什么是3D立体打印技术？

1 3D立体打印技术概述

大概很难有人可以想象到，制造业可以没有了工厂的依托。自工业革命以来，制造业俨然已和工厂、机器、工具、生产线及经济规模划上了等号。若是生产脱离了装配车间、生产线，甚至是供应链，这确实很令人吃惊。然而，随着3D打印技术的横空出世，以及逐渐进入个人、小型商家、公司部门等的步伐，这样令人惊讶的事情的的确确在悄然发生着。

1.1 3D打印技术的基本概念

3D打印机出现在上世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为3D立体打印技术。

1.2 3D打印技术的分类
鼎立科技3D解决方案原创-3D技术行业分析，趋势，发展与未来

3D打印技术实际上是一系列快速原型成型技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。目前市场上的快速成型技术分为3DP 技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术等。

3DP技术：采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术，通过将液态连结体铺放在粉末薄层上，以打印横截面数据的方式逐层创建各部件，创建三维实体模型，采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上，模型样品所传递的信息较大。
FDM熔融层积成型技术：FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，直至形成整个实体造型。其成型材料种类多，成型件强度高、精度较高，主要适用于成型小塑料件。
SLA立体平版印刷技术：SLA立体平版印刷技术以光敏树脂为原料，通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。该方法成型速度快，自动化程度高，可成形任意复杂形状，尺寸精度高，主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。
SLS选区激光烧结技术：SLA立体平版印刷技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该方法制造工艺简单，材料选择范围广，成本较低，成型速度快，主要应用于铸造业直接制作快速模具。
DLP激光成型技术：DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。
UV紫外线成型技术：UV紫外线成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似类似，不同的是它利用UV紫外线照射液态光敏树脂，一层一层由下而上堆栈成型，成型的过程中没有噪音产生，在同类技术中成型的精度最高，通常应用于精度要求高的珠宝和手机外壳等行业
注：从各3D打印技术的原理、3D打印设备体积及3D打印成本来看，对于个人消费者来说采用FDM熔融层积成型技术的设备是整体成本最低且占用空间最小的，因此我们可以看到目前市面上面向普通消费者销售的3D打印机都是基于FDM熔融层积成型技术的。

1.3 3D打印技术的工作原理

3D打印原看似复杂，其实很简单。看了很多3D打印的视频和模型，你会被它神奇的克隆能力惊呆了，这太神奇了，完全是神奇的克隆机器嘛。这样的高科技到底是怎么工作的呢？

说起它的原理，它一点都不复杂，其运作原理和传统打印机工作原理基本相同，也是用喷头一点点“磨”出来的。只不过3D打印它的喷的不是墨水，而是液体或粉末等“打印材料”，利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

它的工作步骤是这样的：使用CAD软件来创建物品，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，然后在进行打印输出。

来自ideaone.cc

其工作结构分解图如下：





3D打印机的结构解剖和工作原理图











1.4 3D打印的工作步骤



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。



下面我们来看看3D打印的实际过程：

























2 3D打印技术与生产



2.1 3D打印技术的生产优势



3D打印如今已成为了现实。现在，你可以在家里或是工作的地方，用各种材料来制造零件、器械和工具。你所需要的，只是一台电脑，先自己设计好模型，又或是下载一个物体的数码3D模型并根据自己所需进行修改，然后按下“打印”按钮，轻轻松松地等着你的物体被3D打印机打印成型。很简单，就像你平常打印文件一样。这不是科幻小说，3D打印确实已成为了现实。



而这个激动人心的事实，对未来的制造业提出了许多新的问题，也可以说，是对当下的生产模式发起冲击。工厂或许还不会消失，但随着3D打印的一系列配套设备——新技术、新机器、新材料——而诞生的新产品和新的生产模式的出现，当下的制造业将会发生重大变革，某些核心的工业程序，譬如分配，将会被摒弃。同时，如今的消费者在定制产品和服务方面表现出愈来愈多的兴趣和需求，并对递送的速度有了更高的要求。而定制工业和即时递送这两项服务对于当下的传统工业制造而言，是没有任何经济利益可言的。由于自身工艺成本和缺陷的制约，传统工业很难再这个定制领域夺得支配地位，除非他们能够优化工厂生产的模式。而3D打印技术，凭着其简便易做的优点，有望抢在传统工业前抢占先机。这也许会是对传统工业中产地远离市场等原来的生产模式的优化和补充。



我们可以看到，运用3D打印技术进行生产，生产程序简易可行，没有纷繁的工序。此外，运用3D打印技术进行生产的新工业，可以称得上是没有厂房实址的生产工厂，也可以说是生产工作坊。对用地几乎可以说是没有要求，这使得3D打印具有很强的操作性，足以成为其别于传统生产的优势。



2.2 对传统生产的冲击



一名哈佛商学院的教授Clayton Christensen认为，由于3D打印技术自身的生产模式，它将有可能逐渐瓦解传统生产模式。相比之下，3D打印技术的运用趋于简便廉价，且规模不受限制，可大可小。现在的3D打印技术已经足以服务于此前完全没有生产能力的“生产者”，如小型公司、医院、学校、DIY达人等。



尽管3D打印技术并未被期待，能在接下来的时间里，在传统生产领域中繁荣发展。因此，很难说不久的将来就能有3D打印出的商务客机横空出世。但是，传统工业的生产者们也不得不留心，因为历史上已经有许多新兴技术改变工业格局的实例。



3 3D打印技术的产品优势



3.1 3D打印技术的灵活性



一台简单的3D打印机可以生产出许多不同种类的产品，有时生产出来的产品是已经装配好了的。这是3D打印技术的另一项对传统制造业极具威胁性的特点。



在传统的生产方式中，生产线一旦发生了变化，产品线也必须要做出相应的改变。这基本上确定了传统制造中只能固定地生产某一或某几种产品，难以改进或更新。若是研发了新的产品，只能投入大量的财力物力，重新调试生产设备，更换机械工具，培养相应的操作人员。



而3D打印技术拥有能够生产不同种类产品的灵活性。同一台3D打印机，既可以生产汽车零件，也可以生产玩具模型，甚至还可以制作巧克力。只要你有合适的“墨水”，并调试好你的3D打印机。



为了适应3D打印的产品多样化，科学家们正马不停蹄地研制与打印机配套使用的特制“墨水”。运用不同的“墨水”，便可以生产出各种各样的产品，无论是高分子化学物品还是高端的航空零件。



下面呈现的则是几种新型的特制“墨水”。











胶体墨水（Colloidal inks）：利用商业3D打印机进行原型设计和数字化生产，可以打印出高级的陶瓷材料、金属材料和高分子聚合物材料。



塑性墨水（Fugitive inks）：塑性墨水具有很好的可塑性，容易变形，打印出的3D微脉管网络可用于组织工程学、轻质结构、自我修复材料和软质机器人。



纳米墨水（Nanoparticle inks）：用银色的纳米墨水打印的材料具有导电性能，可应用于可穿戴电子、改造过的太阳能电池和透明导电装置。



电解质墨水（Polyelectrolyte inks）：电解质墨水可用于丝织物材料和水凝胶的打印，在施药、光子学、薄膜、组织工程学和3D细胞培养方面可大有作为。



溶胶墨水（Sol-gel inks）：可以应用溶胶材料为脱敏的太阳能电池、一般电池、电容器等打印出传感器、光电、催化剂载体和新的电极。



有了各种各样的原材料，我们就可以任意挥洒创意，打印出各种不同的产品。我们不难想象，未来的一家小型厂房内，成排的3D打印机正在同时生产着茶杯锅碗、汽车组件和预定医药用品。3D打印技术正在急速发展着，在如防御器械、航天技术、自动汽车和医疗保健等方面都有成功的实例。



3.2 3D打印产品的质量



尽管3D打印技术如今只是较广泛地应用于小型生产，但运用其生产出的产品质量都是十分优秀的。这些3D制造产品普遍比用传统技术制造出来的产品更轻便结实，并且可以自定义客制化，甚至可以使已经装配好的。这是因为，3D打印可以精确地控制材料的熔解和重构，使那些单单运用传统技术无法制造出来的产品的面世成为可能。



我们可以从四方块测试件的打印过程来感受3D打印技术对材料的精确控制。在华中科技大学快速制造中心产业化基地——武汉滨湖机电技术产业有限公司，湖北日报记者见证了“3D打印”的全过程。



操作员首先将测试件的3D立体图输入到设备电脑中，电脑根据不同零件的精度要求将立体图切片分层。分层厚度可在0.08-0.3毫米之间设一个值，厚度值越大精度越差。然后，操作员往设备顶部的一个漏斗状容器内装入材料粉末。打开设备内腔就能见到一个平整的金属平台，操作员将材料粉末，即墨水铺在金属平台上。平台上有一个四方形的钢架，上面装的碘钨灯的作用主要是预热和保温，顶部的圆形装置则是二氧化碳激光器，可将粉末高温加热烧结成零件。





3D打印出的四方块测试件



关闭内腔，开动机器。碘钨灯预热15分钟，电脑操作屏显示腔内温度90℃，设备开始自动铺一层粉，激光器开始加热，腔内红光一片。激光器会对每个点加热烧结，可理解为平常焊接一样。此外，激光器上还加了面镜子，通过镜子的慢慢转动将激光反射逐步变向，激光就在粉末上一条线移动，在需要的地方加热。一条线一条线平行加热，每条线间距仅0.2毫米，而且这一层是上下方向，到了下一层就变成左右方向，以增加强度。加热完一层，平台就往下降0.3毫米（即一层厚度），再铺一层粉。一般而言，扫描一层只需一分钟，铺粉约为8秒钟。1小时40分钟便可完工。将多余的粉末吹掉后，测试件就活生生地被“打印”出来了。



最吸引人的是一项显示3D打印是如何改革产品性能的调查。就像夹板因其更为轻便强韧、灵活易塑的优点取代了实木侵占大片木制产品的市场一样，即便是运用同样的材料，3D打印出来的元件也充分地展示了优于传统制造产品的性能。调查中提到了两个例子，一是用3D打印技术制成的木块不会弯曲，一是一项正在进行的研究中，用活细胞作为原材料进行3D器官的打印现在已经可以移植进生物体中继续生长了。



4 3D打印技术的市场优势



4.1 客制化优势亲近顾客

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随着人们生活质量的提高，如今的消费者越加倾向于定制产品，追求独特性而非普遍性，因而，他们普遍在定制产品和服务方面表现出愈来愈多的兴趣和需求，并对递送的速度有了更高的要求。从3D打印技术的便捷生产优势可以看出，可以靠近消费者市场进行生产的3D打印技术对递送有很大的优势。而另一方面的产品客制化，则得益于其产品优势，能够精确控制材料的融化和重构、并便于原型的创意设计，因此，3D打印生产出的产品能够更加贴近顾客的需要，最大程度地体现着客制化的人性关怀。



此外，3D打印技术可以出发新的产品策略，并在生产模式上有重大突破。最能体现这一点的便是顾客的参与。客制化对技术有了更高的要求，但同样也对顾客要对自己所想要的产品有更多的了解和认识。技术与顾客的创意理念的融合，不仅能够是技术的创作生命力源远不觉，还会因顾客的环节参与而使每一次的生产都有了不同于传统大量生产的情感因素。这能使顾客与厂家有更亲密的合作关系，也能让生产免于呆板重复，让生产时刻处于旺盛的探索中。



4.2 多元化市场优势

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我们已经知道，3D打印技术所生产的产品多种多样，且便于进行多次创作。虽说新兴技术对于传统的技术而言，能够拥有足够的“破坏性”，但一开始它们往往都处于劣势，难以和时代里占据支配地方的传统的成熟的技术抗衡。当20年前第一台试验性的3D打印机问世时，它跟产品生产可以说是完全不着边。然而，正如Christensen在他的调查中所总结的那样，新兴技术通常会先去占领传统技术的触角伸不到的后方市场，尽管那往往是小众的、难以量化生产的。而3D打印很快就瞄准了原型设计这个市场。在传统的制造业中，原型设计成本非常高，需要源源不断的创造，这不仅需要大量的人才，同样要求有足以生产不同产品的设备。大量是传统制造的优势，那么3D设计就瞄准多样化的生产领域。