3D打印是什么?

    3D打印(3DP)即快速成型技术的一种,它是一种以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。
    3D打印技术出现在20世纪90年代中期,实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同,打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为3D立体打印技术。
    3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件。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、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。

3D打印的发展历史

    1986年,Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机。
    1993年,麻省理工学院获3D印刷技术专利。
    2005年,市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。
    2010年11月,世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。
    2011年8月,南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。
    2012年11月,苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。
    2013年10月,全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。
    2013年11月,美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”(SolidConcepts)设计制造出3D打印金属手枪。

3D打印的原理技术

    日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品,而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同,只是打印材料有些不同,普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料,打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说,3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备,比如打印一个机器人、打印玩具车,打印各种模型,甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术称为3D立体打印技术。
    3D打印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。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。

3D打印的过程步骤

三维设计
    三维打印的设计过程是:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。
切片处理
    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。
完成打印
    三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够,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。

3D打印的发展方向

标准和标准的制定机构
    当一间实验室作出了图纸,需要拿出来共享时,会发现有太多的格式和标准了,因此,3D 打印原型机这个领域看起来像是野蛮生长,毫无标准。
开源的设计、配置和软件
    当有了统一的标准后,3D 打印行业将会迎来开源。现在,太多的团队注重提高自己的3D 打印水平,在自我的闭环中发展。实际上,行业需要设备和软件的开源,在统一的标准下产生更多有用、高效、开放的创新。
原型机实验室
    原型机打印并不受到重视,所以现在很多医疗器械商都是在一个脏乱、布满灰尘的地方放置打印设备。其实,现在已经有商业化运营的3D 打印实验室,来帮助这些企业打印出质量更高的原型机。

3D打印的限制因素

材料的限制
    虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印,但无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外,打印机也还没有达到成熟的水平,无法支持日常生活中所接触到的各种各样的材料。
机器的限制
    3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平,几乎任何静态的形状都可以被打印出来,但是那些运动的物体和它们的清晰度就难以实现了。这个困难对于制造商来说也许是可以解决的,但是3D打印技术想要进入普通家庭,每个人都能随意打印想要的东西,那么机器的限制就必须得到解决才行。
知识产权的忧虑
    在过去的几十年里,音乐、电影和电视产业中对知识产权的关注变得越来越多。3D打印技术也会涉及到这一问题,因为现实中的很多东西都会得到更加广泛的传播。人们可以随意复制任何东西,并且数量不限。如何制定3D打印的法律法规用来保护知识产权,也是我们面临的问题之一,否则就会出现泛滥的现象。
道德的挑战
    道德是底线。什么样的东西会违反道德规律是很难界定的,如果有人打印出生物器官和活体组织,在不久的将来会遇到极大的道德挑战。
花费的承担
    3D打印技术需要承担的花费是高昂的。第一台3D打印机的售价为1万5。如果想要普及到大众,降价是必须的,但又会与成本形成冲突。

3D打印DNA水凝胶

    近日,清华大学化学系刘冬生课题组与英国瓦特大学等单位合作,研制出可应用于活细胞3D打印的DNA水凝胶材料。该材料被《自然》评价为是“一种非常有前景的打印三维组织和人工器官的材料”。
    水凝胶因其高含水量和类似于细胞外基质的特点,是三维组织打印和人工器官制备的首选基材,也因此成为化学、材料和生命医学领域研究的热点。但直到DNA水凝胶研发之前,还没有一种水凝胶材料能够同时满足活细胞三维打印所要求的细胞相容性、力学强度、通透性、快速成型等苛刻条件。详情

3D打印塑料件

    美国卡内基梅隆大学(CMU)人机互动研究所(HCI)携手Disney Research展开一项“声学仪器”(Acoustrument)合作计划,研究人员们利用低成本的3D打印塑料组件取代复杂的模拟电子电路,为智能手机打造出以声学驱动的多款创新外挂配件,如扩充埠以及其他有趣的扩充设备。
    如今,即使是最不起眼的智能手机扩充组件也搭载了电子电路与控制旋钮,用于启动电路以及传送控制讯号至与其对接的手机。但根据卡内基梅隆大学博士候选人Gierad Laput表示,这些配件其实可以利用更简单便宜的方式制造出来,不一定要搭载电子电路,就能实现同样的功能效果。Gierad Laput目前正在该校人机互动研究所展开一项新型接口的调查研究。详情

3D打印人体骨骼

    就目前常用的骨骼移植方法来说,无论是从人体移植骨骼或是植入陶瓷骨骼来替代,都是极其艰苦缓慢的过程。而生物印刷技术的诞生则提供了一个更快的解决方案。作为一家致力于开发特定病患植入物技术的公司,荷兰Xilloc日前宣布将与日本陶瓷公司Next21合作,将3D打印人骨植入技术引入欧洲。
    Next21通过与一些日本学术和研究机构的合作开发了Bone Factory,为病患提供定制骨骼模型以及各种植入物的设计。也就是所谓的CT-骨骼技术,通过扫描患者需要植入的部位,以确定精确的植入物尺寸和形状,并使用天然人骨的主要成分-磷酸钙为材料,3D印刷出精确成型的植入物。详情

3D打印摩托车

    2015年加州RAPID2015展会上,出现了全球首辆全功能的3D打印摩托车。除了发动机、各种电子器件、传送带、制动系统及一些螺栓之外,这辆摩托车的其它部分全部都是用ABS塑料打印而成的,而且它可以承载两位成人骑手的重量。
    “在3D打印汽车Strati出现之前一年我们就有了打造一辆3D打印摩托的想法。”该摩托的开发团队——TEConnectivity公司的代表宣称,“一开始我们打算3D打印一辆现有摩托车的复制品,但后来又否定了这一想法。于是我们从基本的硬尾车架开始,并在此基础上进行扩展。对该车架的模拟能够确保我们有足够的材料,并只需进行一些小的改变即可。”详情

3D打印药物

    8月3日,Aprecia制药公司宣布美国食品药品监督管理局(FDA)已批准首例3D打印药品的应用,该药品将被用来治疗癫痫病。
    一些癫痫病人在发病时很难吞咽传统的药物,或是照顾者很难劝服儿童吃药。针对这类问题,Aprecia公司在一份声明中称,这款名为Spritam的口服药物,是由多孔的材料通过3D打印技术制成,能够在水里迅速瓦解。同时,Spritam还包含了高浓度的药剂量,因此病人可能仅需服用一粒药片。详情

3D打印房屋

    作为一个全新的科技前沿领域,3D打印技术值得我们去关注和开拓。3D打印技术的应用不应该仅仅停留在使用3D打印机大量地生产精巧的小型物件上。你有没有想过我们可以利用3D技术打印出一整栋酒店套房?
    美国工程师Lewis Yakich曾经参与建造房屋,同时,他刚好又是菲律宾一家酒店的业主。他运用3D打印技术建造出了占地面积为1500平方英尺的酒店套房,有两间卧室,一间起居室以及一个带有大型按摩浴缸的温泉浴场。而这个温泉浴缸当然也是有3D技术打印出来的。详情

3D打印大脑

    “由于传统软件无法满足我们的需求,所以我们将目标转向了3D打印技术。”加拿大萨斯喀彻温大学的外科医学负责人Ivar Mendez医生说,“在团队的努力之下,历时7个月,我们成功将大量的大脑扫描数据转化成了精确的大脑模型文件。”
    对于帕金森、癫痫、严重的强迫症和慢性神经疼痛等疾病,有时候会通过向大脑中插入电极的对脑部进行刺激的方式(深部脑刺激Deep Brain Stimulation)来进行治疗。尽管这种听起来很可怕的手术的危险程度并不太高,但因为大脑本身的复杂程度,要确定电机插入的方式和位置却是一个相对复杂的过程。尤其是在手术实施过程中,医生所能借助的参考标准只有非常细小的脑部穿孔和屏幕上的脑扫描图。详情