3D打印機

       非金屬的3D打印機的工作原理和傳統(tǒng)打印機基本一樣，都是由控制組件、機械組件、打印噴頭、耗材和介質等架構組成的，打印原理也一樣。3D打印技術可用于珠寶、鞋類、工業(yè)設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車、航空航天、牙科和醫(yī)療產業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程及許多其他領域。

       2016年2月3日， 中國科學院福建物質結構研究所3D打印工程技術研發(fā)中心林文雄課題組在國內首次突破了可連續(xù)打印的三維物體快速成型關鍵技術，并開發(fā)出了一款超級快速的連續(xù)打印的數字投影（DLP） 3D打印機。該3D打印機的速度達到了創(chuàng)記錄的600 mm/s，可以在短短6分鐘內，從樹脂槽中“拉”出一個高度為60 mm的三維物體，而同樣物體采用傳統(tǒng)的立體光固化成型工藝（SLA）來打印則需要約10個小時，速度提高了足足有100倍!3D打印實現太空工業(yè)化。

       2024年4月，緬因大學宣布研發(fā)出世界上最大的聚合物3D打印機，命名為“未來工廠1.0”（FoF 1.0）?！　?/p>

技術原理

       3D打印機又稱三維打印機（3DP），是一種累積制造技術，即快速成形技術的一種機器，它是一種數字模型文件為基礎，運用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過打印一層層的粘合材料來制造三維的物體。現階段三維打印機被用來制造產品。逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印機的原理是把數據和原料放進3D打印機中，機器會按照程序把產品一層層造出來。

       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，堆疊薄層的形式有多種多樣，可用于打印的介質種類多樣，從繁多的塑料到金屬、陶瓷以及橡膠類物質。有些打印機還能結合不同介質，令打印出來的物體一頭堅硬而另 一頭柔軟。

       1、有些3D打印機使用“噴墨”的方式。即使用打印機噴頭將一層極薄的液態(tài)塑料物質 噴涂在鑄模托盤上，此涂層然后被置于紫外線下進行處理。之后鑄模托盤下降極小的距離，以供下一層堆疊上來。

       2、還有的使用一種叫做“熔積成型”的技術，整個流程是在噴頭內熔化塑料，然后通過沉積塑料纖維的方式才形成薄層。

       3、還有一些系統(tǒng)使用一種叫做“激光燒結”的技術，以粉末微粒作為打印介質。粉末微粒被噴撒在鑄模托盤上形成一層極薄的粉末層，熔鑄成指定形狀，然后由噴出的液態(tài)粘合劑進行固化。

       4、有的則是利用真空中的電子流熔化粉末微粒，當遇到包含孔洞及懸臂這樣的復雜結構時，介質中就需要加入凝膠劑或其他物質以提供支撐或用來占據空間。這部分粉末不會被熔鑄，最后只需用水或氣流沖洗掉支撐物便可形成孔隙。

發(fā)展簡史

發(fā)展年表

       3D打印思想起源于19世紀末的美國，并在20世紀80年代得以發(fā)展和推廣。3D打印是科技融合體模型中最新的高“維度”的體現之一。

       19世紀末，美國研究出了的照相雕塑和地貌成形技術，隨后產生了打印技術的3D打印核心制造思想。

       20世紀80年代以前，三維打印機數量很少，大多集中在“科學怪人”和電子產品愛好者手中。主要用來打印像珠寶、玩具、工具、廚房用品之類的東西。甚至有汽車專家打印出了汽車零部件，然后根據塑料模型去訂制真正市面上買到的零部件。

       1979年，美國科學家RF Housholder獲得類似“快速成型”技術的專利，但沒有被商業(yè)化。

       20世紀80年代已有雛形，其學名為“快速成型”。20世紀80年代中期，SLS被在美國得克薩斯州大學奧斯汀分校的卡爾Deckard博士開發(fā)出來并獲得專利，項目由DARPA贊助的。

       到20世紀80年代后期，美國科學家發(fā)明了一種可打印出三維效果的打印機，并已將其成功推向市場，3D打印技術發(fā)展成熟并被廣泛應用。普通打印機能打印一些報告等平面紙張資料。而這種最新發(fā)明的打印機，它不僅使立體物品的造價降低，且激發(fā)了人們的想象力。未來3D打印機的應用將會更加廣泛。

       1995年，麻省理工創(chuàng)造了“三維打印”一詞，當時的畢業(yè)生Jim Bredt和Tim Anderson修改了噴墨打印機方案，變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末狀的解決方案，而不是把墨水擠壓在紙張上的方案。

       2003年以來三維打印機的銷售逐漸擴大，價格也開始下降。

研發(fā)產品

       家用3D打印機

       德國發(fā)布了一款迄今為止最高速的納米級別微型3d打印機——Photonic Professional GT。 這款Photonic Professional GT 3D打印機，能制作納米級別的微型結構，以最高的分辨率，快速的打印寬度，打印出不超過人類頭發(fā)直徑的三維物體。

       最小的3D打印機

       世上最小的3D打印機來自維也納技術大學，由其化學研究員和機械工程師研制。這款迷你3D打印機只有大裝牛奶盒大小，重量約3.3磅（約1.5公斤），造價1200歐元（約1.1萬元人民幣）。相比于其他的打印技術，這款3D打印機的成本大大降低。研發(fā)人員還在對打印機進行材料和技術的進一步實驗，希望能夠早日面世。

       最大的3D打印機

       華中科技大學史玉升科研團隊經過十多年努力，實現重大突破，研發(fā)出全球最大的“3D打印機”。這一“3D打印機”可加工零件長寬最大尺寸均達到1.2米。從理論上說，只要長寬尺寸小于1.2米的零件（高度無需限制），都可通過這部機器“打印”出來。這項技術將復雜的零件制造變?yōu)楹唵蔚挠上轮辽系亩S疊加，大大降低了設計與制造的復雜度，讓一些傳統(tǒng)方式無法加工的奇異結構制造變得快捷，一些復雜鑄件的生產由傳統(tǒng)的3個月縮短到10天左右。

       大連理工大學參與研發(fā)的最大加工尺寸達1.8米的世界最大激光3D打印機進入調試階段，其采用“輪廓線掃描”的獨特技術路線，可以制作大型工業(yè)樣件及結構復雜的鑄造模具。這種基于“輪廓失效”的激光三維打印方法已獲得兩項國家發(fā)明專利。該激光3D打印機只需打印零件每一層的輪廓線，使輪廓線上砂子的覆膜樹脂碳化失效，再按照常規(guī)方法在180℃加熱爐內將打印過的砂子加熱固化和后處理剝離，就可以得到原型件或鑄模。這種打印方法的加工時間與零件的表面積成正比，大大提升打印效率，打印速度可達到一般3D打印的5—15倍。

       2024年4月，緬因大學宣布研發(fā)出世界上最大的聚合物3D打印機，命名為“未來工廠1.0”（FoF 1.0）。該打印機具備令人矚目的規(guī)模和速度，能夠打印長96英尺、寬32英尺、高18英尺的物體，并且每小時可打印多達500磅材料。 彩印3D打印機

       2013年5月上市了這種類型的3D打印機新產品“ProJet x60”系列。ProJet品牌主要有四種造型方法的裝置。其余三種均是使用光硬化性樹脂的類型，包括用激光硬化光硬化性樹脂液面的類型、從噴嘴噴出光硬化性樹脂后照射光進行硬化的類型（這種類型的造型材料還可以使用蠟）、向薄膜上的光硬化性樹脂照射經過掩模的光的類型。高端機型ProJet 660Pro和ProJet 860Pro可以使用CMYK（青色、洋紅、黃色、黑色）4種顏色的粘合劑，實現600萬色以上的顏色ProJet 260C和ProJet 460Plus使用CMY三種顏色的粘合劑）。

       3D打印機器人

       2013年11月23日，西安電子科技大學展出3D打印機器人，這是一臺遠程體感控制服務機器人，最主要的功能是照顧老人。很多老人行動不便，有了機器人助手，只要對著攝像頭做出手勢，機器人就能模仿動作去做家務。

主要特點

       3D打印帶來了世界性制造業(yè)革命，以前是部件設計完全依賴于生產工藝能否實現，而3D打印機的出現，將會顛覆這一生產思路，這使得企業(yè)在生產部件的時候不再考慮生產工藝問題，任何復雜形狀的設計均可以通過3D打印機來實現。

       3D打印無需機械加工或模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的物體， 從而極大地縮短了產品的生產周期，提高了生產率。盡管仍有待完善，但3D打印技術市場潛力巨大，勢必成為未來制造業(yè)的眾多突破技術之一。

       3D打印使得人們可以在一些電子產品商店購買到這類打印機，工廠也在進行直接銷售?？茖W家們表示，三維打印機的使用范圍還很有限，不過在未來的某一天人們一定可以通過3D打印機打印出更實用的物品。

       3D打印技術對美國太空總署的太空探索任務來說至關重要，國際空間站現有的三成以上的備用部件都可由這臺3D打印機制造。這臺設備將使用聚合物和其他材料，利用擠壓增量制造技術逐層制造物品。3D打印實驗是美國太空總署未來重點研究項目之一，3D打印零部件和工具將增強太空任務的可靠性和安全性，同時由于不必從地球運輸，可降低太空任務成本。

應用領域

       3D打印技術可用于珠寶，鞋類，工業(yè)設計，建筑，工程和施工（AEC），汽車，航空航天，牙科和醫(yī)療產業(yè)，教育，地理信息系統(tǒng)，土木工程，和許多其他領域。常常在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型或者用于一些產品的直接制造，意味著這項技術正在普及。通過3D打印機也可以打印出食物，是3D打印機未來的發(fā)展方向。

航天科技

       GE中國研發(fā)中心的工程師們仍在埋頭研究3D打印技術。就在這之前，他們剛剛用3D打印機成功“打印”出了航空發(fā)動機的重要零部件。與傳統(tǒng)制造相比，這一技術將使該零件成本縮減30%、制造周期縮短40%。來不及慶祝這一喜人成果，他們就又匆匆踏上了新的征程。鮮為人知的是，他們已經“秘密”研發(fā)3D打印技術十年之久了。

       一位叫Jim Smith的工程師又通過3D打印技術造出了世界首艘3D打印皮劃艇，并且成功下水。

       這艘“皮劃艇”是他花費了42天時間，使用一臺自制大型3D打印機打造的。它身長5米，由28塊彩色ABS塑料組裝而成，每個部件都是由3D打印機制作，然后再用螺栓固定在一起。

       制造的過程看似簡單，其實頗費功夫。從開始規(guī)劃到制造完成花了Smith近6年的時間，下水前的最后調整也花費了40天。這艘成品長5.08米，寬0.52米，總重量為29.29公斤，其中ABS部分重26.48公斤，黃銅螺紋部件重0.86公斤，螺栓重2.068公斤，總造價只有500美元。

       3D打印技術已經日趨成熟，未來人們用它來造房子、造汽車，甚至更多東西也不無可能。

       2015年6月22日報道，國營企業(yè)俄羅斯技術集團公司以3D打印技術制造出一架無人機樣機，重3.8公斤，翼展2.4米，飛行時速可達90至100公里，續(xù)航能力1至1.5小時。

       公司發(fā)言人弗拉基米爾·庫塔霍夫介紹，公司用兩個半月實現了從概念到原型機的飛躍，實際生產耗時僅為31小時，制造成本不到20萬盧布（約合3700美元）。 

音樂行業(yè)

       為了探索3D打印機更多的應用，Rickard Dahlstrand使用Lulzbot 3D打印機創(chuàng)造出獨特的藝術。在2013斯德哥爾摩藝術黑客節(jié)上，Lulzbot 3D打印機不僅為參加的藝術家和黑客們打印出藝術節(jié)的LOGO，而且作為一個表演項目，它還一邊播放古典音樂一邊相應地打印出可視化的音樂作品。Lulzbot 3D打印機打印可視化音樂的原理是：該步進電機的運動進行控制可以以不同的速度運行，聲音的音調決定速度，從而音樂控制了打印過程。三臺電機分別代表一個音軌，它們使用獨特的模式運動。兩個馬達控制Z軸移動。

醫(yī)療行業(yè)

       骨骼打印

       將來外科醫(yī)生們或許就將可以在手術中現場利用打印設備打印出各種尺寸的骨骼用于臨床使用。這種神奇的3D打印機已經被制造出來了，而用于替代真實人體骨骼的打印材料則正在緊鑼密鼓地測試之中。

       在實驗室測試中，這種骨骼替代打印材料已經被證明可以支持人體骨骼細胞在其中生長，并且其有效性也已經在老鼠和兔子身上得到了驗證。未來數年內，打印出的質量更好的骨骼替代品或將幫助外科手術醫(yī)師進行骨骼損傷的修復，用于牙醫(yī)診所，甚至幫助骨質疏松癥患者恢復健康。

       3D打印技術迅速興起，成為炙手可熱的新型產業(yè)，它可以打印的立體產品種類正迅速增加。為了打印骨骼材料，博斯和她的同事們使用了一臺商業(yè)銷售的ProMetal 3D打印機進行測試。這種3D打印機最初的設計目的是為了打印金屬件。它會逐層噴灑塑料膠粒在一層粉末基底之上并逐層成型。每一層的厚度僅相當于人的頭發(fā)絲寬度的一半。

       這種骨骼支架的主要材料成分是磷酸鈣，其中還額外添加了硅和鋅以便增強其強度。當它被植入人體內之后可以暫時起到骨骼的支撐作用，并在此過程中幫助正常骨骼細胞生長發(fā)育并由此修復之前的損傷，隨后這種材料可以在人體內自然溶解。

       科學家們花費4年時間才找出這種材料的合適配方，其中涉及化學，材料學，生物學和工藝科學的諸多學科。

文物行業(yè)

       美國德雷塞爾大學的研究人員通過對化石進行3D掃描，利用3D打印技術做出了適合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同時還做了比例縮減，更適合研究。

       博物館里常常會用很多復雜的替代品來保護原始作品不受環(huán)境或意外事件的傷害，同時復制品也能將藝術或文物的影響傳遞給更多更遠的人。史密森尼博物館就因為原始的托馬斯·杰弗遜像要放在弗吉尼亞州展覽，所以博物館用了一個巨大的3D打印替代品放在了原來雕塑的位置。

建筑領域

       在建筑業(yè)里，工程師和設計師們已經接受了用3D打印機打印的建筑模型，這種方法快速、成本低、環(huán)保，同

       時制作精美。完全合乎設計者的要求，同時又能節(jié)省大量材料。

       荷蘭海牙核安全峰會在2014年3月24日到25日舉行，各國國家元首皆出席此次峰會，忙里偷閑各國元首也會參加一些有趣的聚會或活動，比如習近平主席攜夫人彭麗媛女士參加的荷蘭國王舉行的國宴，與此同時前來與會的美國總統(tǒng)奧巴馬先生卻在DUS公司的3D打印展覽館，參觀全球最大的3D打印建筑物。

       該3D打印展利用3D打印技術準備打印全球最大的3D打印房屋，該公司使用名為KamerMaker的3D打印機，高達6米可安置在廢棄集裝箱內。KamerMaker的功能與桌面3D打印機相似，可在連續(xù)層次中擠壓出熱塑料。它還可以用來打印較小物件，比如板凳。

制造業(yè)

       制造業(yè)也需要很多3D打印產品，因為3D打印無論是在成本、速度和精確度上都要比傳統(tǒng)制造好很多。而3D打印技術本身非常適合大規(guī)模生產，所以制造業(yè)利用3D技術能帶來很多好處，甚至連質量控制都不再是個問題。

       比如微軟的3D模型打印車間，在產品設計出來之后，通過3D打印機打印出來模型，能夠讓設計制造部門更好的改良產品，打造出更出色的產品。汽車行業(yè)在進行安全性測試等工作時，會將一些非關鍵部件用3D打印的產品替代，在追求效率的同時降低成本。

汽車打印

       2014年10 月10日，世界首款3D打印汽車終成現實，這輛由“本地汽車”公司打造的3D打印汽車只有兩個座位，名字叫“斯特拉迪”，它的制作周期為44個小時，并且最高時速可以達到80公里每小時?！八固乩稀比硎翘祭w維及塑料，利用“3D打印技術”制造而成。據悉，全車只使用了40個零件，且依靠電動能源，充一次電花費3.5小時，可以行駛大約100公里。

食品產業(yè)

       2013年5月22日，NASA已選中總部位于得克薩斯州的系統(tǒng)和材料研究公司，向其投資12.5億美元，研發(fā)能為宇航員制造“營養(yǎng)可口”食品的3D打印機。

       3D食物打印機的概念設計方案中，打印機的“墨盒”——也就是裝載食物的部分使用壽命長達30年。這款產品的實驗版本已經可以成功“打印”巧克力，而比薩餅將是它未來幾周內的下一個目標。據透露，食物打印機制造比薩餅的步驟如下：首先，打印一層面餅，并在打印的同時烤好；然后機器會將使用裝載番茄的“墨盒”和水、油混合，打印出番茄醬。最后將醬料和奶油打印在比薩餅的表面。

       一位名叫Luiza Silva的學生就設計了一個3D概念打印機Atomium，它能夠打印分子級的材料，幾乎能夠打印各種形狀。如果這個概念得以實現，它將會改變我們與食物間的關系。

       Atomium的工作原理是這樣的：用戶事先注冊基本信息，比如醫(yī)療數據（對什么過敏等）和飲食偏好等。然后，用戶可以簡單勾畫出他們喜歡的形狀類型，Atomium就會分析這些指令并創(chuàng)造出相應的食物。

       西班牙巴塞羅那的自然機器公司向市場推出首款3D食物打印機Foodini，像是將食物打印出來一樣制作出甜品、漢堡、面包、巧克力或意大利面。自然機器公司對于這款特殊“打印機”的銷售前景十分樂觀。 

生活用品

       配件、飾品

       這是最廣闊的一個市場。在未來不管是你的個性筆筒，還是有你半身浮雕的手機外殼，抑或是你和愛人擁有的定制戒指，都有可能是通過3D打印機打印出來的。甚至不用等到未來，就可以實現。

       美容護膚

       3D打印技術未來也可能會幫助愛美人士進行整容，說不定未來最有效果的青春痘的治療方法就是通過3D打印技術來實現呢！不僅青春痘,包括祛斑、美白等領域都有希望使用到3D打印技術的！

如何建模

       3D打印機建模是一個涉及多個步驟的過程，主要包括準備模型、切片和打印前準備。以下是詳細的建模步驟：

一、準備模型

       選擇建模軟件：

       可以使用各種設計軟件來創(chuàng)建或獲取3D模型，如SolidWorks、AutoCAD、Fusion 360、Rhino（Rhinoceros）、3ds Max、ZBrush、SketchUp、FreeCAD等。這些軟件提供了豐富的工具和功能，使用戶能夠繪制、編輯和調整模型的各個方面。

       根據項目需求、設計復雜性和個人偏好選擇合適的建模軟件。例如，SolidWorks適用于機械設計和工程領域，Rhino和ZBrush則廣泛應用于產品設計和藝術創(chuàng)作。

       創(chuàng)建或獲取模型：

       使用建模軟件創(chuàng)建新的3D模型，或者從互聯(lián)網上下載現成的3D模型并根據需要進行修改。

       在建模過程中，需要注意模型的幾何結構、細節(jié)層次和打印可行性，以確保模型能夠被3D打印機成功打印出來。

       模型優(yōu)化：

       對模型進行優(yōu)化處理，以確保其適合3D打印。這可能包括修復模型中的錯誤、增加支撐結構以提高打印成功率、調整模型尺寸以適應打印平臺等。

二、切片

       選擇切片軟件：

       一旦有了完整的3D模型，就需要將其轉換為可被打印機理解并逐層打印的文件格式。這個過程稱為切片，通常通過專門的切片軟件完成，如Cura、Simplify3D等。

       進行切片處理：

       在切片過程中，用戶可以選擇不同的參數設置，如層厚、填充密度、支撐結構等。這些參數的設置將直接影響打印速度、打印質量和材料消耗。

       根據打印需求和打印機性能選擇合適的參數設置，并進行切片處理以生成G代碼文件。

三、打印前準備

       傳輸G代碼：

       將經過切片處理后的G代碼文件傳輸到3D打印機中。這可以通過USB、SD卡或Wi-Fi等方式完成。

       設置打印機參數：

       在打印機控制面板上選擇導入的G代碼文件，并根據設備指南設置好相關參數（如溫度、速度等）。

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       檢查所有設置是否正確無誤后，啟動打印機開始工作。在每一層上逐漸堆疊材料直到完成整個物體的制作。

四、注意事項

       在建模和打印過程中，需要密切注意打印機的狀態(tài)和打印質量，及時調整參數和處理問題。

       確保使用高質量的打印材料，并按照安全操作規(guī)程進行操作，以避免潛在的安全風險。

       對于初學者來說，建議從簡單的模型開始練習建模和打印技巧，逐漸提高難度和復雜度。

       通過以上步驟和注意事項，用戶可以使用3D打印機進行建模并成功打印出所需的物體。