何為3D打印技術

傳統(tǒng)打印機打印出的是圖紙，3D打印機打印出的正是各種實物模型。3D打印技術發(fā)明于上世紀80年代，但它并不是高科技實驗室的產(chǎn)物，而是來自一位父親的家用工作室。目前全球最大3D打印設備商是美國的Stratasys，其創(chuàng)始人斯科特·克倫普在1988年為他女兒做一個玩具青蛙，學過機械工程、做過焊接工作的克倫普決定把聚乙烯、燭蠟混合物裝進噴膠槍，一層一層堆疊做出青蛙形狀，Stratasys3D打印技術FDM（熔融沉積成型）正是由此發(fā)展而來。

3D打印特點

3D打印技術對于生產(chǎn)者來說，可大幅降低生產(chǎn)成本，提高原材料和能源的使用效率，減少對環(huán)境的影響，它還使消費者能根據(jù)自己的需求量身定制產(chǎn)品3D打印機既不需要用紙，也不需要用墨，而是通過電子制圖、遠程數(shù)據(jù)傳輸、激光掃描、材料熔化等一系列技術，使特定金屬粉或者記憶材料熔化，并按照電子模型圖的指示一層層重新疊加起來，最終把電子模型圖變成實物。其優(yōu)點是大大節(jié)省工業(yè)樣品制作時間，且可以“打印”造型復雜的產(chǎn)品。因此許多專家認為，這種技術代表制造業(yè)發(fā)展新趨勢。

3D打印原理

3D打印是添加劑制造技術的一種形式，在添加劑制造技術中三維對象是通過連續(xù)的物理層創(chuàng)建出來的。3D打印機相對于其他的添加劑制造技術而言，具有速度快，價格便宜，高易用性等優(yōu)點。

3D打印機就是可以“打印”出真實3D物體的一種設備，功能上與激光成型技術一樣，采用分層加工、迭加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實體，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術完全不同。稱之為“打印機”是參照了其技術原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。隨著這項技術的不斷進步，我們已經(jīng)能夠生產(chǎn)出與原型的外觀、感覺和功能極為接近的3D模型。說的簡單一點，3D打印是斷層掃描的逆過程，斷層掃描是把某個東西“切“成無數(shù)疊加的片，3D打印就是一片一片的打印，然后疊加到一起，成為一個立體物體。使用3D打印機就像打印一封信：輕點電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數(shù)字文件便被傳送到一臺噴墨打印機上，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，軟件通過電腦輔助設計技術（CAD）完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機上，后者會將連續(xù)的薄型層面堆疊起來，直到一個固態(tài)物體成型。3D打印機與傳統(tǒng)打印機最大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實實在在的原材料。

3D打印機應用

3D打印機的應用對象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。以色列的Objet公司認為，3D打印機需求量較大的行業(yè)包括政府、航天和國防、醫(yī)療設備、高科技、教育業(yè)以及制造業(yè)。

3D打印機價格

任何一款新設備要推廣普及，必須擁有一個親民的價格，這也正是3D打印機難以走入家庭的重要原因。最早的Stratasys3D打印機每臺售價高達13萬美元，別說家庭用戶，就連企業(yè)用戶也對這個售價高昂的新家伙無人問津，Stratasys在成立三年后才賣出自己的第一臺3D打印機。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，如今3D打印機早已不是當初的價格，雖然一些用于工業(yè)設計、精密程度非常高的3D打印機價格仍然不菲，但作為普通設計公司乃至家庭用戶使用的桌面式3D打印機，國外品牌售價基本在2萬-5萬元不等，而國產(chǎn)3D打印機售價已經(jīng)來到萬元以下。

3D打印機未來有望熱銷

Stratasys中國區(qū)總經(jīng)理汪祥艮介紹，3D打印機主要有四個方面的應用：一是概念模型，藝術家搞概念的東西，形狀、外體什么樣；第二就是結構和外觀的測試或者是實驗；第三個是一些功能性的測試；第四是直接制造。

過去的十幾年里，3D打印技術的主要使用者是設計師、工程師和科學家，3D打印機可以幫助他們制造一次性的各種產(chǎn)品或模型。比如建筑設計師就可以把設計圖上的原稿通過3D打印機做出建筑模型，而科學家甚至可以直接通過3D打印機來制作高科技產(chǎn)品
( 4 )( 3 )3D打印的樣品。
( 3 )資料圖片
( 2 )
　　英國將3D打印拓展到人類胚胎干細胞范圍。

　　開欄的話

　　各位親愛的讀者，《城市實驗室》今天與您見面了。

　　“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行�！苯k麗繽紛的城市生活中，我們會發(fā)現(xiàn)生機盎然的萬千氣象。新鮮的事物，到底是怎么回事？我們的未來會因此有怎樣的改變？讓本報記者去體驗、去實驗，用真實細膩的文字記錄下城市里正在發(fā)生的一切。

　　美國科幻作家羅伯特·�？死�曾經(jīng)寫過一個“萬能制造機”的故事，故事里的人們帶著一臺“萬能制造機”飛往太空。

　　看過電影《十二生肖》的人都會被這一幕所驚嘆：成龍扮演的國際大盜用高科技掃描手段獲取了國寶獸首的三維數(shù)據(jù)，遠程傳輸?shù)揭慌_神奇的機器上，瞬間一模一樣的銅獸首復制成功。

　　盡管“想要什么就生產(chǎn)什么”的現(xiàn)實還遠沒有小說電影描述的那般輕松隨意，但現(xiàn)在，通過3D打印技術生產(chǎn)小零件、食物、自行車、建筑甚至人的皮膚、腎臟等都已不再是天方夜譚。

　　究竟3D打印有多神奇？與普通的打印有什么不同？3D打印真的會給制造業(yè)帶來革命性的變化嗎？

　　昨日，記者走進了揚州首家提供3D打印技術的西安交大揚州科技園的快速制造國家工程研究中心揚州示范中心動手試驗了一下3D打印。

　　

　　揚州3D打印國內(nèi)領先

　　2012年7月，揚州經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)西安交通大學揚州科技園一期正式開園，這其中就有“快速制造國家工程研究中心揚州示范中心”。中心由中國工程院院士盧秉恒教授領銜。

　　中國3D打印先驅牽手揚州

　　西安交通大學教授盧秉恒，被視為國內(nèi)3D打印業(yè)的先驅人物。他1992年赴美做高級訪問學者，發(fā)現(xiàn)了快速成型技術在汽車制造業(yè)中的應用，回國后隨即轉向研究這一領域，1994年成立先進制造技術研究所。同一時期，華中科技大學等高校也開始參與到相關研究中來，中國的3D打印技術開始踏上了征程。

　　從兩個數(shù)字看揚州水平

　　在“快速制造國家工程研究中心揚州示范中心”里，負責人方翔對記者說，經(jīng)過半年多的運行，目前中心運營情況良好�！拔靼步淮蟪�在揚州設立科技園外，還在蘇州、寧波、山東聊城設有科技園，同時向這些地區(qū)輸出3D打印技術。不過，無論從3D打印出的產(chǎn)品尺寸，還是精度來看，揚州無疑是最先進的�！�

　　這主要表現(xiàn)在兩個方面：首先，是生產(chǎn)設備的空間大。揚州引進的3D打印機，可以打印出600×600×600毫米的實物模型，這樣的尺寸在西安交大系統(tǒng)中是最大的。“如果實物的體積超過上述規(guī)格，可以通過分段打印，再進行組合�！逼浯危�打印產(chǎn)品的精度可以達到0.1毫米�！跋喈斢谝桓�頭發(fā)絲的那樣，這一指標目前在國內(nèi)名列前茅�！�

　　綜合來看，方翔認為，“揚州的3D打印在全國處于中高端水平，將極大地提高揚州工業(yè)產(chǎn)品設計水平，與最高端中航重機的差距就在于還不能使用鈦合金粉末作材料�！�

　　揚企已近水樓臺先得月

　　“對于揚州的制造業(yè)來說，這將是制造模式的一次革命�！笔薪�(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)相關負責人向記者分析。

　　嗅覺靈敏的揚州企業(yè)已搶先一步。記者從揚州新菱電器了解到，他們最近設計研發(fā)了新的自動復位式斷電保護器，并委托“快速制造國家工程研究中心揚州示范中心”“打印”出來，樣品讓他們非常滿意�！白钪饕�的是節(jié)省時間,對一個新產(chǎn)品來說，時間比什么都重要�！�

　　在揚州，除了新菱電器，不少工業(yè)企業(yè)開始關注3D打印技術，并積極先行先試，搶占先機。這幾天，方翔的手機時常能接到各地的咨詢電話。“3D打印在生產(chǎn)量少、定制化個性化精密性高的驗證型、設計型和傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)難以完成的產(chǎn)品上最有優(yōu)勢，也適用于初期小批量生產(chǎn)。”方翔告訴記者。

　　實驗

　　兩小時打印一個油壺

　　記者特地來到“快速制造國家工程研究中心揚州示范中心”，在技術人員的指導下，記者利用3D打印設備，親手制作了一個10:1比例的油壺。

　　如此神奇的技術，過程其實很簡單，就是兩個步驟：建模和打印。

　　第一步驟：建模

　　【應用設備】三維掃描儀、計算機輔助設計軟件

　　【目標】立體變平面

　　首先，記者來到反求數(shù)據(jù)處理室。

　　“3D打印的第一個步驟就在這里完成�！奔夹g員袁剛說，無論要打印出什么樣的實物模型，都首先要把實物設計成“圖紙”。

　　在反求數(shù)據(jù)處理室，有一臺電腦，電腦旁則矗立著一個帶著三腳架的儀器�！斑@是三維掃描儀，帶有兩個紅外攝像頭。”

　　袁剛拿來了一個普通油壺，擺放到三維掃描儀前的墊板上進行拍照。記者看到，油壺身上貼著不少黑色小紙片，墊板上也遍布這樣的黑色小紙片。這有什么用呢？

　　“這些黑色紙片涂有光敏材料，是物品上的隨機坐標點。拍照后，通過與標準坐標點的對比和油壺實物的對比，在兩組對比中產(chǎn)生3D數(shù)據(jù)�！痹瑒傉f，如果沒有實物模型，也可以制圖，然后通過3D軟件生成數(shù)據(jù)。

　　第二步驟：打印

　　【應用設備】 激光快速成型機、光敏樹脂

　　【目標】 平面變立體

　　第一步給油壺建模操作完了，將數(shù)據(jù)傳輸給3D打印機，然后裝好打印材料，開動打印機就可以開始了。這一步驟在激光成型室進行。

　　在激光成型室，記者看到，房間中央擺放著一臺激光快速成型機，從外觀上看，這臺機器和普通的復印機并無大的不同，唯一的不同是它們打印時不用紙而是光敏樹脂。

　　機器的左半部分是個半透明的罩子，右邊則有一排控制按鈕。掀起罩子，工作區(qū)底部是一個“池子”，裝滿了液態(tài)狀的材料，“池子”中央還有一個網(wǎng)狀的支撐架，而工作區(qū)的頂部則懸掛著一個激光發(fā)生器探頭。

　　響應信號聲過后，在隆隆作響的打印過程中，透過那個半透明的罩子，記者清晰地看見機器工作的場景：一層白色的粉末均勻撒開，一束紅色的光線迅速掃過，一幅精美的畫面隱約展現(xiàn)在記者眼前，又是一層白色的粉末均勻地撒過，紅色的光線再次掃描，精美的畫面再次出現(xiàn)。袁剛告訴記者，白色粉末是一種光敏樹脂材料，在計算機控制下激光掃描過的地方樹脂就會固化，一次次掃描、一次次固化，層與層之間在激光的作用下實現(xiàn)了逐層堆積，無縫連接。

　　可以把這個過程想象成很多張打印紙累加的結果首先就是分層打印，其中每張紙是一個圖層，橫切面上的圖案依靠打印材料構建出來，并被強力黏合，然后，多張紙的不同圖層疊加。如果還是不能理解，那就想象一次搭積木的過程。

　　“剩下的就是時間問題了！”袁剛說，打印這樣一個10厘米高的物體，大約需要2小時。記者看到，在展示架里，擺放著栩栩如生的心臟、建筑構件、各式建筑模型等。

　　大約兩個小時之后，一個10:1的油壺從激光快速成型機里被取出。

　　算賬

　　一個模型能賣一千多元

　　“像這么一個模型差不多就得一千多元吧！”袁剛從樣品里拿出了一個水管滴灌的模型指著說�！皳P州目前所用的光敏樹脂材料已領先于國內(nèi)大多數(shù)3D打印所用的ABS塑料絲所做的材料。光敏樹脂材料所打印的實物模型價格為1克20元�！�

　　對于企業(yè)來說很便宜

　　“對于一個普通人來說這可能挺貴的，而且購買人群相對很少，但是對于制造企業(yè)做這么一個就很便宜了！”袁剛說，因為電腦設計與實物制作有很大的差別，所以一些公司在批量生產(chǎn)產(chǎn)品前，都需要對設計的產(chǎn)品專門進行樣品模擬，把實物打出來看看是否存在缺陷，“如果開模具的話，費用少則數(shù)萬，多則數(shù)十上百萬，如果后期還要修改，更麻煩，費用也更高，而使用3D打印技術既便宜又方便。”

　　打印金屬部件，中國也行

　　《十二生肖》電影中，成龍通過專業(yè)設備將所掃描的銅像進行完美打印�，F(xiàn)在揚州是使用光敏樹脂材料，打印出來的產(chǎn)品畢竟是塑料的，而工業(yè)制造過程中，使用的絕大多數(shù)零配件是金屬制成品。那么，3D打印技術能打印金屬制品嗎?

　　“國內(nèi)剛剛研究成金屬3D打印技術，是使用鈦合金粉末作材料，使用激光打印機打印。而此項技術，以前也一直為外國人壟斷�！睋�(jù)了解，國內(nèi)中航重機不久前剛研制成功鈦合金粉末激光3D打印技術，憑此項技術，中航重機獲得了國家科學技術獎一等獎。

　　也能用其他不同材質(zhì)

　　據(jù)袁剛介紹，目前支持3D打印的材料很多。簡單說，不同公司生產(chǎn)的3D打印機會支持不同的材料，樹脂、尼龍、石膏、塑料這些都是普遍使用的材料，隨著業(yè)界研發(fā)的不斷進步，支持鈦、不銹鋼或鋁、鐵金屬材料的打印機也已經(jīng)出現(xiàn)。

　　“但激光器要有足夠的能量，且成本很高。”袁剛說，“不過我們?nèi)糇鼋饘倭慵�一般采用激光制模和精密鑄造聯(lián)動，先用3D打印工藝做一個鑄造模具，然后通過石蠟鑄造工藝，生產(chǎn)出所需的金屬物件。用這種工藝制造的金屬零件的強度要比普通鑄件強度高，制造成本也比直接打印金屬零件要便宜得多�！�

　　應用

　　前景廣闊 問題猶存

　　想象一下，將來你家有這樣一臺打印機，需要杯子的時候，輸入外形數(shù)據(jù)，就可以打印出一只你想要的杯子。

　　但是，“神筆馬良”，并不是所有人都能做的。 困難一 耗材較貴

　　耗材比較貴，如果是進口的設備，國外會控制材料，也就是說，買他們的設備一定要搭配耗材。常用的耗材一般有尼龍、光敏樹脂、金屬等，便宜的尼龍也要幾百元/公斤，而貴的光敏樹脂、金屬等耗材價格高達2000多元/公斤。

　　困難二 兼容性差

　　不單耗材，一臺3D打印機只能用同類耗材，也制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展�！翱焖僦圃靽�家工程研究中心揚州示范中心”這臺3D打印機，只能用光敏樹脂做耗材，這類3D打印機售價高達兩百多萬元，金屬類的3D打印機售價更需要五六百萬元。

　　困難三 家庭用戶使用門檻高

　　記者采訪了解到，目前家庭使用的3D打印機已經(jīng)在市面上出現(xiàn)，但價格昂貴，對使用者知識要求較高，因此其進入普通家庭的門檻比較高。

　　一款“入門級”掃描設備價格都在十幾萬元以上，一臺桌面級3D打印機也要兩三萬元。

　　袁剛告訴記者，3D打印技術在我國的應用主要在三個方面，一是高端應用，如航空航天產(chǎn)品，二是中端工業(yè)應用，如企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)。三是民用，如在醫(yī)療領域。北京等地已經(jīng)出現(xiàn)了為大眾服務的3D打印照相館。目前揚州只有20家左右企業(yè)及個人前來利用3D打印。由于成本及知名度的原因，此項技術還未大規(guī)模推廣開來。

　　名詞解釋

　　到底什么是3D打��？在“快速制造國家工程研究中心揚州示范中心”，現(xiàn)場的科技人員給記者進行了一回“科普”：通俗地說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設備。之所以通俗地稱其為“打印機”是參照了普通打印機的技術原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。

　　“我們?nèi)粘Ｉ�活中使用的普通打印機可以打印電腦設計的平面物品，而所謂的3D打印機只是打印材料有些不同。”袁剛介紹說，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、砂等不同的“打印材料”，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