3D打印解析（課堂PPT）

1、3D打印 前言q 3D打?。?D printing），即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，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)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。22022-3-8定義q 3D打印技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)制造業(yè)通過(guò)模具、車(chē)銑等機(jī)械加工方式對(duì)原材料進(jìn)行定型、切削以最終生產(chǎn)成品不同，3D打印將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)二維平面，通過(guò)對(duì)材料處理并逐層疊加進(jìn)行生產(chǎn)，大

2、大降低了制造的復(fù)雜度。這種數(shù)字化制造模式不需要復(fù)雜的工藝、不需要龐大的機(jī)床、不需要眾多的人力，直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中便可生成任何形狀的零件，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延伸。32022-3-83D打印主流技術(shù)q 3D打印的技術(shù)主要包括SLA、FDM、SLS、LOM等工藝，下面我們簡(jiǎn)單介紹三種主流技術(shù)：q 1、立體光刻造型技術(shù)(SLA)：大家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(shù)字模型，“切”成若干個(gè)平面，這就形成了很多個(gè)剖面，在工作的時(shí)候，有一個(gè)可以舉升的平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)周?chē)幸粋€(gè)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(huì)從底層做起，固化最底層

3、的，然后平臺(tái)下移，固化下一層，如此往復(fù)，直到最終成型。q 其優(yōu)點(diǎn)是精度高，可以表現(xiàn)準(zhǔn)確的表面和平滑的效果，精度可以達(dá)到每層厚度0.05毫米到0.15毫米。缺點(diǎn)則為可以使用的材料有限，并且不能多色成型。42022-3-83D打印主流技術(shù)q 2、熔融沉積成型技術(shù)，同樣是需要把3D的模型薄片化，但是成型的原理不一樣。學(xué)過(guò)高等數(shù)學(xué)的朋友都知道積分，熔融沉積成型技術(shù)，就是把材料用高溫熔化成液態(tài)，然后通過(guò)噴嘴擠壓出一個(gè)個(gè)很小的球狀顆粒，這些顆粒在噴出后立即固化，通過(guò)這些顆粒在立體空間的排列組合形成實(shí)物。q 這種技術(shù)成型精度更高、成型實(shí)物強(qiáng)度更高、可以彩色成型，但是成型后表面粗糙。52022-3-83D打印

4、主流技術(shù)q 3、選擇性激光燒結(jié)(簡(jiǎn)稱(chēng)SLS)q SLS工藝又稱(chēng)為選擇性激光燒結(jié)，由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用高強(qiáng)度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強(qiáng)度的激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分粘接；當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地?zé)Y(jié)下層截面。62022-3-83D打印的應(yīng)用q 1、3D打印在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用q 科學(xué)家們正在利用3D打印機(jī)制造諸如皮膚、肌肉和血管片段等簡(jiǎn)單的活體組織，很有可能將有一天我們能夠制造出

5、像腎臟、肝臟甚至心臟這樣的大型人體器官。如 果生物打印機(jī)能夠使用病人自身的干細(xì)胞，那么器官移植后的排異反應(yīng)將會(huì)減少。72022-3-83D打印的應(yīng)用q 2、3D打印在工業(yè)中的應(yīng)用q 首先3D打印技術(shù)可以加工傳統(tǒng)方法難以制造的零件。過(guò)去傳統(tǒng)的制造方法就是一個(gè)毛坯，把不需要的地方切除掉，是多維加工的，或者采用磨具，把金屬和塑料融化灌進(jìn)去得到這樣的零件，這樣對(duì)復(fù)雜的零部件來(lái)說(shuō)加工起來(lái)非常困難。立體打印技術(shù)對(duì)于復(fù)雜零部件而言具有極大的優(yōu)勢(shì)，立體打印技術(shù)可以打印非常復(fù)雜的東西。82022-3-83D打印的應(yīng)用q 例：首款3D打印汽車(chē)q 當(dāng)3D打印正在改變制造業(yè)的流程時(shí)，現(xiàn)在又要改變汽車(chē)的生產(chǎn)方式了。世界

6、上第一款3D打印汽車(chē)面世，這次不是玩具，而是真正能開(kāi)上馬路的汽車(chē)。q 據(jù)連線雜志報(bào)道，Urbee 2是一款三輪的混合動(dòng)力汽車(chē)，它的所有零部件都是3D打印出來(lái)的。正如Makerbot和Form 1正在重新定義制造業(yè)，Urbee正在致力于改變我們制造汽車(chē)的方式。92022-3-83D打印的應(yīng)用q 這款汽車(chē)是Jim Kor和他的Kor Ecologic團(tuán)隊(duì)頭腦風(fēng)暴的產(chǎn)物，他們一直專(zhuān)注于研究未來(lái)的3D交通工具。他們?cè)诰W(wǎng)站上展示了對(duì)于未來(lái)汽車(chē)的構(gòu)想：q “用最少的能耗開(kāi)最遠(yuǎn)的路程；把生產(chǎn)、使用、回收過(guò)程的污染降到最低；盡可能用汽車(chē)產(chǎn)地附近的原材料生產(chǎn)汽車(chē)”q Kor的目標(biāo)是讓未來(lái)的汽車(chē)更節(jié)能、環(huán)保，生產(chǎn)

7、過(guò)程更便捷。102022-3-83D打印的應(yīng)用qUrbee的生產(chǎn)車(chē)間是RedEye，世界上第一款3D打印機(jī)摩托車(chē)原型也誕生于此。Kor說(shuō)3D打印的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是具有其他片狀金屬材料所不具備的靈活性和可塑性。傳統(tǒng)的汽車(chē)制造是生產(chǎn)出各部分然后再組裝到一起，3D打印機(jī)能打印出單個(gè)的、一體式的汽車(chē)車(chē)身，再將其他部件填充進(jìn)去。據(jù)稱(chēng)，新版本3D汽車(chē)需要50個(gè)零部件左右，而一輛標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的汽車(chē)需要成百上千的零部件。112022-3-83D打印的應(yīng)用q 這讓制造變得更簡(jiǎn)單。Kor只要將模型的每部分上傳到打印機(jī)上，2500小時(shí)后，他就拿到了所有的塑料部件，然后他再把這些東西組裝在一起。完整的Urbee看上去像是一個(gè)大

8、號(hào)電腦鼠標(biāo)。q Urbee的打印材料大部分是塑料，當(dāng)然，它的地盤(pán)和引擎還是鋼鐵。這車(chē)開(kāi)到路上安全嗎？Kor的答案是肯定的，“我們甚至覺(jué)得它可以用于專(zhuān)業(yè)比賽的賽車(chē)”，他告訴連線雜志，“我們要讓這輛車(chē)通過(guò)美國(guó)勒芒比賽的技術(shù)檢測(cè)122022-3-83D打印的應(yīng)用q 建筑設(shè)計(jì)業(yè)q 在建筑業(yè)里，工程師和設(shè)計(jì)師們已經(jīng)接受了用3D打印機(jī)打印的建筑模型，這種方法快速、成本低、環(huán)保，同時(shí)制作精美。完全合乎設(shè)計(jì)者的要求，同時(shí)又能節(jié)省大量材料。132022-3-83D打印機(jī)q 三維打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種打印機(jī)的產(chǎn)量以及銷(xiāo)量在二十一世紀(jì)以來(lái)就已經(jīng)得到了極大的增長(zhǎng)，其價(jià)格也正逐年下降。q 使用打印

9、機(jī)就像打印一封信：輕點(diǎn)電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數(shù)字文件便被傳送到一臺(tái)噴墨打印機(jī)上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像。而在3D打印時(shí)，軟件通過(guò)電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，后者會(huì)將連續(xù)的薄型層面堆疊起來(lái)，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。3D打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)最大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實(shí)實(shí)在在的原材料。142022-3-83D打印機(jī)q 堆疊薄層的形式有多種多樣。有些3D打印機(jī)使用“噴墨”的方式。例如，一家名為Objet的以色列3D打印機(jī)公司使用打印機(jī)噴頭將一層極薄的液態(tài)塑料物質(zhì) 噴涂在鑄模托盤(pán)上，此涂層然后被置于紫外線下進(jìn)行處理。之

10、后鑄模托盤(pán)下降極小的距離，以供下一層堆疊上來(lái)。另外一家總部位于美國(guó)明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一種叫做“熔積成型”的技術(shù)，整個(gè)流程是在噴頭內(nèi)熔化塑料，然后通過(guò)沉積塑料纖維的方式才形成薄層。152022-3-83D打印機(jī)q 還有一些系統(tǒng)使用粉末微粒作為打印介質(zhì)。粉末微粒被噴撒在鑄模托盤(pán)上形成一層極薄的粉末層，然后由噴出的液態(tài)粘合劑進(jìn)行固化。它也可以使用一種叫做“激光燒結(jié)”的技術(shù)熔鑄成指定形狀。這也正是德國(guó)EOS公司在其疊加工藝制造機(jī)上使用的技術(shù)。而瑞士的Arcam公司則是利用真空中的電子流熔化粉末微粒。以上提到的這些僅僅是許多成型方式中的一部分。q 當(dāng)遇到包含孔洞及懸臂這樣的復(fù)雜結(jié)

11、構(gòu)時(shí)，介質(zhì)中就需要加入凝膠劑或其他物質(zhì)以提供支撐或用來(lái)占據(jù)空間。這部分粉末不會(huì)被熔鑄，最后只需用水或氣流沖洗掉支 撐物便可形成孔隙。如今可用于打印的介質(zhì)種類(lèi)多樣，從繁多的塑料到金屬、陶瓷以及橡膠類(lèi)物質(zhì)。有些打印機(jī)還能結(jié)合不同介質(zhì)，令打印出來(lái)的物體一頭堅(jiān)硬而另 一頭柔軟。162022-3-83D打印機(jī)172022-3-83D打印機(jī)182022-3-83D打印的缺陷q 1、材料的限制q 仔細(xì)觀察你周?chē)囊恍┪锲泛驮O(shè)備，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)3D打印的第一個(gè)絆腳石，那就是所需材料的限制。雖然高端工業(yè)印刷可以實(shí)現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，現(xiàn)在的打印機(jī)也還沒(méi)有達(dá)

12、到成熟的水平，無(wú)法支持我們?cè)谌粘Ｉ钪兴佑|到的各種各樣的材料。q 研究者們?cè)诙嗖牧洗蛴∩弦呀?jīng)取得了一定的進(jìn)展，但除非這些進(jìn)展達(dá)到成熟并有效，否則材料依然會(huì)是3D打印的一大障礙。192022-3-83D打印的缺陷q 2、機(jī)器的限制q 眾所周知，3D打印要成為主流技術(shù)(作為一種消耗大的技術(shù))，它對(duì)機(jī)器的要求也是不低的，其復(fù)雜性也可想而知。q 目前的3D打印技術(shù)在重建物體的幾何形狀和機(jī)能上已經(jīng)獲得了一定的水平，幾乎任何靜態(tài)的形狀都可以被打印出來(lái)，但是那些運(yùn)動(dòng)的物體和它們的清晰度就難以實(shí)現(xiàn)了。這個(gè)困難對(duì)于制造商來(lái)說(shuō)也許是可以解決的，但是3D打印技術(shù)想要進(jìn)入普通家庭，每個(gè)人都能隨意打印想要的東西，那么

13、機(jī)器的限制就必須得到解決才行。202022-3-83D打印的缺陷q 3、知識(shí)產(chǎn)權(quán)的憂慮q 在過(guò)去的幾十年里，音樂(lè)、電影和電視產(chǎn)業(yè)中對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)注變得越來(lái)越多。3D打印技術(shù)毫無(wú)疑問(wèn)也會(huì)涉及到這一問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中的很多東西都會(huì)得到更加廣泛的傳播。人們可以隨意復(fù)制任何東西，并且數(shù)量不限。如何制定3D打印的法律法規(guī)用來(lái)保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，也是我們面臨的問(wèn)題之一，否則就會(huì)出現(xiàn)泛濫的現(xiàn)象。212022-3-83D打印的缺陷q 4、道德的挑戰(zhàn)q 道德是底線。什么樣的東西會(huì)違反道德規(guī)律，我們是很難界定的，如果有人打印出生物器官或者活體組織，是否有違道德?我們又改如何處理呢?如果無(wú)法盡快找到解決方法，相信我們?cè)诓痪玫膶?lái)會(huì)遇到極大的道德挑戰(zhàn)。222022-3-83D打印的缺陷q 5、花費(fèi)的承擔(dān)q 3D打印技術(shù)需要承擔(dān)的花費(fèi)是高昂的，對(duì)于普通大眾來(lái)說(shuō)更是如此。例如上面提到第一臺(tái)在京東上架的3D打印機(jī)的售價(jià)為1萬(wàn)5，又有多少人愿意花費(fèi)這個(gè)價(jià)錢(qián)來(lái)嘗試這種新技術(shù)呢?也許只有愛(ài)好者們吧。如果想要普及到大眾，降價(jià)是必須的