3D Printers

　　3D打印機(jī)（3DPrinters）是一位名為恩里科·迪尼（EnricoDini）的發(fā)明家設(shè)計(jì)的一種神奇的打印機(jī)，它不僅可以“打印”出一幢完整的建筑，甚至可以在航天飛船中給宇航員打印任何所需的物品的形狀。2013年5月22日，NASA已選中總部位于得克薩斯州的系統(tǒng)和材料研究公司，向其投資12.5萬(wàn)美元，研發(fā)能為宇航員制造“營(yíng)養(yǎng)可口”食品的3D打印機(jī)。

　　一、基本概述

　　3D打印機(jī)，即快速成形技術(shù)的一種機(jī)器，它是一種數(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，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。過去其常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，意味著這項(xiàng)技術(shù)正在普及。

　　它的原理是：把數(shù)據(jù)和原料放進(jìn)3D打印機(jī)中，機(jī)器會(huì)按照程序把產(chǎn)品一層層造出來。打印出的產(chǎn)品，可以即時(shí)使用。通過3D打印機(jī)也可以打印出食物。這也是大多吃貨所關(guān)心的3D打印機(jī)未來的發(fā)展方向。

　　二、技術(shù)原理

　　3D打印并非是新鮮的技術(shù)，這個(gè)思想起源于19世紀(jì)末的美國(guó)，并在20世紀(jì)80年代得以發(fā)展和推廣。中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟把它稱作“上上個(gè)世紀(jì)的思想，上個(gè)世紀(jì)的技術(shù)，這個(gè)世紀(jì)的市場(chǎng)”。三維打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)。這種打印機(jī)的產(chǎn)量以及銷量在二十一世紀(jì)以來就已經(jīng)得到了極大的增長(zhǎng)，其價(jià)格也正逐年下降。
　　使用打印機(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，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。

　　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)噴涂在鑄模托盤上，此涂層然后被置于紫外線下進(jìn)行處理。之后鑄模托盤下降極小的距離，以供下一層堆疊上來。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，然后通過沉積塑料纖維的方式才形成薄層。

　　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[2]托盤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。當(dāng)遇到包含孔洞及懸臂這樣的復(fù)雜結(jié)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)種類多樣，從繁多的塑料到金屬、陶瓷以及橡膠類物質(zhì)。有些打印機(jī)還能結(jié)合不同介質(zhì)，令打印出來的物體一頭堅(jiān)硬而另一頭柔軟。

　　三、發(fā)展歷史

　　3D打印源自100多年前美國(guó)研究的照相雕塑和地貌成形技術(shù)，上世紀(jì)80年代已有雛形，其學(xué)名為“快速成型”在20世紀(jì)80年代中期，SLS被在美國(guó)得克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校的卡爾Deckard博士開發(fā)出來并獲得專利，項(xiàng)目由DARPA贊助的。1979年，類似過程由RFHousholder得到專利，但沒有被商業(yè)化。

　　1995年，麻省理工創(chuàng)造了“三維打印”一詞，當(dāng)時(shí)的畢業(yè)生JimBredt和TimAnderson修改了噴墨打印機(jī)方案，變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末床的解決方案，而不是把墨水?dāng)D壓在紙張上的方案。

　　說到3D打印，就不得不提3D打印機(jī)3D打印機(jī)又稱三維打印機(jī)，是一種累積制造技術(shù)，通過打印一層層的粘合材料來制造三維的物體。現(xiàn)階段三維打印機(jī)被用來制造產(chǎn)品。2003年以來三維打印機(jī)的銷售逐漸擴(kuò)大，價(jià)格也開始下降。

　　該技術(shù)可用于珠寶，鞋類，工業(yè)設(shè)計(jì)，建筑，工程和施工（AEC），汽車，航空航天，牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)，教育，地理信息系統(tǒng)，土木工程，和許多其他領(lǐng)域。
　　最早的3D打印出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)的80年代，價(jià)格極其昂貴且所能打印的產(chǎn)品數(shù)量也少得可憐。

　　3D打印技術(shù)的核心制造思想最早起源于19世紀(jì)末的美國(guó)，到20世紀(jì)80年代后期3D打印技術(shù)發(fā)展成熟并被廣泛應(yīng)用。3D打印是科技融合體模型中最新的高“維度”的體現(xiàn)之一，據(jù)報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家發(fā)明了一種可打印出三維效果的打印機(jī)，并已將其成功推向市場(chǎng)。普通打印機(jī)能打印一些報(bào)告等平面紙張資料。而這種最新發(fā)明的打印機(jī)，它不僅使立體物品的造價(jià)降低，且激發(fā)了人們的想象力。未來3D打印機(jī)的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

　　在此之前，三維打印機(jī)數(shù)量很少，大多集中在“科學(xué)怪人”和電子產(chǎn)品愛好者手中。他們主要用來打印像珠寶、玩具、工具、廚房用品之類的東西。甚至有汽車專家打印出了汽車零部件，然后根據(jù)塑料模型去訂制真正市面上買到的零部件。人們可以在一些電子產(chǎn)品商店購(gòu)買到這類打印機(jī)，工廠也在進(jìn)行直接銷售。不過物以稀為貴，一套三維打印機(jī)的價(jià)格從一般的750美元到上等質(zhì)量的27000美元不等。

　　科學(xué)家們表示，三維打印機(jī)的使用范圍還很有限，不過在未來的某一天人們一定可以通過3D打印機(jī)打印出更實(shí)用的物品。[1]3D打印帶來了世界性制造業(yè)革命，以前是部件設(shè)計(jì)完全依賴于生產(chǎn)工藝能否實(shí)現(xiàn)，而3D打印機(jī)的出現(xiàn)，將會(huì)顛覆這一生產(chǎn)思路，這使得企業(yè)在生產(chǎn)部件的時(shí)候不再考慮生產(chǎn)工藝問題，任何復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)均可以通過3D打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)。它無需機(jī)械加工或模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體，從而極大地所縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)率。盡管仍有待完善，但3D打印技術(shù)市場(chǎng)潛力巨大，勢(shì)必成為未來制造業(yè)的眾多突破技術(shù)之一。

　　四、發(fā)展前景

　　1、價(jià)格因素
　　大多數(shù)桌面級(jí)3D打印機(jī)的售價(jià)在2萬(wàn)元人民幣左右，一些國(guó)內(nèi)的仿制品價(jià)格可以低到6000元。但是據(jù)3D打印機(jī)代理商透露，國(guó)產(chǎn)的3D打印機(jī)雖然價(jià)格低，但質(zhì)量很難保障。

　　對(duì)于桌面級(jí)3D打印機(jī)來說，由于僅能打印塑料產(chǎn)品，因此使用范圍非常有限，而且對(duì)于家庭用戶來說，3D打印機(jī)的使用成本仍然很高。因?yàn)樵诖蛴∫粋€(gè)物品之前，人們必須會(huì)懂得3D建模，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)能夠讀取的格式，最后再進(jìn)行打印。

　　3D打印不是一項(xiàng)高深艱難的技術(shù)。它與普通打印的區(qū)別就在于打印材料。

　　以色列的Object是掌握最多打印材料的公司。它已經(jīng)可以使用14種基本材料并在此基礎(chǔ)上混搭出107種材料，兩種材料的混搭使用、上色也已經(jīng)是現(xiàn)實(shí)。但是，這些材料種類與人們生活的大千世界里的材料相比，還相差甚遠(yuǎn)。不僅如此，這些材料的價(jià)格便宜的幾百元一公斤，最貴的要四萬(wàn)元左右。

　　3、社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)成本

　　如同核反應(yīng)既能發(fā)電，又能破壞一樣。3D打印技術(shù)在初期就讓人們看到了一系列隱憂，而未來的發(fā)展也會(huì)令不少人擔(dān)心。如果什么都能徹底復(fù)制，想到什么就能制造出什么，聽上去很美的同時(shí)，也著實(shí)讓人恐懼。

　　4.著名的3D打印悖論

　　3d打印是一層層來制作物品，如果想把物品制作的更精細(xì)，則需要每層厚度減?。蝗绻胩岣叽蛴∷俣?，則需要增加層厚，而這勢(shì)必影響產(chǎn)品的精度質(zhì)量。若生產(chǎn)同樣精度的產(chǎn)品，同傳統(tǒng)的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)相比，沒有成本上的優(yōu)勢(shì)，尤其是考慮到時(shí)間成本，規(guī)模成本之后。

　　5.整個(gè)行業(yè)沒有標(biāo)準(zhǔn)，難以形成產(chǎn)業(yè)鏈

　　21世紀(jì)3d打印機(jī)生產(chǎn)商是百花齊放。3D打印機(jī)缺乏標(biāo)準(zhǔn)，同一個(gè)3d模型給不同的打印機(jī)打印，所得到的結(jié)果是大不相同的。此外，打印原材料也缺乏標(biāo)準(zhǔn)，2012-2013年3d打印機(jī)廠商都想讓消費(fèi)者買自己提供的打印原料，這樣他們能獲取穩(wěn)定的收入。這樣做雖然可以理解，畢竟普通打印機(jī)也走這一模式，但3d打印機(jī)生產(chǎn)商所用的原料一致性太差，從形式到內(nèi)容千差萬(wàn)別，這讓材料生產(chǎn)商很難進(jìn)入，研發(fā)成本和供貨風(fēng)險(xiǎn)都很大，難以形成產(chǎn)業(yè)鏈。表面上是3D打印機(jī)捆綁了3D打印材料，事實(shí)上卻是材料捆綁了打印機(jī)，非常不利于降低成本和抵抗風(fēng)險(xiǎn)。

　　6.意料之外的工序：3d打印前所需的準(zhǔn)備工序，打印后的處理工序

　　很多人可能以為3d打印就是電腦上設(shè)計(jì)一個(gè)模型，不管多復(fù)雜的內(nèi)面，結(jié)構(gòu)，摁一下按鈕，3d打印機(jī)就能打印一個(gè)成品。這個(gè)印象確實(shí)不正確。真正設(shè)計(jì)一個(gè)模型，特別是一個(gè)復(fù)雜的模型，需要大量的工程，結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)，需要精細(xì)的技巧，并根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。用塑料熔融打印來舉例，如果在一個(gè)復(fù)雜部件內(nèi)部沒有設(shè)計(jì)合理的支撐，打印的結(jié)果很可能是會(huì)變形的。后期的工序也通常避免不了。媒體將3d打印描述成打印完畢就能直接使用的神器?？墒聦?shí)上制作完成后還需要一些后續(xù)工藝：或打磨，或燒結(jié)，或組裝，或切割，這些過程通常需要大量的手工工作。

　　7.缺乏殺手锏產(chǎn)品及設(shè)計(jì)

　　都說3d打印能給人們巨大的生產(chǎn)自由度，能生產(chǎn)前所未有的東西?？芍钡?012年，這種“殺手”級(jí)別的產(chǎn)品還很少，幾乎沒有。做些小規(guī)模的飾品，藝術(shù)品是可以的，做逆向工程也可以的，但要談到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，3d打印還不能取代傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式。如果3d打印能生產(chǎn)別的工藝所不能生產(chǎn)的產(chǎn)品，而這種產(chǎn)品又能極大提高某些性能，或能極大改善生活的品質(zhì)，這樣或許能更快的促進(jìn)3d打印機(jī)的普及?？?012-2013年3d打印機(jī)這方面并不盡如人意。