本站原创在前面我们报道了“全国首家3D打印体验馆落户DRC基地”,那么究竟什么是3D打印?3D打印能做什么?设计和3D打印有什么关系?本刊记者再次探访3D打印应用推广的先行者——位于DRC北京工业设计创意产业基地的北京上拓科技有限公司,并结合案例详细介绍下这几个用户最为关心的问题.
什么是3D打印?
3D打印的“学名”、”乳名”、“专业术语”
3D打印又称三维打印,工业上叫快速成型,而最近,行业内部又统一了更规范的专业叫法—增材制造.3D打印可以说是这项技术的“乳名”,“快速成型”可以说是她的“学名”,而“增材制造”便可以理解为她的专业术语.
3D打印的原理
简单来说,3D打印就是指通过可以“打印”出真实物体的3D打印机,采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来最终制造出立体实物.说的稍微专业点就是软件通过电脑辅助设计技术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,而3D打印机会利用原材料将连续的薄型层面逐层堆叠起来,直到一个固态物体成型,所以工业上也叫快速成型,3D打印机也叫快速成型机.由于具体堆叠的形式有多种多样,因此产生了多种3D打印工艺,每种工艺能够打印的材料类型也不相同,如常见的有SLA（激光固化光敏树脂成型）、FDM（熔融挤压堆积成型）、3DP（三维喷涂粘结成型）、SLS（选择性激光烧结成型）、Ployjet（喷墨成型）等.“这五种主流的3D打印工艺我们这里都有设备”北京上拓科技有限公司市场营销总监邵先生指着一排排的机器如是说,“目前3D打印可打印的材料主要有石膏、尼龙、abs塑料、pc、树脂、金属、陶瓷等,3D打印所用的这些原材料都是专门针对3D打印而研发的一种新材料,并不是普通意义的石膏、塑料、树脂,而原材料的形态一般有粉末状、丝状、液体状.”
3D打印工艺详解
熔融挤压堆积成型（FDM—Fused Deposition Modeling）
FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上（通常控制在比熔点高1℃左右）.FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的熔丝材料（丝材直径一般在1.5mm以上）从喷头中挤压出来,凝固形成轮廓形状的薄层.每层厚度范围在0.025～0.,一层叠一层最后形成整个零件模型.
FDM工艺使用的原材料：热塑性材料,如ABS、PC、PLA等,以丝状供料
精度：0.025～0.
特点：
系统构造原理和操作简单
维护成本低,系统运行安全
可以直接用于失蜡铸造
可以成型任意复杂程度的零件
支撑去除简单,无需化学清洗
激光固化光敏树脂成型（SLA—Stereo Lithography Apparatus）
该技术以光敏树脂为原料,将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描,使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应,从而形成零件的一个薄层截面.当一层固化完毕,移动工作台,在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化.新固化的一层牢固地粘合在前一层上,如此重复直到整个零件原型制造完毕.
使用材料：透明色光敏树脂、乳白光敏树脂等.
精度：0.1～0.2mm
特点：
成型过程自动化程度高
尺寸精度高
优良的表面质量
使CAD数字模型直观化,降低错误修复的 成本
加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具
激光烧结（SLS—Se1ected Laser Sintering）
该法采用CO2激光器作能源,目前使用的造型材料多为各种粉未材料.在工作台上均匀铺上一层很薄（100μ～200μ）的粉未,激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结,一层完成后再进行下一层烧结.全部烧结完后去掉多余的粉未,再进行打磨、烘干等处理便获得零件.目前,成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉、金属粉、陶瓷粉.
使用材料：如尼龙、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、
聚碳酸脂、金属和陶瓷粉末等.
特点：
可制作金属制品
可采用多种材料
制作工艺比较简单
无需支撑结构
材料利用率高
三维喷涂粘结成型（3DP—3Dimension Printer）
3DP技术是麻省理工学院发明并申请专利的,由ZCORP公司进行商业化.该项技术自1994年发明并逐步走向市场后,在近三四年时间呈飞速发展趋势.该种成型工艺的原理是将粉末由储存桶送出一定分量,再以滾筒将送出之粉末在加工平台上铺上一层很薄的原料,喷嘴依照3D电脑模型切片后获得的二维层片信喷出黏著剂,黏著粉末.做完一层,加工平台自动下降一点,储存桶上升一点,刮刀由升高了的储存桶把粉末推至工作平台並把粉末推平.再喷黏著剂,如此循环便可得到所要的形状,常用的ZCorp立体打印材料是石膏粉.该种工艺是目前唯一可打印全彩色样件的3D打印工艺.
使用材料：粉末材料,如石膏粉末.
精度：0.013～0.1mm
特点：
成形速度快,成形材料低
可以制作彩色原型
粉末在成形过程中起支撑作用,且成形结束后,比较容易去除
喷墨技术工艺（Ployjet）
沿着X轴前后滑动,在成型室里铺上一层超薄的光敏树脂.每铺完一层后,喷头架边上的紫外光球立即发射紫外光,快速固化和硬化每层光敏树脂.这一步骤减少了使用其他技术所需的后处理过程.每打印完一层,机器内部的成型底盘就会极为精确地下沉,而喷头继续一层一层地工作,直到原型件完成.成型时使用了两种不同的光敏树脂材料：一种是用来成型实体部件的成型材料,另一种类胶体的用来支撑部件的支撑材料. 使用材料：光敏树脂聚合材料
精度：0.1mm
特点：
打印出高质量、高细节的3D模型
缩短设计周期和降低研发成本
材料选择范围广
简易的支撑移除
3D打印材料介绍
工程塑料
指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料,是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料.
● PC材料,是真正的热塑性材料,具备工程塑料的所有特性.高强度,耐高温,抗冲击,抗弯曲,可以作为最终零部件使用,应用于交通工具及家电行业.
● PC-ISO材料,是一种通过医学卫生认证的热塑性材料,广泛应用于药品及医疗器械行业,可以用于手术模拟,颅骨修复,牙科等专业领域.
● PC-ABS材料,是一种应用最广泛的热塑性工程塑料,应用于汽车,家电及通信行业.
光敏树脂
即是UV树脂,由聚合物单体与预聚体组成,其中加有光（紫外光）引发剂（或称为光敏剂）.在一定波长的紫外光（250-300纳米）照射下立刻引起聚合反应完成固化.一般为液态,一般用于制作高强度、耐高温、防水等的材料.
● Somos 19120材料为粉红色材质,铸造专用材料.成型后直接代替精密铸造的蜡膜原型,避免开模具的风险,大大缩短周期. 拥有低留灰烬和高精度等特点.
● Somos 11122材料为半透明材质,类ABS材料.抛光后能做到近似透明的艺术效果.此种材料广泛用于医学研究、工艺品制作和工业设计等行业.
● Somos Next材料为白色材质,类PC新材料,材料韧性较好,精度和表面质量更佳,制作的部件拥有最先进的刚性和韧性结合.
另外3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料,可登陆叁迪网查看详细材料介绍.
3D打印能做什么
当前,许多人认为做3D打印必须得有三维扫描仪,其实这是一个大大的误区.三维扫描仪只是3D打印的一种辅助手段,3D打印的三维数字模型大致来源于两种：一种是复制现实中已有的物品或人物,一种是现实中本不存在的,用三维设计软件直接设计出来的.只有前者是需要用到三维扫描仪的.如下面的个性花瓶便是现实中本不存在的,人物立体模型则是现实中的真人.
3D打印在个性化产品写作领域的应用
个性花瓶的诞生
走进北京上拓科技有限公司位于无锡的设计团队工作室,可以看到几位设计师在电脑面前,飞快的滑动着鼠标,手机、汽车、家电等产品模型便在电脑里一点点的现出雏形.这个花瓶其实最初也是这样画出来的,只要是能设计3D模型的设计软件都可以,只不过最终用于3D打印的数据格式有特殊要求,一般都是STL格式,另有zbd、ply、wrl等彩色数据格式,所以要把设计的三维数据转成3D打印机所支持的格式.
获得一个完整的3D打印数据格式后,直接把其输送到3D打印机或用u盘把数据拷贝到和3D打印机连接的电脑里,用3D打印机自带的操作软件把它打开,然后根据三维数据的特点和成型工艺的特点选择最佳的数据摆放姿势,再通过几步“傻瓜式”的操作,3D打印机便可自动进行3D打印.
许多人会问到3D打印机的工作效率,即打印一个东西到底需要多长时间.其实这个在没有3D数据之前是无法准确界定的.3D打印的时间取决于3D数据的体积和所选择的打印工艺.同样一个10cm高的物件,如果是空心的,那么会比实心的更快完成打印,如果选择3DP工艺,会比使用FDM工艺更快完成打印制作.但毫无疑问,在小批量生产上,它肯定比传统工艺制造速度要快得多的多.如图示的花瓶,采用3DP工艺的打印时间是6个小时.
这只是三维扫描技术和3D打印技术相结合的一个简单应用,在文物、古董修复,艺术品复制以及工业领域的逆向工程、三维扫描检测中,三维扫描技术和3D打印技术都有着十分重要的应用.
“ 其实上面讲的只是3D打印在个性产品写作领域的一些应用,目前这部分应用在国内整个3D打印产业中所占的比例基本可以忽略不计,也只有北京上拓科技有限公司在国内率先推出了第一个面向一般消费者领域的个性化写作平台——叁迪网及其线下体验店——3D打印体验馆.”邵先生如是说.这一块市场目前少有公司去做,主要还是因为当前3D打印的成本比较高,包括材料成本、设备成本、人工成本等.对公司来讲,定价可能已经是亏损的了,但对于一般消费者来说,大多仍然觉得难以接受.“但我们认为这是一个有着巨大发展空间的市场,而随着技术的发展,3D打印的成本也将会越来越低,也将能更好的满足用户的个性化写作需求,我们相信会有更多的公司加入到这块市场!”邵先生充满自信的说.
3D打印在工业领域的应用
相比较面向一般消费者的个性写作应用,3D打印在工业领域的应用却早已发展多年.“有的人认为这是一个最近才出现的新技术,其实早在上个世纪八十年代就已经出现3D打印技术,我们公司也做了十年了,只不过之前的发展方向主要是在工业领域.”邵先生指着另一间摆放着各种工业零部件的展台介绍说.经过了解,得知目前在国内,3D打印技术在工业领域的应用主要还是用于产品研发过程中的设计验证,如在进行批量生产之前,进行产品评估,及时发现产品设计中存在的问题；功能测试,如可模拟产品真实工作情况,进行装配、干涉检查、功能试验；可制造性、装配性检验,如可事先验证零件的可制造性、零件之间的相互关系以及部件的可装配性；模具制造,如由3D打印出真空铸造件和熔模铸造件的母模、注塑模等,与传统制造工艺相结合；小批量生产,3D打印出的产品可成为最终零部件,进行小批量生产.
3D打印技术的魅力在于它不需要在工厂进行操作,仅仅用桌面上的3D打印机就可以打印出小物品.而自行车车架、汽车、家电、电子消费品甚至飞机的零部件等大物品,则需要工业级的更大的打印机和更大的放置空间.这一技术如今在多个领域得到应用,企业借助于3D打印机进行产品研发极大的降低了研发成本、缩短了研发周期；人们用它来打印游戏动漫里的形象、身体器官、检测牙检测肢、个性创意灯罩、时尚首饰、个性服装、写作球靴、复杂建筑模型、汽车、飞机、家电、手机、巧克力甜品等等,北京更是开设了中国首家3D照相馆,可以打印真人!“我相信随着3D打印技术的发展,将会有越来越多的新工艺、新材料、新装备的出现,3D打印也将能更好的满足用户的所有个性写作需求,而在工业领域则更好的实现设计到产品的直接制造!”邵先生如是说.