3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介,尚成焱2019/11/29,傳統(tǒng)的制造加工工藝-等材制造工藝,鑄造是一種金屬熱加工工藝，是將液體金屬（例：銅、鐵、鋁、錫、鉛等）澆鑄到與零件形狀相適應(yīng)的空腔（稱(chēng)為鑄模，材料可以是砂、金屬甚至陶瓷）中，待其冷卻凝固后，以獲得零件或毛坯的方法。人類(lèi)在幾千年前就掌握了這種制造工藝，比如出土的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的青銅器皿就是通過(guò)鑄造制造的。,鑄造車(chē)間環(huán)境,鍛造是利用鍛壓機(jī)械對(duì)金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性能、一定形狀和尺寸鍛件的制造工藝。人類(lèi)在幾千年前也掌握了這種制造工藝，就是民間俗稱(chēng)的“打鐵”工藝。一般地，由于鍛造能消除金屬在冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)，鍛件的機(jī)械性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。,鍛造車(chē)間環(huán)境,沖壓是靠壓力機(jī)和模具對(duì)板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的工件（沖壓件）的成形加工工藝。生活中很多物品，比如汽車(chē)的車(chē)身、容器的殼體，儀器儀表、家用電器、辦公機(jī)械、生活器皿等，都是沖壓件。沖壓和鍛造同屬塑性加工（或稱(chēng)壓力加工），合稱(chēng)鍛壓。由于這些加工工藝在加工物品的過(guò)程中，材料只是從一種形式變到另一種形式，材料并沒(méi)有增加或減少，因此稱(chēng)為等材制造工藝。,一般是指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工的工藝方法，車(chē)銑刨磨是四種基本的加工方式，包括車(chē)削加工、銑削加工、刨削加工、磨削加工，不同零件所需的加工方式不同，有的零件需使用其中多種方式才可完成零件的加工。由于這種加工工藝將多余的材料從工件中削除，被削除的材料是浪費(fèi)（稱(chēng)為廢料）的，因此稱(chēng)為減材制造工藝。,傳統(tǒng)的制造加工工藝-減材制造工藝,車(chē)削加工,磨削加工,銑削加工,什么是3D打??？,3D打印并不神秘：它只是一種新型的制造和加工工藝3D打印技術(shù)出現(xiàn)在上世紀(jì)80年代末至90年代初（也稱(chēng)為快速成型技術(shù)），至今也就30年不到的時(shí)間。其原理很簡(jiǎn)單：以3D數(shù)字模型文件為輸入，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。,形象來(lái)講，普通的打印機(jī)是將2D圖像或圖形數(shù)字文件通過(guò)墨水輸出到紙張上；3D打印機(jī)則是將實(shí)實(shí)在在的原材料（比如金屬、陶瓷、塑料、砂等）輸出為一薄層（物理上具有一定的厚度），然后不斷重復(fù)一層層疊加起來(lái)，最終變成空間實(shí)物。因此，3D打印在輸出某一分層時(shí)，過(guò)程與噴墨打印是相似的。就像蓋房子，是通過(guò)一塊一塊磚所累積而成，而3D打印的物品是通過(guò)原材料的一粒一粒所累積而成。,由于3D打印是將材料一層一層堆積而成，因此也稱(chēng)為增材制造工藝。3D打印并不神秘，相對(duì)于具有千年的等材制造工藝和具有百年的減材制造工藝，它只是一種制造成型的新工藝，只有30年不到的歷史。,3D打印區(qū)別于其他制造工藝有哪些優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)？,1.設(shè)計(jì)空間無(wú)限。對(duì)于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜物品（比如內(nèi)部有非常復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或空腔結(jié)構(gòu)的物品），傳統(tǒng)的制造工藝是無(wú)法進(jìn)行加工的，需要將物品進(jìn)行分解分別加工再組裝。而3D打印將物體分解成一層一層的2D區(qū)域，因此加工任意復(fù)雜的物體都沒(méi)有問(wèn)題，加工精度只是取決于打印機(jī)所能輸出的最小材料顆粒。這是3D打印帶給我們最大的優(yōu)勢(shì)，能讓設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)任意復(fù)雜的幾何形狀，設(shè)計(jì)空間無(wú)限。正是這個(gè)優(yōu)勢(shì)，給了我們?cè)趲缀卧O(shè)計(jì)與優(yōu)化方面大量需要解決的問(wèn)題，后面會(huì)詳述。,2.零技能制造。傳統(tǒng)的制造工藝設(shè)備龐大且昂貴，需要較高的技能才能進(jìn)行操作。而3D打印機(jī)（比如FDM3D打印機(jī)）小巧而廉價(jià)，有些已經(jīng)進(jìn)入家庭，使用簡(jiǎn)單方便；相對(duì)于昂貴的鑄模，3D打印只需要一個(gè)數(shù)字化文件即可進(jìn)行成型。因此，通過(guò)3D打印，能夠輕松實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的個(gè)性化設(shè)計(jì)與定制，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間。這個(gè)優(yōu)勢(shì)給了我們非機(jī)械專(zhuān)業(yè)的研究工作者，也能進(jìn)行相關(guān)的幾何、結(jié)構(gòu)、材料等方面的研究，大大加深和拓展了制造中所存在的相關(guān)研究問(wèn)題。,3.材料無(wú)限組合。多噴頭的3D打印機(jī)能夠?qū)Χ喾N材料進(jìn)行組合打印。通過(guò)材料的堆疊和組合，打印的物品具有與單一材料所不同的物理和力學(xué)的特性。因此，通過(guò)不同材料的組合，可以產(chǎn)生性能不同的“新的材料”。這個(gè)優(yōu)勢(shì)提供給了我們利用控制材料的分布來(lái)控制物品的物理、力學(xué)及結(jié)構(gòu)的特性，從而能產(chǎn)生多樣化的物品，增加產(chǎn)品的靈活性。,3D打印技術(shù)最被看重的三大優(yōu)勢(shì)是加速產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程、提供個(gè)性化和定制產(chǎn)品和增加生產(chǎn)的靈活性。從成型工藝上看3D打印突破了傳統(tǒng)成型方法，無(wú)需先行制作模具和機(jī)械加工，通過(guò)快速自動(dòng)成型硬件系統(tǒng)與CAD軟件模型結(jié)合就能夠制造出各種形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，這使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期大大縮短，生產(chǎn)成本大幅下降。,3D打印作為一項(xiàng)年輕的成型工藝，還存在著許多的不足，比如成型時(shí)間慢、精度低、材料種類(lèi)少、無(wú)法大批量生產(chǎn)等。現(xiàn)階段3D打印的實(shí)際使用仍屬于快速成型范疇，即為企業(yè)在生產(chǎn)正式的產(chǎn)品前提供產(chǎn)品原型的制造，業(yè)內(nèi)也稱(chēng)作手板。因此，3D打印成型工藝現(xiàn)階段是作為與傳統(tǒng)制造工藝互補(bǔ)的方式存在，要成為主流的生產(chǎn)制造技術(shù)還尚需時(shí)日。但是要相信，人類(lèi)對(duì)技術(shù)的追求是無(wú)限的，隨著3D打印設(shè)備和打印材料的研發(fā)的不斷進(jìn)步，3D打印技術(shù)會(huì)越來(lái)越被廣泛得到使用。,從另一個(gè)角度來(lái)看，3D打印技術(shù)讓制造從工廠(chǎng)走向了家庭，催生了大量的個(gè)人設(shè)計(jì)者（即創(chuàng)客），激發(fā)了無(wú)限的創(chuàng)意設(shè)計(jì)的可能。這是筆者認(rèn)為3D打印技術(shù)能帶給我們大眾最大的意義。,3D打印的相關(guān)領(lǐng)域,3D打印是一種新型的快速成型技術(shù)，它綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，涉及的領(lǐng)域較多。3D打印作為一種制造工藝(Manufacturing)，最主要涉及有3個(gè)方面：1.材料(Material)。即用于3D打印中的材料，包括樹(shù)脂、金屬、陶瓷、塑料或天然材料等，這些材料通過(guò)堆積形成實(shí)在的功能產(chǎn)品。2.設(shè)備(Machine)。3D打印設(shè)備將材料按照軟件（設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和制作數(shù)據(jù)）的要求實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的成型?，F(xiàn)有的3D打印設(shè)備有許多種類(lèi)。3.建模(Modeling)。這是3D打印工藝中的軟件部分。包括切片、模型的構(gòu)建與優(yōu)化、成型過(guò)程控制等。,如果將3D打印比作做一道菜，材料就是菜的原料，設(shè)備就是鍋，而建模則是菜譜和制作方法。建模作為3D打印的“大腦”，在成型過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用，這正是我們從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和幾何建模的研究工作者的研究工作。因此，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是3D打印中的不可或缺的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。,3D打印常用材料簡(jiǎn)介,“巧婦難為無(wú)米之炊”，材料是3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ)，是當(dāng)前制約3D打印發(fā)展的瓶頸之一。在3D打印中所使用的材料主要包括工程塑料、橡膠、光敏樹(shù)脂、石膏、金屬和陶瓷等，在生物應(yīng)用領(lǐng)域還有人造骨粉、細(xì)胞生物原料等。這些材料都是針對(duì)3D打印設(shè)備和工藝來(lái)研發(fā)的，有不同的形態(tài)，比如粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。比如，粉末狀3D打印材料的顆粒呈現(xiàn)球形狀，半徑在100微米以下。,以下簡(jiǎn)單介紹一些常用的3D打印材料，工程塑料指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。工程塑料是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)3D打印材料，常見(jiàn)的有ABS類(lèi)材料、PC類(lèi)材料、尼龍類(lèi)材料等。ABS材料是FDM（熔融沉積造型）快速成型工藝常用的熱塑性工程塑料，具有強(qiáng)度高、韌性好、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)。,光敏樹(shù)脂即UV樹(shù)脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光（紫外光）引發(fā)劑（或稱(chēng)為光敏劑）。在一定波長(zhǎng)的紫外光（250300）照射下能立刻引起聚合反應(yīng)完成固化。光敏樹(shù)脂一般為液態(tài)，可用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水材料。目前，研究光敏材料3D打印技術(shù)的主要有美國(guó)3Dsystem公司和以色列object公司。常見(jiàn)的光敏樹(shù)脂有somosNEXT材料、樹(shù)脂somos11122材料、somos19120材料和環(huán)氧樹(shù)脂。,橡膠類(lèi)材料具備多種級(jí)別彈性材料的特征，這些材料所具備的硬度、斷裂伸長(zhǎng)率、抗撕裂強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，使其非常適合于要求防滑或柔軟表面的應(yīng)用領(lǐng)域。3D打印的橡膠類(lèi)產(chǎn)品主要有消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備以及汽車(chē)內(nèi)飾、輪胎、墊片等。,金屬材料：在國(guó)防領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視3D打印技術(shù)的發(fā)展，不惜投入巨資加以研究，而3D打印金屬零部件一直是研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應(yīng)用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等。,陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車(chē)、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。但由于陶瓷材料硬而脆的特點(diǎn)使其成形尤其困難。,3D打印設(shè)備技術(shù)簡(jiǎn)介,現(xiàn)有的3D打印設(shè)備有很多種，設(shè)備是與材料配合來(lái)設(shè)計(jì)的。這里只是簡(jiǎn)單羅列一下常見(jiàn)的一些3D打印設(shè)備,1.分層實(shí)體成型工藝（LOM）：這是歷史最為悠久的3D打印成型技術(shù)。LOM技術(shù)成型多使用紙材、PVC薄膜等材料，價(jià)格低廉且成型精度高。激光切割器將沿著工件截面輪廓線(xiàn)對(duì)薄膜進(jìn)行切割，可升降的工作臺(tái)能支撐成型的工件，并在每層成型之后降低一個(gè)材料厚度以便送進(jìn)將要進(jìn)行粘合和切割的新一層材料，最后熱粘壓部件將會(huì)一層一層地把成型區(qū)域的薄膜粘合在一起。,2.立體光固化成型工藝（SLA）：以光敏樹(shù)脂作為材料，在系統(tǒng)控制下紫外激光將對(duì)液態(tài)的光敏樹(shù)脂進(jìn)行掃描從而讓其逐層凝固成型。液槽中會(huì)先盛滿(mǎn)液態(tài)的光敏樹(shù)脂，氦鎘激光器或氬離子激光器發(fā)射出的紫外激光束在計(jì)算機(jī)的操縱下按工件的分層截面數(shù)據(jù)在液態(tài)的光敏樹(shù)脂表面進(jìn)行逐行逐點(diǎn)掃描，這使掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)而固化從形成工件的一個(gè)薄層。,3.選擇性激光燒結(jié)工藝（SLS）：SLS工藝使用的是粉末狀材料，激光器在計(jì)算機(jī)的操控下對(duì)粉末進(jìn)行掃描照射而實(shí)現(xiàn)材料的燒結(jié)粘合，就這樣材料層層堆積實(shí)現(xiàn)成型。先采用壓輥將一層粉末平鋪到已成型工件的上表面，數(shù)控系統(tǒng)操控激光束按照該層截面輪廓在粉層上進(jìn)行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點(diǎn)，從而進(jìn)行燒結(jié)并于下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘合。,4.三維印刷工藝（3DP）：工作原理類(lèi)似于噴墨打印機(jī)，與SLS工藝也有著類(lèi)似的地方，采用的都是粉末狀的材料，如陶瓷、金屬、塑料，但與其不同的是3DP使用的粉末并不是通過(guò)激光燒結(jié)粘合在一起的，而是通過(guò)噴頭噴射粘合劑將工件的截面“打印”出來(lái)并一層層堆積成型的。,5.熔融沉積成型工藝（FDM）：將絲狀的熱熔性材料（通常為ABS或PLA材料）進(jìn)行加熱融化，通過(guò)帶有微細(xì)噴嘴的擠出機(jī)把材料擠出來(lái)，熔融的絲材被擠出后隨即會(huì)和前一層材料粘合在一起。一層材料沉積后工作臺(tái)將按預(yù)定的增量下降一個(gè)厚度，然后重復(fù)以上的步驟直到工件完全成型。這是最常見(jiàn)的3D打印機(jī)，現(xiàn)在價(jià)格只要幾千元，也是進(jìn)入家庭和個(gè)人工作室（創(chuàng)客）最多的3D打印設(shè)備。也稱(chēng)為桌面型3D打印機(jī)。,3D打印的幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究,在3D打印中，3D數(shù)字化模型是前提和基礎(chǔ)，3D打印是結(jié)果，它使3D模型“落地開(kāi)花”。但是，在很多情況下，3D模型并不能直接輸出給3D打印機(jī)或者打印出來(lái)的物體不滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。這時(shí)，就需要經(jīng)過(guò)一些幾何建模與處理的方法，將輸入的3D模型進(jìn)行修正、調(diào)整、處理和優(yōu)化，使其能更好地滿(mǎn)足3D打印的需求，避免打印出的物體無(wú)法正常發(fā)揮功能。,在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)或計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)中，3D建模的主要目的是為造型、渲染或動(dòng)畫(huà)，考慮的是模型的數(shù)學(xué)屬性，比如曲面的形狀、連續(xù)性、光滑性、材質(zhì)、變形等性質(zhì)；而在3D打印中，3D模型輸出的是一個(gè)實(shí)物模型，更多需要考慮的是實(shí)物模型的物理屬性（力學(xué)屬性與功能屬性）。因此，傳統(tǒng)的3D建模與處理的手段需要進(jìn)一步修正和加強(qiáng)，需要在建模的過(guò)程中就考慮到輸出實(shí)物模型的力學(xué)及功能屬性。一方面，模型的數(shù)學(xué)屬性影響著其物理屬性；另一方面，對(duì)物理屬性的要求影響著數(shù)學(xué)屬性的修改，這兩個(gè)屬性相互影響，往往在處理和優(yōu)化的過(guò)程中需要迭代進(jìn)行。我們稱(chēng)之為面向制造的幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化,1.幾何計(jì)算問(wèn)題：給定一個(gè)3D數(shù)字模型，需要離散成三角網(wǎng)格(STL文件)，然后加填充結(jié)構(gòu)、加支撐結(jié)構(gòu)，然后切片計(jì)算和路徑規(guī)劃，最后才送到3D打印機(jī)，通過(guò)G代碼輸出一個(gè)實(shí)物模型。這個(gè)過(guò)程是3D打印機(jī)的切片引擎軟件的主要工作，中間涉及到大量的幾何計(jì)算；2.打印約束問(wèn)題：在很多情況下，輸入的3D模型存在著一些問(wèn)題，并不能直接輸出給3D打印機(jī)，比如：3D模型本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不規(guī)范，無(wú)法切片；由于出現(xiàn)懸空部分而打印失?。荒Ｐ偷某叽缣螅^(guò)打印機(jī)所能打印的尺寸限制；沒(méi)有考慮穩(wěn)定性導(dǎo)致打印出物體無(wú)法正常放置等；,3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題：由于設(shè)計(jì)師缺乏一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與力學(xué)知識(shí)，會(huì)導(dǎo)致其設(shè)計(jì)結(jié)果因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)問(wèn)題不能正常打印或在3D打印后會(huì)存在一些結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題。強(qiáng)度不足可能會(huì)使3D模型在打印、運(yùn)輸或日常使用過(guò)程中受到破壞。這種問(wèn)題我們稱(chēng)其為結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化問(wèn)題；這時(shí)就需要通過(guò)力學(xué)與物理的仿真計(jì)算（有限元方法-FEM）來(lái)優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)來(lái)滿(mǎn)足需求；,4.功能定制問(wèn)題：定制化是3D打印最大的優(yōu)勢(shì)之一，這里催生了大量的研究問(wèn)題和研究方法。比如，(1)將繪制理論中發(fā)展起來(lái)的各種模型和方法應(yīng)用于3D打印，涉及到打印材料的外觀(guān)模擬、測(cè)量以及合成優(yōu)化等技術(shù)；(2)面向醫(yī)療、教育、娛樂(lè)和時(shí)尚等需求的模型定制問(wèn)題以及面向光影與聲音效果的逆向設(shè)計(jì)問(wèn)題；(3)通過(guò)子塊設(shè)計(jì)與打印以及通過(guò)鉸鏈，滑輪，齒輪，電機(jī)等機(jī)械裝置組裝而成的具有特定功能的物體，其中有許多機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化問(wèn)題。,3D打印技術(shù)的相關(guān)研究工作,3D打印的幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面做了系列的研究工作，簡(jiǎn)單介紹如下：1.“經(jīng)濟(jì)節(jié)約型”的3D打印技術(shù)：受到建筑領(lǐng)域使用剛架結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出一種“蒙皮-剛架”技術(shù)：對(duì)于給定的一個(gè)3D模型，我們將模型表達(dá)成一個(gè)很薄的蒙皮以及內(nèi)部的剛架結(jié)構(gòu)，使得表達(dá)后的物體的體積（即所使用的打印材料）最小，而且使得打印物體能夠滿(mǎn)足所要求的物理強(qiáng)度，受力穩(wěn)定性，自平衡性及可打印性等要求。與實(shí)體填充的打印相比，這樣的方法能節(jié)省約50-70%以上的材料。2.節(jié)省打印時(shí)間的自適應(yīng)切片技術(shù)：切片的層數(shù)決定了3D打印的時(shí)間，切片數(shù)越多，打印時(shí)間越長(zhǎng)。該工作基于形狀的可視顯著度，自適應(yīng)地進(jìn)行切片計(jì)算，能夠保證在不影響視覺(jué)效果的情況下，切片的層數(shù)達(dá)到最小，以減少打印時(shí)間。3.基于自鎖結(jié)構(gòu)的大物體分解技術(shù)：大物體的打印需要分解成多塊小物體進(jìn)行打印，然后進(jìn)行組裝；傳統(tǒng)的方法是用膠水或者插銷(xiāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝。該工作將物體分解為多個(gè)小物體，小物體之間通過(guò)自鎖結(jié)構(gòu)（卯榫結(jié)構(gòu)）進(jìn)行組裝，組裝后整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且可以重復(fù)拆裝，便于運(yùn)輸。同時(shí)，也是一種類(lèi)似于孔明鎖（魯班鎖）的空間智力玩具。,4.基于剪刀結(jié)構(gòu)的可伸縮物體的設(shè)計(jì)：剪刀結(jié)構(gòu)是一種生活中常見(jiàn)的鉸鏈結(jié)構(gòu)，常用于可伸縮物體中，比如傘，伸縮門(mén)等。給定兩個(gè)2D形狀，如何設(shè)計(jì)剪刀結(jié)構(gòu)，使之能夠在收縮和展開(kāi)時(shí)分別逼近給定的形狀，是個(gè)逆向設(shè)計(jì)的問(wèn)題，也是比較困難的。該工作給出了一個(gè)算法，使得能夠生成剪刀結(jié)構(gòu)，插值2個(gè)給定的形狀，產(chǎn)生它們之間的連續(xù)變形(morphing)。5.結(jié)合2D切割和3D打印的大物體打印技術(shù)：激光切割(LaserCutting)作為另一種制造工藝，相比較于3D打印，雖然只能制造具有二維形狀的物體，但其制造材料成本低，且切割速度非?？?。我們結(jié)合3D打印和激光切割各自的制造優(yōu)勢(shì)，提出一種快速、廉價(jià)的分塊制造大物體的方法。該方法的主要思想是在三維物體內(nèi)部構(gòu)造由激光切割板塊組裝成的三維支撐結(jié)構(gòu)，然后將多個(gè)3D打印部件貼附到支撐結(jié)構(gòu)上保證物體的外觀(guān)。6.使用機(jī)器臂的空間3D打印技術(shù)：將FDM打印投固定在6軸機(jī)器臂上，使用機(jī)器臂進(jìn)行空間3D打印，在很多領(lǐng)域都能得到應(yīng)用。該工作提出兩種空間3D打印的裝置方法。,7.空間框架形狀的3D打印技術(shù)：使用機(jī)器人空間3D打印來(lái)打印框架形狀，一個(gè)重要的問(wèn)題是如何決定框架邊的打印順序。該工作提出一種有效的算法，能決定所有邊的打印順序：一方面保證在打印過(guò)程中，已打印的框架結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，且不能發(fā)生大的變形（否則機(jī)器人無(wú)法定位）；另一方面，機(jī)器人在打印的時(shí)候不能與已打印的框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生碰撞。8.定制化發(fā)條玩具設(shè)計(jì)：提出一種計(jì)算方法，根據(jù)用戶(hù)指定的玩具外形和運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)設(shè)計(jì)發(fā)條玩具的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以直接用于3D打印快速制造出來(lái)。算法是對(duì)一系列基本的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元進(jìn)行幾何和運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，通過(guò)連接這些基本機(jī)構(gòu)單元自動(dòng)構(gòu)造出可以傳遞復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，最后對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化使得輸出的運(yùn)動(dòng)達(dá)到指定效果。,9.可重構(gòu)家具的自動(dòng)設(shè)計(jì)：可重構(gòu)家具是由多個(gè)部件組裝起來(lái)的家具，通過(guò)改變部件的相對(duì)位置和連接關(guān)系來(lái)改變整體結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)不同的形態(tài)和功能。該文提出一種計(jì)算方法，根據(jù)用戶(hù)指定的家具外形，自動(dòng)設(shè)計(jì)可重構(gòu)家具的三維幾何模型。其思想是對(duì)給定的多個(gè)家具外形做協(xié)同分割得到可重用部件的主體模型，進(jìn)而在部件的主體模型上協(xié)同構(gòu)造連接頭，使得每個(gè)家具形態(tài)中的所有部件通過(guò)連接頭形成穩(wěn)定的三維自鎖結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)出的可重構(gòu)家具模型可通過(guò)多種方式制造出來(lái)，如3D打印、激光切割、木工制造。10.基于筋勒結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：筋勒結(jié)構(gòu)是建筑及結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中常見(jiàn)的一種輕量化結(jié)構(gòu)，是由一些沿著曲面的筋勒網(wǎng)構(gòu)成。一種自動(dòng)優(yōu)化一個(gè)曲面的筋勒網(wǎng)的分布的優(yōu)化方法。,3D打印與創(chuàng)客,“創(chuàng)客”一詞來(lái)源于英文單詞“Maker”，是指努力把各種創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的人，將其定義為“喜歡搗鼓新玩意，將想法變成現(xiàn)實(shí)的一群人”。3D打印技術(shù)使得個(gè)人定制并加工復(fù)雜的零件不再遙不可及，3D打印走進(jìn)家庭更加降低了創(chuàng)新創(chuàng)造的準(zhǔn)入門(mén)檻和成本；同時(shí)，開(kāi)源硬件（比如Ardunoi，PDdunoi,樹(shù)莓派等）的簡(jiǎn)易化與平民化，讓硬件的編程和使用變得簡(jiǎn)單易學(xué)，相比實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期、復(fù)雜的創(chuàng)造發(fā)明，普通人只要有靈感的火花，就能夠快速、輕松地設(shè)計(jì)出產(chǎn)品原型，將生活中萌發(fā)的小創(chuàng)意，轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)產(chǎn)品；另外，得益于互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展（比如社區(qū)，技術(shù)群等），不同文化、專(zhuān)業(yè)背景的普通人，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行交流和討論，并且在新的科技手段的裝備下，展現(xiàn)出他們巨大的創(chuàng)新天份。,我也比較喜歡創(chuàng)客文化，創(chuàng)客的本質(zhì)就是一群愛(ài)玩的人在一起玩，玩出創(chuàng)意，玩出創(chuàng)新。因?yàn)榭蒲械谋举|(zhì)也是玩！要享受玩的過(guò)程！一個(gè)好的創(chuàng)客空間要滿(mǎn)足三個(gè)條件：1)人：有一群愛(ài)玩的人，這群人不僅能玩，而且還有很多奇思妙想，對(duì)新事物和新科技有好奇心，并且喜歡動(dòng)手（硬件和軟件）；2）地：有一個(gè)物理空間，提供各種工具，比如打印機(jī)、切割機(jī)、機(jī)器人、電路、焊槍等；3）事：有一個(gè)或若干個(gè)比較明確的令人熱血沸騰的共同目標(biāo)，需要大家激情滿(mǎn)滿(mǎn)而且齊心協(xié)力地合作去完成。創(chuàng)客中心可有效激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在科研動(dòng)力和動(dòng)手能力，在校園里營(yíng)造良好的創(chuàng)意和創(chuàng)新氛圍。,1.學(xué)生創(chuàng)客：“創(chuàng)客空間”對(duì)學(xué)生開(kāi)放時(shí)間沒(méi)有限制，平時(shí)都有學(xué)生在其中進(jìn)行相關(guān)課題和項(xiàng)目的研究。2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備：在創(chuàng)客空間，需要購(gòu)置許多實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括3D數(shù)字采集設(shè)備，比如3D激光掃描儀和深度相機(jī)（MSKinect,IntelRealsense等）、3D打印機(jī)、平面激光切割機(jī)、工業(yè)六軸機(jī)器臂UR-2、移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)Turtle-Box、四翼飛行器、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備OculusRift、五金工具等。,未來(lái)展望,3D打印技術(shù)近年來(lái)發(fā)展很快，可以預(yù)見(jiàn)，3D打印在智能制造、中國(guó)制造2025與工業(yè)4.0、云制造等領(lǐng)域會(huì)發(fā)揮著非常重要的作用。未來(lái)在各個(gè)行業(yè)都有著廣闊的應(yīng)用。從科研的角度來(lái)看，3D打印中的幾何設(shè)計(jì)與優(yōu)化仍有許多新的問(wèn)題和新的方向值得去探索。這里列舉幾個(gè)我們正在思考和從事研究的問(wèn)題和方向，以供大家探討交流。1.3D幾何的表達(dá)：現(xiàn)在的基于點(diǎn)和三角網(wǎng)格