3D打印.docx

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3D打印

3D打印

3D打印（英语：

3Dprinting），又称积层制造（AdditiveManufacturing，AM），属于快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础直接制造几乎任意形状三维实体的技术。

3D打印运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体，即“层造形法”。

3D打印与传统的机械加工技术不同，后者通常采用切削或钻孔技术（即减材工艺）实现。

过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。

特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件，意味着“3D打印”这项技术的普及。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。

这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。

[1]

该技术在珠宝，鞋类，工业设计，建筑，工程和施工（AEC），汽车，航空航天[2]，牙科和医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程，枪支以及其他领域都有所应用。

历史

长久以来科学家和技术工作者一直有着一个复制技术的设想，但直到20世纪80年代，3D打印的概念才算真正开始实现。

1982年，日本名古屋市工业研究所首次公开实现实体模型的印制。

但直到2010年代才出现商业的3D打印机。

然而，最常被冠以发明“现代”3D打印机的人是查尔斯·W·赫尔（ChuckHull）。

自21世纪初，3D打印机销量大增，进而价格也明显下降。

根据总部位于美国的全球知名的从事3D打印行业研究的咨询机构WohlersAssociates,Inc统计，2012年3D打印机及其服务市场达到了22亿美元，比2011年增长了29%。

术语

“增材制造”（Additivemanufacturing）用来指通过层层叠加制造实体的技术。

制造出的实体可用于从试制（即快速原型）到最终产品的规模化生产（即快速制造）整个生命周期内任何地方。

一般原理

三维模型的分区

三维设

3D打印的设计过程是：

先通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，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。

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文件使用三角面来大致模拟物体的表面。

三角面越小其生成的表面分辨率越高。

PLY是一种通过扫描来产生三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

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ObjetConnex系列还有3DSystems'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3D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。

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3D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3D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。

表面

目前3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：

先用当前的3D打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。

有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。

技术

现在存在着许多不同的技术。

它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。

有些技术利用熔化或软化可塑性材料的方法来制造打印的“墨水”，例如：

选择性激光烧结（selectivelasersintering，SLS）和熔融沉积式（fuseddepositionmodeling，FDM），还有一些技术是用液体材料作为打印的“墨水”的，例如：

立体平板印刷（stereolithography，SLA）、分层实体制造（laminatedobjectmanufacturing，LOM）。

每种技术都有各自的优缺点，因而一些公司会提供多种打印机以供选择。

一般来说，主要的考虑因素是打印的速度和成本，3D打印机的价格，物体原型的成本，还有材料以及色彩的选择和成本。

可以直接打印金属的打印机价格昂贵。

有时候人们会先使用普通的3D打印机来制作模具，然后用这些模具制作金属部件。

累积技术

基本材料

选择性激光烧结（selectivelasersintering，SLS）

热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末

直接金属激光烧结（Directmetallasersintering，DMLS）

几乎任何合金

熔融沉积式（fuseddepositionmodeling，FDM）

热塑性塑料，共晶系统金属、可食用材料

立体平版印刷（stereolithography，SLA）

光硬化树脂（photopolymer）

数字光处理（DLP）

液态树脂

熔丝制造（FusedFilamentFabrication，FFF）

聚乳酸（PLA）、ABS树脂

融化压模式（MeltedandExtrusionModeling，MEM）

金属线、塑料线

分层实体制造（laminatedobjectmanufacturing，LOM）

纸、金属膜、塑料薄膜

电子束熔化成型（Electronbeammelting，EBM）

钛合金

选择性热烧结（Selectiveheatsintering，SHS）

Thermoplasticpowder

粉末层喷头3D打印（en:

Powderbedandinkjethead3dprinting，PP）

石膏

打印机

家用打印机

有一些机构以及公司正在努力开发一般家庭负担得起的3D打印机，其中有许多是相关的。

这项工作的推动，并有针对性地DIY/发烧友/早期采用者社区的学术和黑客社区的链接。

RepRap3D打印机是一个在桌面类的运行时间最长的项目。

RepRap项目的目的是产生一个自由和开放源码软件（FOSS）的3D打印机，其规格在GNU通用公共许可证下发布的，并可以打印自己的部分（打印件），以创造更多的机器。

截至2010年11月，RepRap可以打印塑料件，并要求电机，电子和一些金属支撑棒来完成。

[来源请求]打印印刷电路板，以及金属部件的设备正在研究中。

一些公司和个人出售部分创建不同的RepRap设计，开始于2012年的价格约€400/500美元。

[3]

由于RepRap具有的开放源码软件的目的，许多相关的项目都用它的设计中获取灵感，创造一个生态系统的许多相关的或派生的3D打印机，其中大部分也是开源设计。

这些开源设计的可用性意味着，发明3D打印机的变体很容易。

但是，不同的打印机设计的质量和复杂性不同，套件或成品的质量也良莠不齐。

这种快速发展的开源3D打印机的正在得到越来越多的关注，无论是发达国家和发展中国家都在大量定制和设计，因为它可以通过管道在公共领域使用，如Thingiverse制作的适当开源的技术。

这项技术也可以协助在可持续发展，这种技术很容易在当地取得资源，因此十分经济，以满足他们的需求。

开放源码的Fab@Home项目一般使用的打印机，可以使用一个喷嘴做出任何产品，从巧克力到硅密封剂和化学反应物。

打印机可以从供应商的工具包项目的设计或组装的形式，在2012年该地区的价格是2000美元。

[3]

许多这些打印机以套件形式提供的，还有一些是完全组装好的形式。

完全组装好的Solidoodle2，一个6x6x6英寸的打印机的价格为499美元。

打印机套件的价格从400美元为开源SeeMeCNCH-1，500美元的Printrbot，这两者都是来自以前的RepRap打印机的派生模型，到超过2000美元的Fab@Home的2.0双注射器系统。

商用和家用打印机

开发和能超级自定义的的基于RepRap的3D打印机制作了一类新的打印机，适用于住宅及商业用途。

最便宜的组装打印机是Solidoodle2，而RepRapPro的DIY套件售价为680美元左右，是最便宜的和最可靠的。

还有其他的高端工具包和完全组装好的机器，是基于RepRap的机器增强型号，能以高速和高清晰度来打印。

根据不同的应用，打印分辨率和速度的程度介乎个人打印机和工业打印机之间。

打印机的价格和其他信息的清单被人维护[3]。

大部分最近的deltarobots已经用于3D打印来进一步的增加制造的速度。

[4]

应用

3D打印的限量版首饰的例子。

这个项链是由玻璃纤维填充的染色尼龙。

它具有的旋转链接和其他部件都用了相同的制造步骤。

摄影：

AtelierTedNoten

工业应用

在20世纪80年代初以来，工业的3D打印机已经存在，并已广泛用于快速成型设计和研究目的。

这些通常是较大的机器，使用专有的金属粉末，铸造介质（如沙子），塑料或磁带，并用于许多快速原型使用的大学和商业公司。

制造工业用3D打印机的公司包括Renishaw，ObjetGeometries，Stratasys，3DSystem和ZCorporation公司。

快速制造

在快速成型技术的进步所带来的使用材料用于最终制造的能力。

在材料的使用这些技术进步带来的直接生产成品组件的前景。

3D打印技术的优势在于相对廉价的生产少量的零件快速制造。

3D打印服务

有些公司提供网上在线的3D打印服务，既对消费者也对工业界开放。

人们上传自己的3D设计到3D打印服务公司网站，设计被通过工业的3D打印机打印后运到客户。

3D打印服务公司的一些例子是Shapeways，Kraftwurx，i.materialise和FreedomOfCreation。

MakerBot工业的Thingiverse允许共享的3D打印文件和作为一个社区资源。

新应用的研究

其他应用程序将包括创造开放源码的科学设备[5] ，或用于其他科学为基础的应用程序，例如重建古生物化石，复制古老而珍贵文物，重建骨骼和身体各部位的法医病理学，以及重建严重受损来自于犯罪现场调查的证据。

美国太空总署（NASA）资助美国一位工程师，设计3D食物打印机，如果机器设计成功，不仅能为长途太空任务提供食物，未来地球人类过多引发资源不足时，也能直接印出食物喂饱大众[6]。

2013年11月，第一把3D打印金属枪问世。

[7][8][9]

2014年1月，第一个3d打印建筑问世。

[10]

3d打印机?

  三维打印（3D printing），即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。

特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。

“三维打印”意味着这项技术的普及。

三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。

这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。

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1 基本原理

 3D打印并非是新鲜的技术，这个思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广。

中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。

三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。

这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。

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。

堆叠薄层的形式有多种多样。

有些3D打印机使用“喷墨”的方式。

例如，一家名为Objet的以色列3D打印机公司使用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，此涂层然后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。

另外一家总部位于美国明尼阿波利斯市的公司Stratasys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才形成薄层。

还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。

粉末微粒被喷撒在铸模[2]托盘上形成一层极薄的粉末层，然后由喷出的液态粘合剂进行固化。

它也可以使用一种叫做“激光烧结”的技术熔铸成指定形状。

这也正是德国EOS公司在其叠加工艺制造机上使用的技术。

而瑞士的Arcam公司则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒。

以上提到的这些仅仅是许多成型方式中的一部分。

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。

如今可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。

有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。

发展历程

3D打印源自100多年前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”。

它的原理是：

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。

中国物联网校企联盟形象的将它称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。

据报道，美国科学家发明了一种可打印出三维效果的打印机，并已将其成功 可打印出塑料制成的固体制品推向市场。

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，它不仅使立体物品的造价降低，且激发了人们的想象力。

未来3D打印机的应用将会更加广泛。

3d打印机

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面上买不到的零部件。

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。

不过物以稀为贵，一套三维打印机的价格从一般的750美元到上等质量的27000美元不等。

科学家们表示，三维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。

在20世纪80年代中期，SLS被在美国德州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利，项目由DARPA赞助的。

1979年，类似过程由RFHousholder得到专利，但没有被商业化。

1995年，麻省理工创造了“三维打印”一词，当时的毕业生JimBredt和TimAnderson修改了喷墨打印机方案，变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案，而不是把墨水挤压在纸张上的方案。

3 国产3D打印机

随着3D打印技术的不断成熟，国内3D打印研发人员也在不断更新与改进，随着3D打印技术的热度不断升温，3D打印便是一项时尚的话题。

国内众多打印设备品牌厂家也在着力研发3D打印产品，例如深圳武腾3D打印机、乐彩3D打印机等国内新兴3D打印机厂家。

4 主流3D打印技术简介FDM,SLA,3DP

熔融沉积快速成型（FusedDepositionModeling，FDM）

熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。

热熔材料融化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。

在3D打印技术中，FDM的机械结构最简单，设计也最容易，制造成本、维护成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术，而工业级FDM机器，主要以Stratasys公司产品为代表。

FDM技术的桌面级3D打印机主要以ABS和PLA为材料，ABS强度较高，但是有毒性，制作时臭味严重，必须拥有良好通风环境，此外热收缩性较大，影响成品精度；PLA是一种生物可分解塑料，无毒性，环保，制作时几乎无味，成品形变也较小，所以国外主流桌面级3D打印机均以转为使用PLA作为材料。

武腾3D打印机

FDM技术的优势在于制造简单，成本低廉，但是桌面级的FDM打印机，由于出料结构简单，难以精确控制出料形态与成型效果，同时温度对于FDM成型效果影响非常大，而桌面级FDM3D打印机通常都缺乏恒温设备，因此基于FDM的桌面级3D打印机的成品精度通常为0.3mm-0.2mm，少数高端机型能够支持0.1mm层厚，但是受温度影响非常大，成品效果依然不够稳定。

此外，大部分FDM机型制作的产品边缘都有分层沉积产生的“台阶效应”，较难达到所见即所得的3D打印效果，所以在对精度要求较高的快速成型领域较少采用FDM。

[1]

5 基本步骤

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。

葛菲娜

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ObjetConnex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。

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。

目前三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：

先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。

有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。

6 基本特点

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。

7 相关技术

7.1 技术影响

有些业内人认为，三维打印技术对制造业的影响将可与喷墨打印机对文件打印的影响相媲美。

三维打印技术带来的变化或将改变制造业的经济面貌。

许多人认为，这项技术将让商业完全去中心化，逆转伴随着工业化到来的城市化进程，人们将不再需要工厂，届时，每个村庄都将拥有一个由打印机组成的制造厂，制造所需的物品。

但是，也有人认为，城市的经济和社会利益远远超出吸引工人到装配线上工作的能力。

有人坚持认为，三维打印技术减少了对工厂工人的需求，削减低成本、低工资国家的优势，因而会增加发达国家的生产能力。

不过，也有人对此表示怀疑，他们称，亚洲制造商也有能力采用该技术，而且，即使三维打印技术确实会让生产重回发达国家，它也无法提供更多的工作机会，因为与标准的制造过程相比，它并非劳动密集型的技术。

而三维打印技术给物流公司带来的威胁是显而易见的，2010年在由DHL公司组织的一次大会上，有人就提出了这种可能性：

当公司能够在需求产品的地方打印出急需的零部件时，为什么还会从国外空运呢？

7.2 面临问题

现在三维打印技术的精度约为0.1毫米，而且打印机本身的售价偏高，不过，随着技术的进步和成本的降低，一台普通三维打印机的成本有望比1985年的激光打印机还要低。

但生物三维打印机也面临着诸多挑战，其中之一是其打印出的物体如何与身体其他器官尤其是大的组织更好地结合，因为任何打印出来的器官或身体组织都需要同身体的血管相连，而这可能非常难实现。

一旦克服了这个技术障碍，在未来几十年内，生物打印技术将成为一项标准技术。

7.3 产权保护

三维打印技术的意义不仅在于改变资本和工作的分配模式，而且也在于它能改变知识产权的规则。

该技术的出现使制造业的成功不再取决于生产规模，而取决于创意。

然而，单靠创意也不够，模仿者和创新者都能轻而易举地在市场上快速推出新产品。

因此，竞争优势可能将前所未有地变得比以前更短。

一旦物品能用数字文件来描述，它们就会变得很容易复制和传播，当然，盗版也会变得更加猖獗，就像音乐工业出现的情况一样。

当一个新玩具的草图或一双鞋的设计方案在网上流传时，其知识产权的拥有者会失去更多，因此，人们在知识产权领域进行的斗争会更加激烈。

并且，随着开源软件、新的非商业模式的出现，三维打印技术需要比目前更加严谨还是更加宽松的法规还有待验证。

3D打印机可制作枪支，安全问题引发争议,从网上免费下载示意图，然后在3D打印机上制作枪支，所有一切都只通过点击按钮完成。

点击打印，然后走开，几小时后你就拥有一支枪了。

这样制作枪支不需要接受背景调查，没有年龄限制，枪支身上也不需要刻上序列号或需要跟踪枪支去处的销售收据。

所以3D打印技术带来的安全问题也是存在争议的，未来如何发展，还需进一步明确。

7.4 税务问题

过去税务局、海关对交易征税都是基于商品的价值。

如果将来货物的制造模式都是通过购买3D打印机和“耗材”，从网上下载设计文件（大多数将是免费的）自行打印出所需的物品，那么传统的征税模式将难以为继。

未来的税基将很可能从增值税、消费税转向个人所得税和营业税。

8 应用范畴

8.1 医疗行业

一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。

8.2 骨骼打印

据国外媒体报道，在不久的将来外科医生们或许就将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。

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则正在紧锣密鼓地测试之中。

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。

3D打印技术迅速兴起，成为炙手可热的新型产业，它可以打印的立体产品种类正迅速增加。

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P