◇任务简介◇
本任务主要熟悉当前3D打印机的技术原理和工作特点，了解当前3D打印机在各个领域的具体应用。通过本任务的学习，使学生初步掌握3D打印机的打印加工基础知识，懂得3D打印机的打印功能和打印范围。
◇学习目标◇
1．了解3D打印机的技术原理。
2．了解3D打印机的工作特点。
3．了解3D打印机的应用范围。
◇知识要点◇
一、3D打印机技术原理
3D打印机（3D printers）简称3DP，是一位名为恩里科·迪尼（Enrico Dini）的发明家设计的一种打印机，20世纪80年代后期，美国科学家们将可打印出三维效果的打印机成功推向市场，3D打印技术发展成熟并被广泛应用。普通打印机能打印一些报告等平面纸张资料，而这种最新发明的打印机，它不仅可以“打印”一幢完整的建筑，甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品的形状。
3D打印机是一种累积制造技术（增材制造技术），即快速成形技术的一种机器，它以数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过打印一层层的黏合材料来制造三维的物体（图8-1-1）。
图8-1-1
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，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质种类多样，如塑料、金属、陶瓷以及橡胶类物质等。有些3D打印机还能结合不同介质，使打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。
（1）一些3D打印机使用“喷墨”的方式，即打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上，此涂层将会被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来。
（2）一些3D打印机使用一种叫做“熔积成型”的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式形成薄层。
（3）一些3D打印机使用一种叫做“激光烧结”的技术，以粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上，从而形成一层极薄的粉末层，熔铸成指定形状，然后由喷出的液态粘合剂进行固化。
（4）有的3D打印机则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒，当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时，介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。
二、3D打印机的主要特点
1．实现零技能零工厂制造
传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求，然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。3D打印机从设计文件里获得各种指示，做同样复杂的物品，3D打印机所需要的操作技能比注塑机少。非技能制造开辟了新的商业模式，并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。3D打印使得人们可以在一些电子产品商店购买到这类打印机，工厂也在进行直接销售。科学家们表示，三D打印机的使用范围还很有限，不过在未来的某一天，人们一定可以通过3D打印机打印出更实用的物品。
3D打印与传统的通过模具生产有很大的不同；3D打印最大的优点是无需机械加工或任何模具；就能直接从计算机图形数据中生成出任何形状的零件；从而极大地缩短产品的研制周期；提高生产效率和降低生产成本。同时3D打印还能够打印出一些传统生产技术无法制造出的外型；3D打印技术还能够简化整个生产流程；具有快速、有效的特点。
2．制造复杂物品不增加成本
就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对3D打印机而言，制造形状复杂物品的成本不会增加，制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。3D打印带来了制造业的革命，以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印机的出现，颠覆了这一生产思路。这使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。
3D打印无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，从而极大地缩短了产品的生产周期，提高了生产效率。尽3D打印机管仍有待完善，但3D打印技术市场潜力巨大，势必成为未来制造业的众多突破技术之一。
三、3D打印机应用领域
3D打印技术可用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程及许多其他领域。通过3D打印机也可以打印出食物，这也是3D打印机未来的发展方向之一。
1．航天领域
GE中国研发中心的工程师们用3D打印机成功“打印”出了航空发动机的重要零部件（图8-1-2）。与传统制造相比，这一技术将使该零件成本缩减30%、制造周期缩短40%。工程师Jim Smith又通过3D打印技术造出了世界首艘3D打印皮划艇（图8-1-3），并且成功下水。这艘皮划艇是他花费了42天时间，使用一台自制大型3D打印机打造出来的。它由28块彩色ABS塑料组装而成，每个部件都是由3D打印机制作，然后再用螺栓固定在一起。制造的过程看似简单，其实颇费功夫。从开始规划到制造完成，花了Smith近6年的时间，下水前的最后调整也花费了40天。这艘成品长5.08 m，宽0.52 m，总重量为29.29 kg，中ABS部分重26.48 kg，黄铜螺纹部件重0.86 Kg，螺栓重2.068 kg，总造价只有500美元。
图8-1-2
图8-1-3
2015年6月22日报道，俄罗斯技术集团公司使用3D打印技术制造出一架无人机样机，重3.8 kg，翼展2.4 m，飞行时速可达90～100 km，续航能力1～1.5 h。
公司发言人弗拉基米尔·库塔霍夫介绍，公司用两个半月实现了从概念到原型机的飞跃，实际生产耗时仅为31 h，制造成本不到20万卢布（约合3700美元）。
2016年2月3日，中国科学院福建物质结构研究所3D打印工程技术研发中心林文雄课题组，在国内首次突破了可连续打印的三维物体快速成型关键技术，并发明出了一款超级快速的连续打印的数字投影（DLP）3D打印机。该3D打印机的速度达到了600 mm/s，可以在短短6 min内，从树脂槽中“拉”出一个高度为60 mm的三维物体，而同样物体采用传统的立体光固化成型工艺（SLA）来打印则需要约10 h，速度提高了足足有100倍。
2．音乐领域（图8-1-4）
图8-1-4
为了探索3D打印机更多的应用，Rickard Dahlstrand使用Lulzbot 3D打印机创造出独特的艺术。在2013斯德哥尔摩艺术黑客节上，Lulzbot 3D打印机不仅为参加的艺术家和黑客们打印出艺术节的LOGO，而且作为一个表演项目，它还一边播放古典音乐一边相应地打印出可视化的音乐作品。Lulzbot 3D打印机打印可视化音乐的原理是：该步进电机的运动进行控制可以以不同的速度运行，声音的音调决定速度，从而音乐控制了打印过程。三台电机分别代表一个音轨，它们使用独特的模式运动。两个马达控制Z轴移动。(www.xing528.com)
3．医疗领域
将来外科医生们或许就可以在手术中现场利用打印设备，打印出各种尺寸的骨骼用于临床使用（图8-1-5）。这种神奇的3D打印机已经被制造出来了，而用于替代真实人体骨骼的打印材料也正在测试之中。
图8-1-5
在实验室测试中，这种骨骼替代打印材料已经被证明可以支持人体骨骼细胞在其中生长，并且其有效性也已经在老鼠和兔子身上得到了验证。未来数年内，打印出的质量更好的骨骼替代品或将帮助外科手术医师进行骨骼损伤的修复，用于牙医诊所，甚至帮助骨质疏松症患者恢复健康。
为了打印骨骼材料，博斯和她的同事们使用了一台商业销售的ProMetal 3D打印机进行测试。这种3D打印机最初的设计目的是为了打印金属件。它会逐层喷洒塑料胶粒在一层粉末基底之上，并逐层成型。每一层的厚度仅相当于人的头发丝宽度的一半。
这种骨骼支架材料的主要成分是磷酸钙，其中还额外添加了硅和锌以便增强其强度。当它被植入人体内之后，可以暂时起到骨骼的支撑作用，在此过程中帮助正常骨骼细胞生长发育并由此修复之前的损伤，随后这种材料可以在人体内自然溶解。科学家们花费4年时间才找出这种材料的合适配方，其中涉及化学、材料学、生物学和工艺科学等学科。
4．文物领域（图8-1-6）
图8-1-6
美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型。此3D模型不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，更适合研究。
博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物的影响传递给更多的人。史密森尼博物馆就因为原始的托马斯·杰弗逊像要放在弗吉尼亚州展览，所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。
5．建筑领域（图8-1-7）
图8-1-7
在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美。完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。
荷兰DUS公司的3D打印展览馆目前正在利用3D打印技术准备打印全球最大的3D打印房屋。该公司使用的3D打印机为KamerMaker，其高达6 m，可安置在废弃集装箱内。KamerMaker的功能与桌面3D打印机相似，可在连续层次中挤压出热塑料。它还可以用来打印较小物件，比如板凳等。
6．制造业
制造业也需要很多3D打印产品，因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用3D打印技术能带来很多好处，甚至连质量控制也许都不再是问题。
比如微软公司的3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打印出模型，能够让设计制造部门更好的改良产品，打造出更出色的产品。汽车行业在进行安全性测试等工作时，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，在追求效率的同时降低成本。
7．汽车行业
2014年10月10日，世界首款3D打印汽车终成现实。这辆由本地汽车公司打造的3D打印汽车只有两个座位，名字叫斯特拉迪（图8-1-8）。它的制作周期为44h，并且最高时速可以达到80 km。斯特拉迪全身由碳纤维及塑料组成，利用3D打印技术制造而成。据悉，全车只使用了40个零件，且依靠电动能源，充一次电花费3.5 h，可以行驶大约100 km。
图8-1-8
8．食品产业
2013年5月22日，NASA选中总部位于得克萨斯州的系统和材料研究公司，向其投资12.5亿美元，研发能为宇航员制造“营养可口”食品的3D打印机。
3D食物打印机的概念设计方案中，打印机的“墨盒”——也就是装载食物的部分使用寿命长达30年。这款产品的实验版本已经可以成功“打印”出巧克力，而比萨饼将是它的下一个目标。据透露，食物打印机制造比萨饼的步骤如下：首先，打印一层面饼，并在打印的同时烤好；然后机器会将使用装载番茄的“墨盒”和水、油混合，打印出番茄酱；最后将酱料和奶油打印在比萨饼的表面。
一位名叫Luiza Silva的学生就设计了一个3D概念打印机Atomium，它能够打印分子级的材料，几乎能够打印各种形状。如果这个概念得以实现，它将会改变我们与食物间的关系。
Atomium的工作原理是这样的：用户事先注册基本信息，比如医疗数据（对什么过敏等）和饮食偏好等；然后，用户可以简单勾画出他们喜欢的形状与类型，Atomium就会分析这些指令并创造出相应的食物。
西班牙巴塞罗那的自然机器公司向市场推出了首款3D食物打印机Foodini（图8-1-9）。Foodini像是将食物打印出来一样，可以制作出甜品、汉堡、面包、巧克力或意大利面。自然机器公司对于这款特殊“打印机”的销售前景十分乐观。
图8-1-9
9．生活用品（图8-1-10）
图8-1-10
在未来，不管是你的个性笔筒，还是有你的半身浮雕的手机外壳，抑或是你和伴侣拥有的世界上独一无二的戒指，都有可能是通过3D打印机打印出来的。
10．美容护肤行业
3D打印技术未来也可能会帮助爱美人士进行整容，说不定未来最有效果的青春痘的治疗方法就是通过3D打印技术来实现的。不仅青春痘，甚至祛斑、美白等领域都有希望使用到3D打印技术的。
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