3D打印

　　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(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)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(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)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(lèi)、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工(AEC)、汽車(chē)，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。

　　歷史發(fā)展

　　3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)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理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過(guò)電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。這打印技術(shù)稱(chēng)為3D立體打印技術(shù)。

　　1986年，Charles Hull開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)。

　　1993年，麻省理工學(xué)院獲3D印刷技術(shù)專(zhuān)利。

　　1995年，美國(guó)ZCorp公司從麻省理工學(xué)院獲得唯一授權(quán)并開(kāi)始開(kāi)發(fā)3D打印機(jī)。

　　2005年，市場(chǎng)上首個(gè)高清晰彩色3D打印機(jī)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(jī)打印而成的汽車(chē)Urbee問(wèn)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(guó)研究人員開(kāi)發(fā)出世界上第一臺(tái)3D巧克力打印機(jī)。

　　2011年8月，南安普敦大學(xué)的工程師們開(kāi)發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī)。

　　2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家利用人體細(xì)胞首次用3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織。

　　2013年10月，全球首次成功拍賣(mài)一款名為“ONO之神”的3D打印藝術(shù)品。

　　2013年11月，美國(guó)德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司“固體概念”(SolidConcepts)設(shè)計(jì)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(jī)可以打印電腦設(shè)計(jì)的平面物品，而所謂的3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料，打印機(jī)與電腦連接后，通過(guò)電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。通俗地說(shuō)，3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備，比如打印一個(gè)機(jī)器人、打印玩具車(chē)，打印各種模型，甚至是食物等等。之所以通俗地稱(chēng)其為“打印機(jī)”是參照了普通打印機(jī)的技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^(guò)程與噴墨打印十分相似。這項(xiàng)打印技術(shù)稱(chēng)為3D立體打印技術(shù)。

　　3D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。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(lèi)材料。

　　3打印過(guò)程

　　三維設(shè)計(jì)

　　英國(guó)工程師“打印”出無(wú)人飛機(jī)[8]三維打印的設(shè)計(jì)過(guò)程是：先通過(guò)計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。

　　設(shè)計(jì)軟件和打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL文件格式。一個(gè)STL文件使用三角面來(lái)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(guò)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。

　　切片處理

　　打印機(jī)通過(guò)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(lái)，再將各層截面以各種方式粘合起來(lái)從而制造出一個(gè)實(shí)體。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

　　打印機(jī)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(lái)計(jì)算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機(jī)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(jī)相近的分辨率。打印出來(lái)的“墨水滴”的直徑通常為50到100個(gè)微米。 用傳統(tǒng)方法制造出一個(gè)模型通常需要數(shù)小時(shí)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(shí)間縮短為數(shù)個(gè)小時(shí)，當(dāng)然其是由打印機(jī)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(duì)較少的產(chǎn)品。一個(gè)桌面尺寸的三維打印機(jī)就可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者或概念開(kāi)發(fā)小組制造模型的需要。[6]

　　完成打印

　　三維打印機(jī)的分辨率對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠(在彎曲的表面可能會(huì)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(guò)如下方法：先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再稍微經(jīng)過(guò)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(shí)使用多種材料進(jìn)行打印。有些技術(shù)在打印的過(guò)程中還會(huì)用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時(shí)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。

　　4限制因素

　　材料的限制

　　雖然高端工業(yè)印刷可以實(shí)現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印， 但無(wú)3D打印胚胎干細(xì)胞法實(shí)現(xiàn)打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，打印機(jī)也還沒(méi)有達(dá)到成熟的水平，無(wú)法支持日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。

　　研究者們?cè)诙嗖牧洗蛴∩弦呀?jīng)取得了一定的進(jìn)展，但除非這些進(jìn)展達(dá)到成熟并有效，否則材料依然會(huì)是3D打印的一大障礙。

3D打印胚胎干細(xì)胞

　　機(jī)器的限制

　　3D打印技術(shù)在重建物體的幾何形狀和機(jī)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(lái)，但是那些運(yùn)動(dòng)的物體和它們的清晰度就難 以實(shí)現(xiàn)了。這個(gè)困難對(duì)于制造商來(lái)說(shuō)也許是可以解決的，但是3D打印技術(shù)想要進(jìn)入普通家庭，每個(gè)人都能隨意打印想要的東西，那么機(jī)器的限制就必須得到解決才行。

　　知識(shí)產(chǎn)權(quán)的憂(yōu)慮

　　在過(guò)去的幾十年里，音樂(lè)、電影和電視產(chǎn)業(yè)中對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)注變得越來(lái)越多。3D打印技術(shù)也會(huì)涉及到這一問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中的很多東西都會(huì)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(lái)保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，也是我們面臨的問(wèn)題之一，否則就會(huì)出現(xiàn)泛濫的現(xiàn)象。

　　道德的挑戰(zhàn)

　　3D打印槍械[6]道德是底線。什么樣的東西會(huì)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(lái)會(huì)遇到極大的道德挑戰(zhàn)。

　　花費(fèi)的承擔(dān)

　　3D打印技術(shù)需要承擔(dān)的花費(fèi)是高昂的。第一臺(tái)3D打印機(jī)的售價(jià)為1萬(wàn)5。如果想要普及到大眾，降價(jià)是必須的，但又會(huì)與成本形成沖突。

　　每一種新技術(shù)誕生初期都會(huì)面臨著這些類(lèi)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(huì)更加迅速，就如同任何渲染軟件一樣，不斷地更新才能達(dá)到最終的完善。

　　5社會(huì)評(píng)價(jià)

　　3D打印技術(shù)是無(wú)法應(yīng)用于大量生產(chǎn)，所以有些專(zhuān)家鼓吹3D打印是第三次工業(yè)革命，這個(gè)說(shuō)法只是個(gè)噱頭。富士康為蘋(píng)果代工生產(chǎn)iPhone已經(jīng)多年。郭臺(tái)銘以3D打印制造的手機(jī)為例，說(shuō)明3D打印的產(chǎn)品只能看不能用，因?yàn)檫@些產(chǎn)品上不能加上電子元器件，無(wú)法為電子產(chǎn)品量產(chǎn)。3D打印即使不生產(chǎn)電子產(chǎn)品，但受材料的限制，可以生產(chǎn)的其他產(chǎn)品也很少，“即使生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品，也無(wú)法量產(chǎn)，而且一摔就碎。[10]

　　“3D打印的確更適合一些小規(guī)模制造，尤其是高端的定制化產(chǎn)品，比如汽車(chē)零部件制造。雖然主要材料還是塑料，但未來(lái)金屬材料肯定會(huì)被運(yùn)用到3D打印中來(lái)，”克倫普說(shuō)，3D打印技術(shù)先后進(jìn)入了牙醫(yī)、珠寶、醫(yī)療行業(yè)，未來(lái)可應(yīng)用的范圍會(huì)越來(lái)越廣。[10]