工業(yè)設(shè)計前沿信息

1、工業(yè)設(shè)計前沿信息新技術(shù)（3D打印技術(shù)）3D打印即快速成型技術(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)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被 用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。 該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、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、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。發(fā)展歷史3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新 快速成型裝置。它與普通打印工作原

2、理基本相同，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”， 與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成 實物。這打印技術(shù)稱為3D立體打印技術(shù)。1986年，Charles Hull開發(fā)了第一臺商業(yè)3D印刷機。1993年，麻省理工學(xué)院獲3D印刷技術(shù)專利。1995年，美國ZCorp公司從麻省理工學(xué)院獲得唯一授權(quán)并開始開發(fā)3D打印機。2005年，市場上首個高清晰彩色3D打印機Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。2010年11月，世界上第一輛由3D打印機打印而成的汽車Urbee問世。2011年6月6日，發(fā)布了全球第一款3D打印的比基尼。2011年7月，英國研

3、究人員開發(fā)出世界上第一臺3D巧克力打印機。2011年8月，南安普敦大學(xué)的工程師們開發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機。2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家利用人體細胞首次用3D打印機打印出人造肝臟組織。2013年10月，全球首次成功拍賣一款名為“ONO之神”的3D打印藝術(shù)品。2013年11月，美國德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司“固體概念”（SolidConcepts）設(shè) 計制造出3D打印金屬手槍。原理技術(shù)日常生活中使用的普通打印機可以打印電腦設(shè)計的平面物品，而所謂的3D打印機與普 通打印機工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機的打印材料是墨水和紙張， 而3D打印機內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等

4、不同的“打印材料”，是實實在在的原材料， 打印機與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上 的藍圖變成實物。通俗地說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設(shè)備，比如 打印一個機器人、打印玩具車，打印各種模型，甚至是食物等等。之所以通俗地稱其為“打 印機”是參照了普通打印機的技術(shù)原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。這項打 印技術(shù)稱為3D立體打印技術(shù)。23D打印存在著許多不同的技術(shù)。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同 層構(gòu)建創(chuàng)建部件。6 3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、 鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材

5、料。類型累積技術(shù)基本材料擠壓熔融沉積式（FDM）熱塑性塑料，共晶系統(tǒng)金屬、可食用材料線電子束自由成形制造（EBF）幾乎任何合金直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）幾乎任何合金電子束熔化成型（EBM）鈦合金粒狀選擇性激光熔化成型（SLM）鈦合金，鉆銘合金，不銹鋼，鋁選擇性熱燒結(jié)（SHS）熱塑性粉末選擇性激光燒結(jié)（SLS）熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末粉末層噴頭3D打印石膏3D打?。≒P）石膏層壓分層實體制造（LOM）紙、金屬膜、塑料薄膜光聚合立體平板印刷（SLA）光硬化樹脂數(shù)字光處理（DLP）光硬化樹脂6打印過程（1）三維設(shè)計三維打印的設(shè)計過程是：先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐

6、層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機逐層打印。設(shè)計軟件和打印機之間協(xié)作的標準文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用三角面 來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一種通過掃描產(chǎn)生的 三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經(jīng)常被用作全彩打印的輸入文件（2）切片處理打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地 打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術(shù)的特點在于其 幾乎可以造出任何形狀的物品。打印機打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi （像 素每英寸）或者微米來計算的。一

7、般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機如 ObjetConnex系列還有三維Systems ProJet系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方 向則可以打印出跟激光打印機相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100 個微米。用傳統(tǒng)方法制造出一個模型通常需要數(shù)小時到數(shù)天，根據(jù)模型的尺寸以及復(fù)雜程 度而定。而用三維打印的技術(shù)則可以將時間縮短為數(shù)個小時，當然其是由打印機的性能以及 模型的尺寸和復(fù)雜程度而定的。傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術(shù)則可 以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對較少的產(chǎn)品。一個桌面尺寸的三維打 印機就

8、可以滿足設(shè)計者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。（3）完成打印三維打印機的分辨率對大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖 像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當前的三維打印機打 出稍大一點的物體，再稍微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技術(shù)可以同時使用多種材料進行打印。有些技術(shù)在打印的過程中還會用到支撐物， 比如在打印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為 支撐物。限制因素（1）材料的限制雖然高端工業(yè)印刷可以實現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但無法實現(xiàn)打印的材料都 是比較昂貴和稀缺的。另外，打印機也還沒有達

9、到成熟的水平，無法支持日常生活中所接觸 到的各種各樣的材料。研究者們在多材料打印上已經(jīng)取得了一定的進展，但除非這些進展達到成熟并有效，否 則材料依然會是3D打印的一大障礙。（2）機器的限制3D打印技術(shù)在重建物體的幾何形狀和機能上已經(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，但是那些運動的物體和它們的清晰度就難以實現(xiàn)了。這個困難對 于制造商來說也許是可以解決的，但是3D打印技術(shù)想要進入普通家庭，每個人都能隨意打 印想要的東西，那么機器的限制就必須得到解決才行。（3）知識產(chǎn)權(quán)的憂慮在過去的幾十年里，音樂、電影和電視產(chǎn)業(yè)中對知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)注變得越來越多。3D打 印技術(shù)也會涉及到這一問題，

10、因為現(xiàn)實中的很多東西都會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)用來保護知識產(chǎn)權(quán)，也是 我們面臨的問題之一，否則就會出現(xiàn)泛濫的現(xiàn)象。（4）道德的挑戰(zhàn)道德是底線。什么樣的東西會違反道德規(guī)律是很難界定的，如果有人打印出生物器官和 活體組織，在不久的將來會遇到極大的道德挑戰(zhàn)。（5）花費的承擔3D打印技術(shù)需要承擔的花費是高昂的。第一臺3D打印機的售價為1萬5。如果想要普 及到大眾，降價是必須的，但又會與成本形成沖突。每一種新技術(shù)誕生初期都會面臨著這些類似的障礙，但相信找到合理的解決方案3D打 印技術(shù)的發(fā)展將會更加迅速，就如同任何渲染軟件一樣，不斷地更新才能達到最終的完善。社會評價3D打印技術(shù)是無法應(yīng)用于大量生產(chǎn)，所以有些專家鼓吹3D打印是第三次工業(yè)革命，這 個說法只是個噱頭。富士康為蘋果代工生產(chǎn)iPhone已經(jīng)多年。郭臺銘以3D打印制造的手機 為例，說明3D打印的產(chǎn)品只能看不能用，因為這些產(chǎn)品上不能加上電子元器件，無法為電 子產(chǎn)品量產(chǎn)。3D打印即使不生產(chǎn)電