讓科幻變成現(xiàn)實(shí)

米林

電影《十二生肖》中，成龍讓我們體驗(yàn)到了3D打印的神奇。只用了大約三分鐘，就讓我們情不自禁地大為驚嘆——他戴上電子手套掃描獸首，電腦上便出現(xiàn)了獸首的3D圖像，下一刻，3D打印機(jī)便直接“打印”出一個(gè)一模一樣的“獸首”來(lái)……誰(shuí)能想到，這個(gè)具有顛覆性的技術(shù)早已存在，而不是電影的杜撰！

什么是3D打印技術(shù)

3D打印在近兩年走進(jìn)公眾視線，被看作是一項(xiàng)神奇有趣的新技術(shù)。實(shí)際上，它在工業(yè)領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，早就不是一個(gè)陌生的概念。在四川大學(xué)，就有一門專教3D打印技術(shù)的課程，已經(jīng)開(kāi)設(shè)了10年。其實(shí)，在專業(yè)領(lǐng)域它有另一個(gè)名稱：“快速成形技術(shù)”。

快速成形技術(shù)又稱快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM）技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，被認(rèn)為是近20年來(lái)制造領(lǐng)域的一個(gè)重大成果。它集機(jī)械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等提供一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段。簡(jiǎn)言之，快速成形技術(shù)就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過(guò)快速成型機(jī)，將一層層的材料堆積成實(shí)體原型。

3D打印的原理

3D打印機(jī)的工作原理，與普通打印機(jī)工作原理相似：首先，它將每一層的打印過(guò)程分為兩步，在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會(huì)迅速固化黏結(jié)，而沒(méi)有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣，在一層膠水一層粉末的交替重疊作用下，實(shí)體模型將會(huì)被“打印”成型。打印完畢后只要掃除松散的粉末即可，而剩余粉末還可循環(huán)利用。

打印耗材由傳統(tǒng)的墨水、紙張轉(zhuǎn)變?yōu)槟z水、粉末。當(dāng)然，膠水和粉末都是經(jīng)過(guò)處理的特殊材料，不僅對(duì)固化反應(yīng)速度有要求，對(duì)于模型強(qiáng)度以及“打印”分辨率都有直接影響。3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)600dpi分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印，而且可以利用有色膠水實(shí)現(xiàn)彩色打印。

當(dāng)然，整個(gè)過(guò)程是在電腦的控制下，由3D打印機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)完成的。不同公司制造的3D打印機(jī)所用的成型材料不同，其系統(tǒng)的工作原理也有所區(qū)別，但其基本原理都是一樣的，那就是“分層制造、逐層疊加”。這種工藝可以形象地叫做“增長(zhǎng)法”或“加法”。

3D打印機(jī)的制作過(guò)程可通過(guò)一個(gè)例子加以描述：假設(shè)我們制作一個(gè)塑料材質(zhì)的蘋果，首先，我們需要在電腦上使用3D軟件制作出一個(gè)蘋果的3D模型文件，然后把它轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)支持的文件格式。接下來(lái)需要給3D打印機(jī)放入塑料耗材，這樣，3D打印機(jī)就可以制作塑料蘋果了。這個(gè)過(guò)程與平面打印機(jī)的操作相似。

打印系統(tǒng)在制作的時(shí)候會(huì)從這個(gè)蘋果3D模型底部開(kāi)始切成很多片。最先開(kāi)始制作的是蘋果模型最底部的截面，也就是蘋果最底部的一層，這時(shí)候系統(tǒng)會(huì)控制激光器（或噴嘴）在這一層截面圖的范圍燒結(jié)原料（或擠出原料），這一層做好后是第二層，依此類推。于是，塑料蘋果就一層層地“打印”出來(lái)了。

3D打印的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

制造快速，無(wú)須模具

3D打印技術(shù)的魅力在于它不需要在工廠操作，桌面打印機(jī)便可以打印出你需要的小物品。比如你想要一個(gè)茶杯喝水，就可以現(xiàn)場(chǎng)打印出一個(gè)茶杯，并馬上用來(lái)盛水。

它最突出的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)須機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件。它是并行工程中進(jìn)行復(fù)雜原型或者零件制造的有效手段，能使產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具生產(chǎn)同步進(jìn)行，從而提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，極大降低新品開(kāi)發(fā)的成本及風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于外形尺寸較小，異形的產(chǎn)品尤其適用。

CAD/CAM技術(shù)的集成

設(shè)計(jì)制造一體化本來(lái)是工業(yè)制造業(yè)的一個(gè)難點(diǎn)，計(jì)算機(jī)輔助工藝（CAPP）在現(xiàn)階段還無(wú)法與CAD、CAM完全無(wú)縫對(duì)接，這也是制約制造業(yè)信息化的難點(diǎn)之一，而快速成型技術(shù)集成了CAD、CAM、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、化工、材料工程等多項(xiàng)技術(shù)，使設(shè)計(jì)制造一體化的概念完美實(shí)現(xiàn)。

完全再現(xiàn)三維效果

經(jīng)過(guò)快速成型制造完成的零部件，完全真實(shí)地再現(xiàn)了三維造型，無(wú)論外表面的異形曲面還是內(nèi)腔的異形孔，都可以真實(shí)準(zhǔn)確地完成造型，基本上不需要再借助外部設(shè)備進(jìn)行修復(fù)。

材料種類繁多

到目前為止，各類3D打印機(jī)設(shè)備所使用的材料種類有很多，如樹(shù)脂、尼龍、塑料、石蠟、紙以及金屬或陶瓷的粉末等，基本上滿足了絕大多數(shù)產(chǎn)品對(duì)材料的機(jī)械性能需求。

應(yīng)用行業(yè)領(lǐng)域廣

3D打印技術(shù)經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展，技術(shù)上已基本上形成了一套體系。同樣，可應(yīng)用的行業(yè)也逐漸擴(kuò)大，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到模具設(shè)計(jì)與制造、材料工程、醫(yī)學(xué)研究、文化藝術(shù)、建筑工程等都逐漸開(kāi)始使用3D打印技術(shù)，可見(jiàn)3D打印技術(shù)有著廣闊的前景。

3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域

3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域之廣超乎人們的想象。理論上說(shuō)，幾乎只要存在的東西都可以通過(guò)3D打印機(jī)復(fù)制出來(lái)。目前，3D打印技術(shù)已在工業(yè)造型、機(jī)械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾制作等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。并且隨著這一技術(shù)本身的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣埂?D打印技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

近幾年來(lái)，人們對(duì)3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究較多。以醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用3D打印技術(shù)制作人體器官模型，對(duì)外科手術(shù)有極大的應(yīng)用價(jià)值。在外科手術(shù)中，3D打印技術(shù)可為需要器官移植的患者“量身打造”所需器官，無(wú)須擔(dān)心排異反應(yīng)。而打印一個(gè)人體心臟瓣膜，只需要價(jià)值10美元的高分子材料。

文物保護(hù)

博物館里常常會(huì)用很多復(fù)雜的替代品來(lái)保護(hù)原始作品不受環(huán)境或意外事件的傷害。同時(shí)，3D打印技術(shù)也在文物修復(fù)中開(kāi)始起到重要作用。

建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域

建筑模型的傳統(tǒng)制作方式，漸漸無(wú)法滿足高端設(shè)計(jì)項(xiàng)目的要求?，F(xiàn)如今眾多設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的大型設(shè)施或場(chǎng)館都利用3D打印技術(shù)先期構(gòu)建精確建筑模型來(lái)進(jìn)行效果展示與相關(guān)測(cè)試，3D打印技術(shù)所發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)和無(wú)可比擬的逼真效果為設(shè)計(jì)師所認(rèn)同。在建筑行業(yè)里，工程師和設(shè)計(jì)師們已經(jīng)逐漸開(kāi)始使用3D打印機(jī)打印建筑模型。這種方法快速、成本低、環(huán)保，同時(shí)制作精美，完全合乎設(shè)計(jì)者的要求，同時(shí)又能節(jié)省大量材料。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域

在新產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用3D打印技術(shù)，為工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員創(chuàng)造了一種嶄新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式。運(yùn)用3D打印技術(shù)能夠快速、直接、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的實(shí)物模型，這不僅縮短了開(kāi)發(fā)周期，而且降低了開(kāi)發(fā)費(fèi)用，也使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有先機(jī)。

機(jī)械制造領(lǐng)域

由于3D打印技術(shù)自身的特點(diǎn)，使其在機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)獲得廣泛的應(yīng)用，多用于制造單件、小批量金屬零件的制造。有些特殊復(fù)雜制件，由于只需單件生產(chǎn)，或少于50件的小批量，一般均可用3D打印技術(shù)直接進(jìn)行成型，成本低，周期短。

模具制造領(lǐng)域

像玩具制作等傳統(tǒng)的模具制造領(lǐng)域，往往模具生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，成本高。將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相結(jié)合，可以大大縮短模具制造的開(kāi)發(fā)周期，提高生產(chǎn)率，是解決模具設(shè)計(jì)與制造薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑。

航天技術(shù)領(lǐng)域

在航空航天領(lǐng)域，空氣動(dòng)力學(xué)地面模擬實(shí)驗(yàn)（即風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)）是設(shè)計(jì)性能先進(jìn)的天地往返系統(tǒng)（即航天飛機(jī)）所必不可少的重要環(huán)節(jié)。該實(shí)驗(yàn)中所用的模型形狀復(fù)雜、精度要求高，又具有流線型特性，采用3D打印技術(shù)，根據(jù)CAD模型，由3D打印設(shè)備自動(dòng)完成實(shí)體模型，則能很好地保證模型質(zhì)量。

3D打印技術(shù)可應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛，我們有理由相信，隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟和完善，它將會(huì)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。