3d打印技術(shù)原理論文范文
3D打印技術(shù)是打印行業(yè)的新技術(shù),打印出來的東西比傳統(tǒng)技術(shù)的打印出來的更有立體感。學(xué)習(xí)啦小編整理了3d打印技術(shù)論文,希望能對大家有所幫助!
3d打印技術(shù)論文篇一:《3D打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展探究》
摘要:印刷和打印技術(shù)作為信息傳播的重要方式,以平面圖文信息的形式,為人類的文明和進(jìn)步做出了重要的貢獻(xiàn)。3D(三維)打印技術(shù)是在傳統(tǒng)二維平面印刷打印技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過逐層二維打印的疊加,在三維立體空間內(nèi)制造出產(chǎn)品。本文主要講述3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用,探索限制3D打印技術(shù)發(fā)展的瓶頸及其未來發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞:3D打印技術(shù);印刷技術(shù);發(fā)展前景
0 引言
近年來,我們經(jīng)常會看到有關(guān)于3D打印技術(shù)的新聞,“3D打印房屋”、“3D打印金屬手槍”、“3D打印自行車”、“3D打印仿生耳”等等,3D打印自問世以來就得到了廣泛的關(guān)注,其應(yīng)用更是跨越各個領(lǐng)域。2014年11月末,《時代》周刊將3D打印技術(shù)列為2014年25項年度最佳發(fā)明之一。全球工業(yè)分析公司(Global Industry Analysis Inc)的研究報告預(yù)測2018年全球3D打印市場將達(dá)到29.9億美元。但3D打印技術(shù)也面臨著如制造速度與精度、設(shè)備和材料成本、產(chǎn)品性能、操作的安全性等多方面的瓶頸和挑戰(zhàn)。提升3D打印的效率和精度,開發(fā)更為多樣的3D打印材料是未來的研究熱點。本文主要對3D打印技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究和探討。
1 何為3D打印
3D打印(Three Dimensional Printing)始于上世紀(jì)90年代,是快速成型技術(shù)的一種。美國3D System公司在1986年就制造了第一款3D打印設(shè)備。在傳統(tǒng)二維平面印刷打印技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過逐層二維打印的迭加,利用噴頭的三維運動實現(xiàn)曲面打印,逐層增加材料來生成三維實體,其原理圖如圖1所示。其分層加工的過程與傳統(tǒng)噴墨打印十分相似,樹脂、尼龍、塑料、金屬、陶瓷、混凝土等材料經(jīng)過特殊處理都可以用做3D打印的“墨水”。3D打印機(jī)是3D打印的核心裝備。它是集機(jī)械、控制及計算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng),主要由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外,新型打印材料、打印工藝、設(shè)計與控制軟件等也是3D打印技術(shù)體系的重要組成部分。
2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用
目前3D打印技術(shù)支持多種材料,可以廣泛應(yīng)用在工業(yè)設(shè)計、建筑、家具、航天、醫(yī)療和教育等各個領(lǐng)域,其主要具有以下應(yīng)用特點:
2.1 模具加工與機(jī)械制造 如今,3D打印技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械模具的設(shè)計與加工,如圖2A所示。相對于傳統(tǒng)制造技術(shù)來說,3D打印技術(shù)不需要任何模具或任何機(jī)械加工,既省工又省料,如美國F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)在制造過程中會大量使用鈦合金構(gòu)件,如使用傳統(tǒng)的整體鍛造方法,最大的鈦合金整體加強(qiáng)框材料利用率不到4.9%,使用3D打印利用率接近100%,幾乎不產(chǎn)生廢料,大大節(jié)省了原材料的浪費,降低了生產(chǎn)成本。此外,也可利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)個性生產(chǎn),滿足人們的少量和復(fù)雜形狀的個性化需求。如個性化藝術(shù)家具的定制和專屬個性空間的打造(如圖2B)。
在建筑行業(yè),2014年8月,在上海青浦張江高新園區(qū),盈創(chuàng)建筑科技有限公司用3D打印技術(shù)24小時打印了10棟房屋(如圖2C、2D)并交付使用,相關(guān)建筑指標(biāo)均達(dá)到國家建筑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),開啟了3D打印建筑的新篇章,將來更有望使用3D打印技術(shù)建造整棟別墅。
在航天方面,美國NASA以及國外的一些航天公司已經(jīng)就3D打印技術(shù)在航天上的應(yīng)用展開了嘗試,2014年第一臺3D打印機(jī)在國際空間站上安裝成功,并打印出扳手等機(jī)械部件,這臺打印機(jī)由Made in Space公司設(shè)計制作,該公司是世界首家研究零重力下3D打印技術(shù)的公司。而且3D打印為按需施材,減少了材料的浪費,從而降低了生產(chǎn)成本。
2.2 生物醫(yī)療 3D打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)的結(jié)合堪稱醫(yī)學(xué)史上的創(chuàng)造性舉動。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,已開始被應(yīng)用于手術(shù)分析策劃、假體植入物的制造、細(xì)胞或組織打印等方面。
早在2011年,德國科學(xué)家利用3D打印技術(shù)成功研制出了一種人工血管(如圖3A),該項目有望被用于人體試驗和藥物試驗。2014年,University College London的研究人員利用生物“墨水”打印出人造耳朵(如圖3B),可用于外科整形。目前這種3D打印耳朵已有成功移植的案例。2015年7月,湖南省腦科醫(yī)院利用3D打印顱骨為腦積水患兒縮腦,完成全球首例“全腦縮小塑形”手術(shù)。 2.3 考古文物復(fù)制 3D打印技術(shù)在考古文物領(lǐng)域主要用于修復(fù)已經(jīng)破損的古文物。在應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行文物修復(fù)時,需要使用3D掃描儀掃描破損文物,完成數(shù)據(jù)采集,并處理數(shù)據(jù),建立相應(yīng)的模型之后進(jìn)行打印。在電影《十二生肖》中,先是對獸首進(jìn)行三維掃描,再使用3D打印技術(shù)打印了獸首的復(fù)制模型,精度和相似度令人贊嘆,且不需后期加工打磨,相信在不久的將來,隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展改進(jìn),3D打印技術(shù)復(fù)制文物的精度定會上升到這個高度,將不再需要后期處理。
2.4 教育行業(yè) 3D打印技術(shù)也為教育的發(fā)展開啟了新的方向,許多教育機(jī)構(gòu)和組織正探索如何將3D技術(shù)應(yīng)用到教育、教學(xué)中。以高職教育為例,在高職院校中印刷技術(shù)專業(yè)、數(shù)碼印刷專業(yè)、印刷圖文信息處理以及計算機(jī)等相關(guān)專業(yè)都可以考慮引入3D打印技術(shù)。
相關(guān)專業(yè)引入3D打印技術(shù)后,可以將人才培養(yǎng)的目標(biāo)范圍進(jìn)行延伸和擴(kuò)大。培養(yǎng)不僅能從事傳統(tǒng)印刷設(shè)備和數(shù)碼印刷設(shè)備的操作,還能使用3D打印機(jī);不僅能完成傳統(tǒng)印刷和數(shù)碼印刷的印前制作,還能從事3D打印需要的三維建模設(shè)計;不僅能從事傳統(tǒng)印刷和數(shù)碼印刷的印刷工藝與生產(chǎn)管理、印刷營銷與業(yè)務(wù)管理,還能從事3D打印設(shè)備的控制和生產(chǎn)管理、營銷和業(yè)務(wù)管理的人才。學(xué)生就業(yè)面更寬廣,職業(yè)技能更新,更貼合社會發(fā)展需要,也必定會推動3D打印設(shè)備的發(fā)展。另外,3D打印技術(shù)可以作為扶持大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的一個項目,支持大學(xué)生們早日實現(xiàn)創(chuàng)業(yè)的夢想,讓剛剛走出校園的甚至還在校內(nèi)的大學(xué)生們勇敢地站在科技發(fā)展的前沿,直觀地感受打印技術(shù)帶來的影響與進(jìn)步。
3 3D打印技術(shù)未來發(fā)展前景分析
與傳統(tǒng)技術(shù)相比,3D打印技術(shù)擁有諸多優(yōu)勢。美國總統(tǒng)奧巴馬在2014年國情咨文的演講中強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)的重要性,賦予其制造業(yè)復(fù)興的重任,提出將推動3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在歐美發(fā)達(dá)國家,3D打印機(jī)的研究技術(shù)已走向成熟并產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。近年來,隨著2015年《中國制造2025》規(guī)劃的實施與頒布,我國對這項技術(shù)的重視和產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)劃將進(jìn)一步加強(qiáng)。
從中長期看來3D打印產(chǎn)業(yè)具有較為廣闊的發(fā)展前景,但要進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間,目前仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰(zhàn):一是設(shè)備和耗材方面,現(xiàn)有3D打印機(jī)造價普遍較為昂貴,打印耗材的價格每公斤幾百到數(shù)萬元不等,給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來了困難。二是打印材料方面,目前3D打印的成型材料多采用化學(xué)聚合物、石膏等材料,成型品的物理特性較差,金屬材料直接成型技術(shù)有待發(fā)展。三是工藝方面,目前3D打印的精度及效率還遠(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求。四是知識產(chǎn)權(quán)方面,3D打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散,制造業(yè)面對的盜版風(fēng)險大增,如何針對3D打印技術(shù)進(jìn)行知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)面臨新的挑戰(zhàn)。五是公共安全方面,如3D打印手槍,若可從網(wǎng)絡(luò)上下載手槍的三維圖紙,再擁有一臺3D打印機(jī)就可以打印并組裝手槍,這一潛在問題需要國家從法律層面進(jìn)行規(guī)范和監(jiān)督。
4 結(jié)束語
3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的代表性技術(shù)之一,越來越受到工業(yè)界和投資界的關(guān)注。偉大發(fā)明所能帶來的影響,在當(dāng)時那個年代都是難以預(yù)測的,1450年的印刷術(shù)如此,1969年的互聯(lián)網(wǎng)也是如此,3D打印技術(shù)更是如此。未來3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化等主要趨勢。隨著信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,制約3D打印技術(shù)發(fā)展的瓶頸將一一得到解決。3D打印技術(shù)也將被推向更高的應(yīng)用層面。
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3d打印技術(shù)論文摘要篇二:《3D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用》
摘要:目的:探討3維(D)打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用。資料與方法:結(jié)合臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)大綱,調(diào)取2012年1月到2014年6月典型骨科病例15例CT圖片進(jìn)行3D打印處理,制作骨骼三維立體模型,應(yīng)用于骨科臨床教學(xué)中。結(jié)果:3D打印技術(shù)制作的骨骼三維立體模型有助于加深醫(yī)學(xué)生骨科疾病理解,有助于培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生骨科臨床工作興趣。結(jié)論:3D打印技術(shù)制作在骨科臨床教學(xué)中具有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:3D打印技術(shù);臨床教學(xué);骨科
引言
3維(D)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),運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期,實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,通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來,最終把計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實物。該技術(shù)在醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、珠寶、工業(yè)設(shè)計、建筑、工程和施工、汽車,航空航天、地理信息系統(tǒng)、土木工程等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。自2013年11月起,我們將3D打印技術(shù)應(yīng)用于骨科臨床教學(xué)中,取得了滿意的效果。
資料與方法
結(jié)合蘇州大學(xué)臨床七年制臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)大綱,我們調(diào)取蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科數(shù)據(jù)庫資料中2012年1月到2014年6月典型骨科病例15例,提取患者相應(yīng)的德國西門子64排螺旋CT薄層平掃圖片(最薄層可達(dá)0.64MM),利用mimics 10.01軟件,制作成CAD文檔。導(dǎo)入蘇州大學(xué)骨科研究所的Solido SD300快速成型機(jī),進(jìn)行3D打印處理。Solido SD300快速成型機(jī)將獨特的PVC工程塑料薄膜一片片地切割,疊置,平均9小時就可以把患者相應(yīng)的骨骼1∶1三維立體成形。
在《外科學(xué)》骨科部分的課教學(xué)中,比如《股骨頭骨骺滑脫》、《骨盆和髖臼骨折》這些章節(jié),就一直是教學(xué)上的難點。需要掌握的知識點較多,內(nèi)容較抽象。我們在傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上,結(jié)合3D模型,加深學(xué)生對骨科疾病的認(rèn)識,取得了滿意的效果。
結(jié)果
在《股骨頭骨骺滑脫》章節(jié)的教學(xué)中,過去學(xué)生們對骨骺滑脫的位移、嚴(yán)重程度分級以及手術(shù)治療的方案、旋轉(zhuǎn)截骨矯形等知識點理解較慢。蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科數(shù)據(jù)庫中于2012年11月收錄了一例左側(cè)股骨頭骨骺滑脫的患者病例資料,于是我們提取患者相應(yīng)的術(shù)前德國西門子64排螺旋CT薄層平掃圖片導(dǎo)入蘇州大學(xué)骨科研究所的Solido SD300快速成型機(jī),將患者術(shù)前的患側(cè)及健側(cè)髖臼及股骨近端全部打印制作1∶1等大的PVC三維立體模型,并將模型帶到課堂。以三維立體模型為核心,結(jié)合課本插圖、患者術(shù)前的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建、MRI檢查,學(xué)生們對股骨頭骨骺滑脫的定義、病因、臨床及影像表現(xiàn)有了一定的了解。然后再通過三維立體模型的劃線模擬旋轉(zhuǎn)截骨、術(shù)中實況照片及術(shù)后的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建,學(xué)生們對股骨頭骨骺滑脫的手術(shù)治療的方案、旋轉(zhuǎn)截骨矯形有了感性的認(rèn)識,取得了良好的教學(xué)效果。
比如《骨盆和髖臼骨折》這一章節(jié),也一直是教學(xué)上的難點,同時也是骨科創(chuàng)傷治療的一個難題,其原因是髖臼解剖形態(tài)不規(guī)則,而且位置較深,骨折碎片移位復(fù)雜,學(xué)生們難以理解傳統(tǒng)的課堂教學(xué)內(nèi)容。同時傳統(tǒng)手術(shù)切口較大,手術(shù)中需要反復(fù)預(yù)彎柔性鋼板,耗時較長,出血量增加,預(yù)彎過多可致金屬疲勞內(nèi)固定斷裂風(fēng)險增加,固定螺釘?shù)男吞柤爸冕敺较虻倪x擇僅僅憑借X、CT片及術(shù)者的經(jīng)驗風(fēng)險較大,易于損傷神經(jīng)、血管、膀胱直腸等盆腔內(nèi)重要臟器。3D打印模型的出現(xiàn),使得上述問題可以得到較為直觀的解決。3D打印模型的出現(xiàn),讓醫(yī)學(xué)教學(xué)變得更加簡單直接。對于手術(shù)路徑的選擇及細(xì)節(jié)問題的處理更加面面俱到,術(shù)者信心增加,因為手術(shù)切口的變小、手術(shù)時間的縮短、骨折塊精確的復(fù)位,手術(shù)并發(fā)癥相應(yīng)減少,患者康復(fù)出院的時間縮短,使得患者直接受益。因此,2012年1月起,復(fù)雜髖臼骨折患者術(shù)前原則上都要制作3D骨和模型,既有利于臨床教學(xué)工作的開展,也有利于患者的康復(fù)。
比如髖臼內(nèi)側(cè)壁的方形區(qū)骨折,不光醫(yī)學(xué)生,就是骨科臨床醫(yī)生也一直難于理解,往往將髖臼內(nèi)側(cè)壁的方形區(qū)骨折視為手術(shù)的禁區(qū)。在應(yīng)用3D打印模型制作后,髖臼內(nèi)側(cè)壁的方形區(qū)骨折就相應(yīng)容易理解了。如2014年5月,我們收治了一例髖臼內(nèi)側(cè)壁的方形區(qū)骨折病例男性,67歲,因外傷致左髖疼痛活動受限2小時入院。查生命體征平穩(wěn),左髖部略腫脹,左腹股溝廣泛壓痛,大轉(zhuǎn)子處叩擊痛,左下肢縱向叩擊痛,左髖主動被動活動受限,左下肢末梢血運、感覺可,無神經(jīng)功能受損表現(xiàn)。X片和CT示:左髖臼內(nèi)側(cè)壁的方形區(qū)骨折。我們將患者術(shù)前的患側(cè)髖臼打印制作1∶1等大的PVC三維立體模型,在立體模型上設(shè)計手術(shù)方案,并帶領(lǐng)實習(xí)同學(xué)骨科教學(xué)查房。針對既往同學(xué)反映的髖臼骨折難以理解的問題,結(jié)合術(shù)中實況照片及術(shù)后的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建,在短短幾分鐘時間內(nèi),同學(xué)們對于髖臼骨折中的難點――髖臼內(nèi)側(cè)壁的方形區(qū)骨折一下子就有了形象的理解,并對手術(shù)方案選擇各抒已見。并通過對患者查體,對國際上較為新穎的髖臼骨折Stoppa入路有了形象的認(rèn)識和具體的理解。
討論
骨科臨床教學(xué)一直是醫(yī)學(xué)教學(xué)的難點,因為手術(shù)涉及眾多骨骼結(jié)構(gòu),而諸多骨骼結(jié)構(gòu)又是不規(guī)則形,骨科疾病對醫(yī)學(xué)生的空間想象能力有一定的要求。以往結(jié)合課本插圖、患者的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建、MRI檢查等,盡管內(nèi)容豐富,但缺乏立體直觀性,對于復(fù)雜的骨科疾病,如髖臼骨折就難以解釋清楚。而3D打印與骨科的有機(jī)結(jié)合,上述問題迎刃而解。
3D打印是當(dāng)今世界最前沿科技之一,這項30年前脫胎于傳統(tǒng)成型制造的技術(shù),在今天被眾多科學(xué)家與經(jīng)濟(jì)學(xué)家稱為“人類第三次工業(yè)革命的標(biāo)志之一”。 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。3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是實實在在的原材料,打印機(jī)與電腦連接后,通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來,最終把計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實物。
我們將3D打印技術(shù)應(yīng)用于骨科臨床教學(xué),即3D打印模型,用于醫(yī)學(xué)教學(xué)、病例討論等,收到了滿意的效果,彌補(bǔ)了既往多媒體教學(xué)只能看圖,不能觸摸病例的缺點。既往單純X線片和CT的閱讀與理解需要學(xué)生具有良好的空間想象能力,簡單骨科疾病如簡單骨折等學(xué)生們還可以理解,復(fù)雜疾病如髖臼骨折、脊柱側(cè)彎等學(xué)生們往往很難理解,有了3D模型,問題迎刃而解。過去醫(yī)學(xué)生即使觸摸標(biāo)本,也往往是正常人體骨骼標(biāo)本,無法接觸到患者病變的骨骼標(biāo)本,這對于臨床教學(xué)而言,是個很大的缺憾。但通過3D打印模型,學(xué)生們既可以看到患者的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建、MRI檢查,更可以親手觸摸1∶1等大的患者骨骼標(biāo)本,親手參與設(shè)計手術(shù)方案,對于醫(yī)學(xué)生加深骨科疾病理解、培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生骨科臨床工作興趣起到了很大的正面作用。3D打印技術(shù)制作在骨科臨床教學(xué)中具有良好的應(yīng)用前景。
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3d打印技術(shù)論文篇三:《談3D打印技術(shù)的優(yōu)勢》
摘要:3D 打印技術(shù)是一種新興的快速成型技術(shù),近一段時間以來受到了社會的廣泛關(guān)注。本文分析了3D打印技術(shù)的概念、工作原理,并對進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞:3D打印技術(shù) 簡介 工作原理 優(yōu)勢 展望
3D打印技術(shù)以前主要用來制造一些比較小型的東西。時至今日,一些大型制造商已經(jīng)開始準(zhǔn)備將其用來制造更大的物件。一些3D打印設(shè)備的制造商認(rèn)為,隨著這種技術(shù)的成熟,將來一些汽車零部件的庫存只需要保留電子文檔,而無需制造出來存在倉庫。一旦有需要,直接打印即可。
一、3D打印技術(shù)簡介
3D打印技術(shù)是指通過連續(xù)的物理層疊加,逐層增加材料來生成三維實體的技術(shù),與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)不同,因此又稱為添加制造(AM,Additive Manufacturing)。作為一種綜合性應(yīng)用技術(shù),3D打印綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識,具有很高的科技含量。3D打印機(jī)是3D打印的核心裝備。它是集機(jī)械、控制及計算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng),主要由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外,新型打印材料、打印工藝、設(shè)計與控制軟件等也是3D打印技術(shù)體系的重要組成部分。
目前,3D打印技術(shù)主要被應(yīng)用于產(chǎn)品原型、模具制造以及藝術(shù)創(chuàng)作、珠寶制作等領(lǐng)域,替代這些領(lǐng)域傳統(tǒng)依賴的精細(xì)加工工藝。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外,在生物工程與醫(yī)學(xué)、建筑、服裝等領(lǐng)域,3D打印技術(shù)的引入也為創(chuàng)新開拓了廣闊的空間。如2010年澳大利亞Invetech公司和美國Organovo公司合作,嘗試以活體細(xì)胞為“墨水”打印人體的組織和器官,是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重大意義的創(chuàng)新。
二、3D打印機(jī)的工作原理
3D打印機(jī)的工作原理其實很簡單,通俗地說,首先在電腦上設(shè)計一個完整的三維立體模型(也成為計算機(jī)輔助性設(shè)計),然后把膠體或粉末等“打印材料”裝入打印機(jī),再將打印機(jī)與電腦相連接,就可以通過電腦控制把“打印材料”和三維立體模型一層層地疊加,最終把計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實物。這種通過連續(xù)的物理層創(chuàng)建出三維對象的3D打印技術(shù)是疊加式制造工序的一種形式,與傳統(tǒng)的疊加式制造工序相比,其具有速度快、價格便宜等優(yōu)點。
在Windows網(wǎng)絡(luò)或工作站上運行的打印設(shè)備軟件可以讀取大部分的3D文件格式計算機(jī)輔助設(shè)計繪圖數(shù)據(jù)。
這種軟件的作用就是將數(shù)據(jù)傳輸至3D打印設(shè)備,從而控制印刷頭的移動與材料輸出。在3D打印設(shè)備工作時,塑性模型材料細(xì)絲與可溶性支撐材料將被加熱至半液體狀態(tài),然后通過擠壓頭輸出,精確地沉積成極其細(xì)微的分層。分層的厚度范圍在0.005英寸至0.013英寸(即0.127毫米至0.33毫米),具體數(shù)值取決于打印設(shè)備性能。
印刷頭只沿水平方向或垂直方向移動,模型與支撐材料將自低而上地構(gòu)造,壓盤根據(jù)實際情況上下移動。在構(gòu)造模型時,有了支撐材料(圖中褐色部分物件)的承托,模型的懸掛部分能夠順利完成材料沉積,此外,支撐材料還有助于構(gòu)造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型,如嵌套結(jié)構(gòu),以及具有移動部件的多重組件。打印工作完成后,可以將模型置于水中,支撐材料將會自行溶解,如果需要,還可以為模型涂上顏料,或者進(jìn)行其它處理。
三、使用3D打印技術(shù),加快設(shè)計周期
一項產(chǎn)品停留在設(shè)計周期的時間越長,推向市場的時間也會越漫長,這意味著企業(yè)的潛在利潤將會越來越少。某項調(diào)查表明,產(chǎn)品的上市時間是受訪者最關(guān)心的日常問題。受訪者同樣表示,在17%的產(chǎn)品中,產(chǎn)品原型制作消耗相當(dāng)長的時間,是縮短上市時間的最大障礙。
業(yè)界普遍認(rèn)為產(chǎn)品應(yīng)該更加快速地推向市場。隨著縮短上市時間的重要性越來越大,在設(shè)計的概念階段,企業(yè)不得不縮減決策時間,同時又必須確保所作決定的準(zhǔn)確性。這些決定會影響大部分的成本因素,如材料選擇、制造技術(shù)以及設(shè)計壽命。通過快速制作產(chǎn)品模型進(jìn)行測試,加快設(shè)計迭代速度,3D打印技術(shù)可以優(yōu)化設(shè)計流程,為企業(yè)最大化潛在利潤。
例如為專業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)噴漆和紋理設(shè)備的Graco公司,該公司的工程師使用一臺3D打印設(shè)備去測試各種噴漆槍和噴管組合,設(shè)計出最合理的噴流形式和試驗出最精確的噴射量,而生產(chǎn)出的新型噴射紋理槍是由3D打印設(shè)備制作的ABS塑料功能原型。3D打印技術(shù)可以幫助減少產(chǎn)品開發(fā)時間,Graco公司估計減少的最大幅度可達(dá)75%。從一個絕妙的創(chuàng)意,到一項成功的產(chǎn)品,中間充滿著重重困難。GregStevens和James Burley在他們經(jīng)常被引用的新產(chǎn)品開發(fā)分析報告《3000個原始創(chuàng)意=1次商業(yè)成功》中指出,除了3000個原始創(chuàng)意,一項成功的創(chuàng)新還需要125個小規(guī)模計劃,4項大型開發(fā)和 1.7個產(chǎn)品發(fā)布。在評估創(chuàng)意是否值得投放開發(fā)資源時,3D打印技術(shù)能夠助企業(yè)一臂之力,縮短傳統(tǒng)評估所需要用的時間,提高效率。
四、3D打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢
隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟,新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域,3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來,3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。
提升3D打印的速度、效率和精度,開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法,提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能,以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造;開發(fā)更為多樣的3D打印材料,如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等,特別是金屬材料直接成型技術(shù)有可能成為今后研究與應(yīng)用的又一個熱點;3D打印機(jī)的體積小型化、桌面化,成本更低廉,操作更簡便,更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計與制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需求;軟件集成化,實現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化,使設(shè)計軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對接,實現(xiàn)設(shè)計者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造;拓展3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。
3D打印技術(shù)提供了一種極具成本效益的方式去完成多次設(shè)計迭代,在關(guān)鍵的開發(fā)過程初始階段,獲取產(chǎn)品設(shè)計的即時反饋信息。對于產(chǎn)品設(shè)計幾乎即時的修改,不僅有助于降低成本,而且能夠加快產(chǎn)品上市時間。對于在設(shè)計流程中采用3D打印技術(shù)的企業(yè)來說,無疑增加了明顯的競爭優(yōu)勢。
隨著價格的下降,3D打印設(shè)備市場將會進(jìn)一步擴(kuò)大,尤其是在中小型企業(yè)和學(xué)校方面。3D打印設(shè)備耐用,打印快捷、準(zhǔn)確,成本低廉等好處可以幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品上市周期,增強(qiáng)企業(yè)競爭力。
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