浅谈3d打印机现状与发展趋势
浅谈3D打印机现状与发展趋势
浅谈3D打印机现状与发展趋势
摘要：3D打印机（3D Printers）作为3D领域的一种前性产品，目前成为一种潮流正迅猛发展。3D打印机被称之为改变未来世界新的创造性科技，不仅改变了许多工厂的生产方式，给制造业带来一场革命，还将进入到我们的家庭，给工业生产和我们的生活带来巨大的革命性改变。
关键词：打印机打印过程建模喷嘴三维
一、起源
3D打印技术的核心制造思想最早起源于19世纪末的美国，到20世纪80年代后期3D打印技术发展成熟并被广泛应用。3D打印源自100多年前美国研究的照相雕塑和地貌成形技术，上世纪80年代已有雏形，其学名为“快速成型”。
在此之前，三维打印机数量很少，大多集中在“科学怪人”和电子产品爱好者手中。他们主要用来打印像珠宝、玩具、工具、厨房用品之类的东西。甚至有汽车专家打印出了汽车零部件，然后根据塑料模型去订制真正市上买不到的零部件。现在则主要用在航天、医疗等精密制造行业，以制作出普通工业流水线无法生产的复杂产品。
二、工作原理
工作原理是先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来，打印出的产品，可以即时使用。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高。
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。目前3D打印机可打印的材料主要有石膏、尼龙、ABS塑料、PC、树脂、金属、陶瓷等，这些原材料都是专门针对3D
打印而研发的新材料，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、液体状等。
使用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打印机有几个种类，是喷墨3D打印机、粉剂3D
打印机、生物3D打印机等等。
三、工作步骤
3D打印机工作步骤是这样的：先通过CAD软件建模软件建模，如果你有现成的模型也可以，比如动物模型、人物或者微缩建筑等等。然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中，进行打印设置后，打印机就可以把它们打印出来。3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的，打印原理是一样的。3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型，然后再进行打印输出。
3D打印与激光成型技术一样，采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。
四、打印过程
打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。
打印机打出的截面的厚度（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）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如Objet Connex 系列还有三维 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。
用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。
打印耗材由传统的墨水、纸张转变为胶水、粉末，当然胶水和粉末都是经过处理的特殊材料，不仅对固化反应速度有要求，对于模型强度以及“打印”分辨率都有直接影响。目前的 3D 打印技术能够实现 600dpi 分辨率，每层厚度只有 0.01 毫米，即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。当然受到喷打印原理的限制，打印速度势必不会很快，目前较先进的产品可以实现每小时 25 毫米高度的垂直速率，相比早期产品有10 倍提升，而且可以利用有色胶水实现彩色打印，色彩深度高达24位。
由于打印精度高，打印出的模型品质自然不错。除了可以表现出外形曲线上的设计，结构以及运动部件也不在话下。如果用来打印机械装配图，齿轮、轴承、拉杆等都可以正常活动，而腔体、沟槽等形态特征位置准确，甚至可以满足装配要求，打印出的实体还可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。同时粉末材料不限于砂型材料，还有弹性伸缩、高性能复合、熔模铸造等其它材料可供选择。
传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。
五、发展趋势
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。
六、3D打印机面临的问题与挑战
最让中国3D打印机同行尴尬的不仅是在设备上，还有生产材料方面。快速成型使用的材料大致可为五种类型：粉末材料、纸质材料、液态光敏材料、丝状材料与板材材料。国内目前也研发出了一些快速成型材料，但是总体来说与国外同系列的商品化材料相比，无论是在品种还是性能上均存在差距。国产的快速成型材料其价格仅为国外产品价格的1/10。尽管价格上占优势，但是由于生产产品对质量上较高的要求，中国自己生产的材料很难与国际上的同类产品进行竞争。
综上所述，我们可以发现，3D打印机的发展和普及仍面临许多困难和挑战，成本、材料多样性、打印精度、速度和效率、技术研究、知识产权保护等方面都待完善。
第一、成本方面，3D打印机造价十分昂贵，这给其进入家庭带来了很大的困难。
第二、材料多样性方面，首先不能把所有的材料都能制成极精细的糊状，3D打印的成型材料多采用化学聚合物，材料的安全性是一个很重要的参考因素。
第三、精度、速度、效率方面，打印速度也很慢，不能用于大批量生产。改善3D打印系统的可靠性、生产效率和制作大件能力，要提高3D打印的速度与效率。
第四、技术研究方面，需要进一步研制。如3D打印机的困难并不是制造器官本身，而是复制器官内部错综复杂的血管网络，这些血管起到了滋养器官，为器官提供氧气的作用。世界各地医药、生物、化学、工程等领域的专家们正致力于研究这些难题。
第五、知识产权保护方面，对3D打印机工艺收紧，很可能阻碍创新；如果放松现行监管法律，则是在鼓励盗版，所以要提高警惕。
3D打印机已经向我们走来，随着3D打印技术的不断发展，3D打
印机将成为市场的主流，有可能涉及许多领域，政府、监管者、企业经营者、消费者都应该对它的应用认真思考。未来，3D打印机服务将会与发送电子邮件，即使短信通讯一样普及；制造业将彻底摆脱集中式管理模式、大规模定制化将超越传统的规模化生产方式；3D打印机在未来像电脑、照相机、微波炉一样进入千家万户，为我们的生活增添无穷乐趣。
作者简介：阿尔孜古丽·吾买尔，新疆沙雅县人，1975年2月生，新疆工程学院机械工程系讲师，工学硕士，研究方向为机械设计。
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