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3D打印技术将进军建筑模型行业
更新时间:2013/7/9 点击:1594次

何为3D打印技术

传统打印机打印出的是图纸,3D打印机打印出的正是各种实物模型。3D打印技术发明于上世纪80年代,但它并不是高科技实验室的产物,而是来自一位父亲的家用工作室。目前全球最大3D打印设备商是美国的Stratasys,其创始人斯科特·克伦普在1988年为他女儿做一个玩具青蛙,学过机械工程、做过焊接工作的克伦普决定把聚乙烯、烛蜡混合物装进喷胶枪,一层一层堆叠做出青蛙形状,Stratasys3D打印技术FDM(熔融沉积成型)正是由此发展而来。

3D打印特点

3D打印技术对于生产者来说,可大幅降低生产成本,提高原材料和能源的使用效率,减少对环境的影响,它还使消费者能根据自己的需求量身定制产品3D打印机既不需要用纸,也不需要用墨,而是通过电子制图、远程数据传输、激光扫描、材料熔化等一系列技术,使特定金属粉或者记忆材料熔化,并按照电子模型图的指示一层层重新叠加起来,最终把电子模型图变成实物。其优点是大大节省工业样品制作时间,且可以“打印”造型复杂的产品。因此许多专家认为,这种技术代表制造业发展新趋势。

3D打印原理

3D打印是添加剂制造技术的一种形式,在添加剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D打印机相对于其他的添加剂制造技术而言,具有速度快,价格便宜,高易用性等优点。

3D打印机就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备,功能上与激光成型技术一样,采用分层加工、迭加成形,即通过逐层增加材料来生成3D实体,与传统的去除材料加工技术完全不同。称之为“打印机”是参照了其技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。随着这项技术的不断进步,我们已经能够生产出与原型的外观、感觉和功能极为接近的3D模型。说的简单一点,3D打印是断层扫描的逆过程,断层扫描是把某个东西“切“成无数叠加的片,3D打印就是一片一片的打印,然后叠加到一起,成为一个立体物体。使用3D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。

3D打印机应用

3D打印机的应用对象可以是任何行业,只要这些行业需要模型和原型。以色列的Objet公司认为,3D打印机需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。

3D打印机价格

任何一款新设备要推广普及,必须拥有一个亲民的价格,这也正是3D打印机难以走入家庭的重要原因。最早的Stratasys3D打印机每台售价高达13万美元,别说家庭用户,就连企业用户也对这个售价高昂的新家伙无人问津,Stratasys在成立三年后才卖出自己的第一台3D打印机。

经过20多年的发展,如今3D打印机早已不是当初的价格,虽然一些用于工业设计、精密程度非常高的3D打印机价格仍然不菲,但作为普通设计公司乃至家庭用户使用的桌面式3D打印机,国外品牌售价基本在2万-5万元不等,而国产3D打印机售价已经来到万元以下。

3D打印机未来有望热销

Stratasys中国区总经理汪祥艮介绍,3D打印机主要有四个方面的应用:一是概念模型,艺术家搞概念的东西,形状、外体什么样;第二就是结构和外观的测试或者是实验;第三个是一些功能性的测试;第四是直接制造。

过去的十几年里,3D打印技术的主要使用者是设计师、工程师和科学家,3D打印机可以帮助他们制造一次性的各种产品或模型。比如建筑设计师就可以把设计图上的原稿通过3D打印机做出建筑模型,而科学家甚至可以直接通过3D打印机来制作高科技产品
( 4 )( 3 )3D打印的样品。
( 3 )资料图片
( 2 )
  英国将3D打印拓展到人类胚胎干细胞范围。

  开栏的话

  各位亲爱的读者,《城市实验室》今天与您见面了。

  “纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。”绚丽缤纷的城市生活中,我们会发现生机盎然的万千气象。新鲜的事物,到底是怎么回事?我们的未来会因此有怎样的改变?让本报记者去体验、去实验,用真实细腻的文字记录下城市里正在发生的一切。

  美国科幻作家罗伯特·希克利曾经写过一个“万能制造机”的故事,故事里的人们带着一台“万能制造机”飞往太空。

  看过电影《十二生肖》的人都会被这一幕所惊叹:成龙扮演的国际大盗用高科技扫描手段获取了国宝兽首的三维数据,远程传输到一台神奇的机器上,瞬间一模一样的铜兽首复制成功。

  尽管“想要什么就生产什么”的现实还远没有小说电影描述的那般轻松随意,但现在,通过3D打印技术生产小零件、食物、自行车、建筑甚至人的皮肤、肾脏等都已不再是天方夜谭。

  究竟3D打印有多神奇?与普通的打印有什么不同?3D打印真的会给制造业带来革命性的变化吗?

  昨日,记者走进了扬州首家提供3D打印技术的西安交大扬州科技园的快速制造国家工程研究中心扬州示范中心动手试验了一下3D打印。

  

  扬州3D打印国内领先

  2012年7月,扬州经济技术开发区西安交通大学扬州科技园一期正式开园,这其中就有“快速制造国家工程研究中心扬州示范中心”。中心由中国工程院院士卢秉恒教授领衔。

  中国3D打印先驱牵手扬州

  西安交通大学教授卢秉恒,被视为国内3D打印业的先驱人物。他1992年赴美做高级访问学者,发现了快速成型技术在汽车制造业中的应用,回国后随即转向研究这一领域,1994年成立先进制造技术研究所。同一时期,华中科技大学等高校也开始参与到相关研究中来,中国的3D打印技术开始踏上了征程。

  从两个数字看扬州水平

  在“快速制造国家工程研究中心扬州示范中心”里,负责人方翔对记者说,经过半年多的运行,目前中心运营情况良好。“西安交大除在扬州设立科技园外,还在苏州、宁波、山东聊城设有科技园,同时向这些地区输出3D打印技术。不过,无论从3D打印出的产品尺寸,还是精度来看,扬州无疑是最先进的。”

  这主要表现在两个方面:首先,是生产设备的空间大。扬州引进的3D打印机,可以打印出600×600×600毫米的实物模型,这样的尺寸在西安交大系统中是最大的。“如果实物的体积超过上述规格,可以通过分段打印,再进行组合。”其次,打印产品的精度可以达到0.1毫米。“相当于一根头发丝的那样,这一指标目前在国内名列前茅。”

  综合来看,方翔认为,“扬州的3D打印在全国处于中高端水平,将极大地提高扬州工业产品设计水平,与最高端中航重机的差距就在于还不能使用钛合金粉末作材料。”

  扬企已近水楼台先得月

  “对于扬州的制造业来说,这将是制造模式的一次革命。”市经济技术开发区相关负责人向记者分析。

  嗅觉灵敏的扬州企业已抢先一步。记者从扬州新菱电器了解到,他们最近设计研发了新的自动复位式断电保护器,并委托“快速制造国家工程研究中心扬州示范中心”“打印”出来,样品让他们非常满意。“最主要的是节省时间,对一个新产品来说,时间比什么都重要。”

  在扬州,除了新菱电器,不少工业企业开始关注3D打印技术,并积极先行先试,抢占先机。这几天,方翔的手机时常能接到各地的咨询电话。“3D打印在生产量少、定制化个性化精密性高的验证型、设计型和传统工艺生产难以完成的产品上最有优势,也适用于初期小批量生产。”方翔告诉记者。

  实验

  两小时打印一个油壶

  记者特地来到“快速制造国家工程研究中心扬州示范中心”,在技术人员的指导下,记者利用3D打印设备,亲手制作了一个10:1比例的油壶。

  如此神奇的技术,过程其实很简单,就是两个步骤:建模和打印。

  第一步骤:建模

  【应用设备】三维扫描仪、计算机辅助设计软件

  【目标】立体变平面

  首先,记者来到反求数据处理室。

  “3D打印的第一个步骤就在这里完成。”技术员袁刚说,无论要打印出什么样的实物模型,都首先要把实物设计成“图纸”。

  在反求数据处理室,有一台电脑,电脑旁则矗立着一个带着三脚架的仪器。“这是三维扫描仪,带有两个红外摄像头。”

  袁刚拿来了一个普通油壶,摆放到三维扫描仪前的垫板上进行拍照。记者看到,油壶身上贴着不少黑色小纸片,垫板上也遍布这样的黑色小纸片。这有什么用呢?

  “这些黑色纸片涂有光敏材料,是物品上的随机坐标点。拍照后,通过与标准坐标点的对比和油壶实物的对比,在两组对比中产生3D数据。”袁刚说,如果没有实物模型,也可以制图,然后通过3D软件生成数据。

  第二步骤:打印

  【应用设备】 激光快速成型机、光敏树脂

  【目标】 平面变立体

  第一步给油壶建模操作完了,将数据传输给3D打印机,然后装好打印材料,开动打印机就可以开始了。这一步骤在激光成型室进行。

  在激光成型室,记者看到,房间中央摆放着一台激光快速成型机,从外观上看,这台机器和普通的复印机并无大的不同,唯一的不同是它们打印时不用纸而是光敏树脂。

  机器的左半部分是个半透明的罩子,右边则有一排控制按钮。掀起罩子,工作区底部是一个“池子”,装满了液态状的材料,“池子”中央还有一个网状的支撑架,而工作区的顶部则悬挂着一个激光发生器探头。

  响应信号声过后,在隆隆作响的打印过程中,透过那个半透明的罩子,记者清晰地看见机器工作的场景:一层白色的粉末均匀撒开,一束红色的光线迅速扫过,一幅精美的画面隐约展现在记者眼前,又是一层白色的粉末均匀地撒过,红色的光线再次扫描,精美的画面再次出现。袁刚告诉记者,白色粉末是一种光敏树脂材料,在计算机控制下激光扫描过的地方树脂就会固化,一次次扫描、一次次固化,层与层之间在激光的作用下实现了逐层堆积,无缝连接。

  可以把这个过程想象成很多张打印纸累加的结果首先就是分层打印,其中每张纸是一个图层,横切面上的图案依靠打印材料构建出来,并被强力黏合,然后,多张纸的不同图层叠加。如果还是不能理解,那就想象一次搭积木的过程。

  “剩下的就是时间问题了!”袁刚说,打印这样一个10厘米高的物体,大约需要2小时。记者看到,在展示架里,摆放着栩栩如生的心脏、建筑构件、各式建筑模型等。

  大约两个小时之后,一个10:1的油壶从激光快速成型机里被取出。

  算账

  一个模型能卖一千多元

  “像这么一个模型差不多就得一千多元吧!”袁刚从样品里拿出了一个水管滴灌的模型指着说。“扬州目前所用的光敏树脂材料已领先于国内大多数3D打印所用的ABS塑料丝所做的材料。光敏树脂材料所打印的实物模型价格为1克20元。”

  对于企业来说很便宜

  “对于一个普通人来说这可能挺贵的,而且购买人群相对很少,但是对于制造企业做这么一个就很便宜了!”袁刚说,因为电脑设计与实物制作有很大的差别,所以一些公司在批量生产产品前,都需要对设计的产品专门进行样品模拟,把实物打出来看看是否存在缺陷,“如果开模具的话,费用少则数万,多则数十上百万,如果后期还要修改,更麻烦,费用也更高,而使用3D打印技术既便宜又方便。”

  打印金属部件,中国也行

  《十二生肖》电影中,成龙通过专业设备将所扫描的铜像进行完美打印。现在扬州是使用光敏树脂材料,打印出来的产品毕竟是塑料的,而工业制造过程中,使用的绝大多数零配件是金属制成品。那么,3D打印技术能打印金属制品吗?

  “国内刚刚研究成金属3D打印技术,是使用钛合金粉末作材料,使用激光打印机打印。而此项技术,以前也一直为外国人垄断。”据了解,国内中航重机不久前刚研制成功钛合金粉末激光3D打印技术,凭此项技术,中航重机获得了国家科学技术奖一等奖。

  也能用其他不同材质

  据袁刚介绍,目前支持3D打印的材料很多。简单说,不同公司生产的3D打印机会支持不同的材料,树脂、尼龙、石膏、塑料这些都是普遍使用的材料,随着业界研发的不断进步,支持钛、不锈钢或铝、铁金属材料的打印机也已经出现。

  “但激光器要有足够的能量,且成本很高。”袁刚说,“不过我们若做金属零件一般采用激光制模和精密铸造联动,先用3D打印工艺做一个铸造模具,然后通过石蜡铸造工艺,生产出所需的金属物件。用这种工艺制造的金属零件的强度要比普通铸件强度高,制造成本也比直接打印金属零件要便宜得多。”

  应用

  前景广阔 问题犹存

  想象一下,将来你家有这样一台打印机,需要杯子的时候,输入外形数据,就可以打印出一只你想要的杯子。

  但是,“神笔马良”,并不是所有人都能做的。 困难一 耗材较贵

  耗材比较贵,如果是进口的设备,国外会控制材料,也就是说,买他们的设备一定要搭配耗材。常用的耗材一般有尼龙、光敏树脂、金属等,便宜的尼龙也要几百元/公斤,而贵的光敏树脂、金属等耗材价格高达2000多元/公斤。

  困难二 兼容性差

  不单耗材,一台3D打印机只能用同类耗材,也制约了产业的发展。“快速制造国家工程研究中心扬州示范中心”这台3D打印机,只能用光敏树脂做耗材,这类3D打印机售价高达两百多万元,金属类的3D打印机售价更需要五六百万元。

  困难三 家庭用户使用门槛高

  记者采访了解到,目前家庭使用的3D打印机已经在市面上出现,但价格昂贵,对使用者知识要求较高,因此其进入普通家庭的门槛比较高。

  一款“入门级”扫描设备价格都在十几万元以上,一台桌面级3D打印机也要两三万元。

  袁刚告诉记者,3D打印技术在我国的应用主要在三个方面,一是高端应用,如航空航天产品,二是中端工业应用,如企业新产品开发。三是民用,如在医疗领域。北京等地已经出现了为大众服务的3D打印照相馆。目前扬州只有20家左右企业及个人前来利用3D打印。由于成本及知名度的原因,此项技术还未大规模推广开来。

  名词解释

  到底什么是3D打印?在“快速制造国家工程研究中心扬州示范中心”,现场的科技人员给记者进行了一回“科普”:通俗地说,3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。

  “我们日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品,而所谓的3D打印机只是打印材料有些不同。”袁刚介绍说,普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物

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