在淘寶上，一個能打印12厘米見方的3D打印機，只要四千元，可以說已經相當的便宜，諸位中關村在線的網友如果有興趣也可以自己買一個，在家就能進行3D成型工作，不過需要指出的是3D打印機個頭偏大，體積與以前的29寸彩電占用的空間差不多，甚至還要大一些。

主流技術：SLA與FDM

    立體光刻造型（stereolithography）

    立體光刻造型技術，網友們可以想象一下把一根黃瓜切成很薄的薄片再拼成一整根。先由軟件把3D的數字模型，“切”成若干個平面，這就形成了很多個剖面，在工作的時候，有一個可以舉升的平臺，這個平臺周圍有一個液體槽，槽里面充滿了可以紫外線照射固化的液體，紫外線激光會從底層做起，固化最底層的，然后平臺下移，固化下一層，如此往復，直到最終成型。

    立體光刻造型（stereolithography）技術優缺點

    優點：精度高，可以表現準確的表面和平滑的效果，精度可以達到每層厚度0.05毫米到0.15毫米

    缺點：可以使用的材料有限，并且不能多色成型

    熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）

    熔融沉積成型技術，同樣是需要把3D的模型薄片化，但是成型的原理不一樣。學過高等數學的朋友都知道積分，熔融沉積成型技術，就是把材料用高溫熔化成液態，然后通過噴嘴擠壓出一個個很小的球狀顆粒，這些顆粒在噴出后立即固化，通過這些顆粒在立體空間的排列組合形成實物。

    1，噴嘴；2，沉積材料；3，可以多方向移動的平臺

    熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）技術優缺點

    優點：成型精度更高、成型實物強度更高、可以彩色成型。

    缺點：成型后表面粗糙

其它主要3D打印技術

    選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering ，SLS）

    選擇性激光燒結技術，是把3D模型薄片化之后，在一個容器內，讓其充滿待燒結的材料粉末，這些粉末可以做的很細，然后由大功率的二氧化碳激光，選擇最底層的3D切片形狀開始燒結，然后平臺下移，材料輥則在已經燒結的部分基礎之上，再鋪上薄薄的一層材料粉末燒結，如此往復，直到整體成型。SLS技術就是選擇性燒結料粉末薄層的一部分

    選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering ，SLS）技術優缺點

    優點：材料的強度非常高，可選材料從金屬到聚苯乙烯等等，可選材料范圍非常廣泛。

    缺點：成型精度低，成型后表面粗糙，不能彩色成型。

    “三維打印技術”（3 Dimensional Printing techniques）

    這一技術和我們今天使用的2D噴墨打印機類似，一樣是通過多個噴嘴，噴射成型材料來逐層打印3D實物。其成型材料分為兩種，一種是成型用的粉末，另外一種是粘接劑，粘接劑可以很快的固化。

     三維打印技術優缺點：

    優點：成型精度高，可以彩色成型

    缺點：成型表面粗糙，材料強度差，成型后表面細節差

    Polyjet與Polyjet矩陣

    Polyjet技術的3D打印優點很多

    這是最近才發明的技術，其中Polyjet矩陣是Object Geomatries公司2007年發布的。其技術原理是噴射超薄層的光固化物，并且可以噴射多種不同的材料，其最薄的層，只有16微米。

    技術優缺點：

    優點：成型精確、表面光滑、細節豐富、可以彩色成型

    缺點：成型材料強度低

    不可或缺的3D掃描

    如果要進行3D打印，必須有www.huisheliren.com數字化的3D模型才行。除了使用CAD等3D設計軟件進行3D建模以外，必須有一種方法，把實物通過掃描的辦法，形成數字化的3D模型，那就是3D掃描儀。

    常見的3D掃描儀有兩種，一種是接觸式的，一種是非接觸式的。目前非接觸式的面狀光柵3D掃描儀是市場上的重點產品，這是結構光技術、相位測量技術和計算機視覺技術的組合。特點是速度快，精度高（0.03毫米）可掃描的物體體積大。

考古與醫學應用

    考古與古生物學

    眾所周知，很多文物非常的珍貴，所以不可能經常的搬動，3D打印技術，則可以復制這些文物，比如陶瓷器、青銅器等，用戶可以知道其準確的3D形狀，這對于提高文物的鑒賞水平是有幫助的，因為在某個特定歷史時期，只會有一些特定的器形。在古生物學領域，可以通過3D打印來復制整個古生物的骨架和造型，讓研究人員更立體。

3D打印立體文物

    中國是文物大國，但是在歷次戰亂中，大量的中國文物去了國外，尤其是佛教的造像，很多都身首分離，身子還在國內，但是頭首卻要么被搶劫，要么被盜賣到了國外，通過3D打印技術，則可以對兩部分分別進行3D掃描，通過計算機技術拼接成一整個佛教造像，再3D打印出來，形成完整的形狀，還原歷史的原貌。

    醫學

    3D打印的醫學應用很多，主要是復雜的手術和牙科。

    人體本身結構的復雜往往超出我們的想象，有時候外科醫生，對一些復雜的手術，往往只能通過CT、核磁共振等醫學影像學資料進行可能的判斷，進而進行手術，但是有的時候，復雜程度超出想象，手術成功率低。3D打印技術，可以利用已有的醫學影像資料，先打印一個3D的病人模型出來，通過在模型上進行模擬，進而確定可行的手術方案。

    牙醫是另外一個3D應用的熱門領域。在歐美，牙醫之所以收入高，是因為這是一個需要憑借經驗的工作，很多人在鑲牙的時候，都咬過齒模，牙醫再憑借經驗進行修正。但是如果對患者的口腔進行3D掃描和3D建模、打印，那么就能夠很高精度的打印出病人的口腔結構，進行幫助牙醫制造出準確的假牙。

建筑、工業等領域應用

    建筑

    如果不是建筑學專業的人，恐怕沒有幾個人能夠在看建筑圖紙的時候就在頭腦中構想出建筑物的3D形狀。而通過人手工制作建筑模型則往往成本很高，因為歐美國家人工很貴。而通過3D打印技術，則可以很容易、很快的就能在短時間內打印出一個建筑模型，即便客戶有修改意見，同樣可以短時間內就完成一個的模型，提高設計階段的效率。

工業

     先3D打印一個等比縮小的實物再生產已經是很多家具企業的標準流程

    工業是3D打印應用的核心領域?，F如今工業設計非常非常重要，往往是一款產品成敗的關鍵。在從設計到產品化的過程當中，3D打印技術的參與，加速了工業設計的步伐，因為3D打印技術能夠快速的實現工業設計的實物化，尤其是汽車等領域，現在已經可以打印出很大的實物，而實物化是設計必不可少的一步，可以讓無論是設計師還是企業的決策者非常直觀的看到產品的形狀，進而做出是否量產的決策。當然，由于選擇性激光燒結等技術的存在，還能夠進行小批量的生產，因為這一技術可以成型金屬，有些時候小批量的3D打印，在成本上是優于數字機床切削或是開模鑄造、沖壓的。

    娛樂業

圖為《鋼鐵俠2》的手部道具，3D打印的產物

    在電影中，我們看到過很多演員扮演的類人形的怪物，傳統上，諸如好萊塢這樣的制片基地，都是通過www.huisheliren.com手工技術來進行這些特殊的造型，但是現如今已經基本都是3D打印模型的天下，很方便就能打印出一個個性化的怪物頭套和全身裝備，效果可以亂真。

    個人制作物體

    123DCatch本來是Autodesk公司AutoCAD的一個插件，現如今iPhone上也可以用，通過多角度拍攝同一物體，就能生成3D的數據。類似的應用還有Trimensiona等等，喜歡的網友朋友們可以去appstore上尋找。

3D打印，打印的未來？

    3D打印這個詞如今越來越熱，并且很快的在全球范圍內得到了應用。筆者在廣東做工廠的朋友介紹，如今廣東那邊3D打印一個模型出來，收費大約在500元左右，對于產品的開發成本來說，并不算高昂，現如今4000塊左右可以買到的3D打印機，能自己成型小的產品或是零件。

    相比2D打印，每年幾百億乃至上千億美元的市場來說，3D打印每年的市場空間只有幾億到十幾億美元，還是一個孕育中的市場。不過2011年2月的經濟學家（The Economist）雜志說道“3D打印技術可以廉價的成型從單品到成千上萬個產品，進而破壞規模經濟，正如那些3D打印公司所做到的那樣……正如1450年的印刷術、1750年的蒸汽機和1950年的晶體管，當時沒有人能正確的預見他們在未來廣闊的應用前景，沒有人能預測3D打印技術的長期影響。3D打印技術已經到來了，它可能在未來破壞每一個它所觸及的領域?！?

    但是我們看到，對于Stratasys、3D Systems等公司的發展壯大，傳統的打印業巨頭們都采取了按兵不動的觀望狀態。對于這些巨頭來說，一來傳統的2D打印業務目前市場還足夠大，二來，這些3D打印公司對這些500強企業來說還足夠小，一旦這些傳統的打印巨頭提起興趣，在資本市場進行收購，并不是不可能。