3D打印机是什么?    

󰁍 2014-03-24 21:03 280人喜欢

3D打印机(3D Printers)是一位名为恩里科·迪尼(Enrico Dini)的发明家设计的一种神奇的打印机,它不仅可以“打印”出一幢完整的建筑,甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品的形状。


2013年6月,美国“太空制造”公司宣布,将于明年为国际空间站提供一台3D打印机,供宇航员在轨生产零部件,无需再从地球运输零部件。


基本概述

3D打印机,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。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,现正逐渐用于一些产品的直接制造,意味着这项技术正在普及。


它的原理是:把数据和原料放进3D打印机中,机器会按照程序把产品一层层造出来。打印出的产品,可以即时使用。


通过3D打印机也可以打印出食物。这也是大多吃货所关心的3D打印机未来的发展方向。

发展历史

3D打印源自100多年前美国研究的照相雕塑和地貌成形技术,上世纪80年代已有雏形,其学名为“快速成型”。


在20世纪80年代中期,SLS被在美国得克萨斯州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利,项目由DARPA赞助的。1979年,类似过程由RF Housholder得到专利,但没有被商业化。


1995年,麻省理工创造了“三维打印”一词,当时的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson修改了喷墨打印机方案,变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案,而不是把墨水挤压在纸张上的方案。


说到3D打印,就不得不提3D打印机。3D打印机又称三维打印机,是一种累积制造技术,通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。 2003年以来三维打印机的销售逐渐扩大,价格也开始下降。


该技术可用于珠宝,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,和许多其他领域。


最早的3D打印出现在上个世纪的80年代,价格极其昂贵且所能打印的产品数量也少得可怜。


3D打印技术的核心制造思想最早起源于19世纪末的美国,到20世纪80年代后期3D打印技术发展成熟并被广泛应用。3D打印是科技融合体模型中最新的高“维度”的体现之一,据报道,美国科学家发明了一种可打印出三维效果的打印机,并已将其成功推向市场。普通打印机能打印一些报告等平面纸张资料。而这种最新发明的打印机,它不仅使立体物品的造价降低,且激发了人们的想象力。未来3D打印机的应用将会更加广泛。


在此之前,三维打印机数量很少,大多集中在“科学怪人”和电子产品爱好者手中。他们主要用来打印像珠宝、玩具、工具、厨房用品之类的东西。甚至有汽车专家打印出了汽车零部件,然后根据塑料模型去订制真正市面上买到的零部件。


人们可以在一些电子产品商店购买到这类打印机,工厂也在进行直接销售。不过物以稀为贵,一套三维打印机的价格从一般的750美元到上等质量的27000美元不等。


科学家们表示,三维打印机的使用范围还很有限,不过在未来的某一天人们一定可以通过3D打印机打印出更实用的物品。


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。它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。尽管仍有待完善,但3D打印技术市场潜力巨大,势必成为未来制造业的众多突破技术之一。

技术原理

3D打印并非是新鲜的技术,这个思想起源于19世纪末的美国,并在20世纪80年代得以发展和推广。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长,其价格也正逐年下降。


使用打印机就像打印一封信: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。而在3D打印时,软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D打印机上,后者会将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。


堆叠薄层的形式有多种多样。有些3D打印机使用“喷墨”的方式。例如,一家名为Objet的以色列3D打印机公司使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质 喷涂在铸模托盘上,此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离,以供下一层堆叠上来。另外一家总部位于美国明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一种叫做“熔积成型”的技术,整个流程是在喷头内熔化塑料,然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。


还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层,然后由喷出的液态粘合剂进行固化。它也可以使用一种叫做“激光烧结”的技术熔铸成指定形状。这也正是德国EOS公司在其叠加工艺制造机上使用的技术。而瑞士的Arcam公司则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒。以上提到的这些仅仅是许多成型方式中的一部分。当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时,介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸,最后只需用水或气流冲洗掉支 撑物便可形成孔隙。如今可用于打印的介质种类多样,从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质,令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。

工作步骤

3D打印机工作步骤是这样的:


先通过计算机建模软件建模,如果你有现成的模型也可以,比如动物模型、人物、或者微缩建筑等等。然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中,进行打印设置后,打印机就可以把它们打印出来,其工作结构分解图如下。


3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样,都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的,打印原理是一样的。3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型,然后再进行打印输出。


3D打印与激光成型技术一样,采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层的打印过程分为两步,首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将会被“打印”成型,打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型,而剩余粉末还可循环利用。


三维打印的设计过程是:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即 切片,从而指导打印机逐层打印。


设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器,其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。打印过程

打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。


打印机打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的。一般的厚度为100微米,即0.1毫米,也有部分打印机如Objet Connex 系列还有三维 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。 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。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时,当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。


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,而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。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。


三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够(在弯曲的表面可能会比较粗糙,像图像上的锯齿一样),要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法:先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体,再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。


有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物,比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西(如可溶的东西)作为支撑物。

太空应用

未来航天员即使像度假者一样忘记携带太空之旅用品,也没有什么大问题,因为美国“太空制造”

美国“太空制造”公司展开飞行试验公司宣布,将于2014年为国际空间站提供一台3D打印机,供宇航员在轨生产零部件,无需再从地球运输零部件。


美国“太空制造”公司将与美国太空总署马歇尔航天中心合作,开展在零重力环境中的3D打印技术试验硏究,并计划在明年八月利用美国太空探索技术公司的“龙”飞船,将新硏发的太空3D打印机送往国际空间站。


“太空制造”公司说,国际空间站现有的三成以上的备用部件都可由这台3D打印机制造。这台设备将使用聚合物和其他材料,利用挤压增量制造技术逐层制造物品。


该公司首席执行官亚伦·科梅尔表示:“3D打印实验是美国太空总署未来重点硏究项目之一,3D打印零部件和工具将增强太空任务的可靠性和安全性,同时由于不必从地球运输,可降低太空任务成本。


此外,该公司还计划在2015年为国际空间站提供一个名为“增量生产设备”的太空打印设备,该设备不仅可“打印”物品,还能修理组件并升级硬件等。


马歇尔航天中心的3D打印项目负责人沃克海泽在声明中说,3D打印技术对美国太空总署的太空探索任务来说至关重要。


“太空制造”公司于2010年在加利福尼亚州莫菲特场的美国太空总署艾姆斯硏究中心内成立,由奇点大学的校友创建。该公司自2011年秋天以来已展开四百多次抛物线飞行试验,以在微重力环境下验证3D打印技术。



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