3D打印

歷史發(fā)展

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的新快速成型裝置。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(guò)電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。這打印技術(shù)稱(chēng)為3D立體打印技術(shù)。

1986年，美國(guó)科學(xué)家Charles Hull開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)。

1993年，麻省理工學(xué)院獲3D印刷技術(shù)專(zhuān)利。

1995年，美國(guó)ZCorp公司從麻省理工學(xué)院獲得授權(quán)并開(kāi)始開(kāi)發(fā)3D打印機(jī)。

2005年，市場(chǎng)上高清晰彩色3D打印機(jī)Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。

2010年11月，美國(guó)Jim Kor團(tuán)隊(duì)打造出世界上第一輛由3D打印機(jī)打印而成的汽車(chē)Urbee問(wèn)世。

2011年6月6日，發(fā)布了全球第一款3D打印的比基尼。

2011年7月，英國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)出世界上第一臺(tái)3D巧克力打印機(jī)。

2011年8月，南安普敦大學(xué)的工程師們開(kāi)發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī)。

2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家利用人體細(xì)胞用3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織。

2013年10月，全球成功拍賣(mài)一款名為“ONO之神”的3D打印藝術(shù)品。

2013年11月，美國(guó)德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司“固體概念”(SolidConcepts)設(shè)計(jì)制造出3D打印金屬手槍。

2018年8月1日起，3D打印槍支將在美國(guó)合法，3D打印手槍的設(shè)計(jì)圖也將可以在互聯(lián)網(wǎng)上自由下載。

2018年12月10日，俄羅斯宇航員利用國(guó)際空間站上的3D生物打印機(jī)，設(shè)法在零重力下打印出了實(shí)驗(yàn)鼠的甲狀腺。

2019年1月14日，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校在《自然·醫(yī)學(xué)》雜志發(fā)表論文，利用快速3D打印技術(shù)，制造出模仿中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的脊髓支架，在裝載神經(jīng)干細(xì)胞后被植入脊髓嚴(yán)重受損的大鼠脊柱內(nèi)，成功幫助大鼠恢復(fù)了運(yùn)動(dòng)功能。該支架模仿中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，呈圓形，厚度僅有兩毫米，支架中間為H型結(jié)構(gòu)，周?chē)鷦t是數(shù)十個(gè)直徑200微米左右的微小通道，用于引導(dǎo)植入的神經(jīng)干細(xì)胞和軸突沿著脊髓損傷部位生長(zhǎng)。

2019年4月15日，以色列特拉維夫大學(xué)研究人員以病人自身的組織為原材料，3D打印出全球擁有細(xì)胞、血管、心室和心房的“完整”心臟，這在全球尚屬（3D打印心臟）。

原理技術(shù)

日常生活中使用的普通打印機(jī)可以打印電腦設(shè)計(jì)的平面物品，而所謂的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，普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而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(shí)實(shí)在在的原材料，打印機(jī)與電腦連接后，通過(guò)電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。通俗地說(shuō)，3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備，比如打印一個(gè)機(jī)器人、打印玩具車(chē)，打印各種模型，甚至是食物等等。之所以通俗地稱(chēng)其為“打印機(jī)”是參照了普通打印機(jī)的技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^(guò)程與噴墨打印十分相似。這項(xiàng)打印技術(shù)稱(chēng)為3D立體打印技術(shù)。

打印過(guò)程

三維設(shè)計(jì)

三維打印的設(shè)計(jì)過(guò)程是：先通過(guò)計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。

設(shè)計(jì)軟件和打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL文件格式。一個(gè)STL文件使用三角面來(lái)近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一種通過(guò)掃描產(chǎn)生的三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經(jīng)常被用作全彩打印的輸入文件。

切片處理

打印機(jī)通過(guò)讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來(lái)，再將各層截面以各種方式粘合起來(lái)從而制造出一個(gè)實(shí)體。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機(jī)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/英寸）或者微米來(lái)計(jì)算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機(jī)如ObjetConnex 系列還有三維 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機(jī)相近的分辨率。打印出來(lái)的“墨水滴”的直徑通常為50到100個(gè)微米。 用傳統(tǒng)方法制造出一個(gè)模型通常需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天，根據(jù)模型的尺寸以及復(fù)雜程度而定。而用三維打印的技術(shù)則可以將時(shí)間縮短為數(shù)個(gè)小時(shí)，當(dāng)然其是由打印機(jī)的性能以及模型的尺寸和復(fù)雜程度而定的。

傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術(shù)則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對(duì)較少的產(chǎn)品。一個(gè)桌面尺寸的三維打印機(jī)就可以滿足設(shè)計(jì)者或概念開(kāi)發(fā)小組制造模型的需要。

完成打印

三維打印機(jī)的分辨率對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會(huì)比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過(guò)如下方法：先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再稍微經(jīng)過(guò)表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技術(shù)可以同時(shí)使用多種材料進(jìn)行打印。有些技術(shù)在打印的過(guò)程中還會(huì)用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時(shí)就需要用到一些易于除去的東西（如可溶物）作為支撐物。

發(fā)展方向

標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)的制定機(jī)構(gòu)

當(dāng)一間實(shí)驗(yàn)室作出了圖紙，需要拿出來(lái)共享時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)有太多的格式和標(biāo)準(zhǔn)了，因此，3D 打印原型機(jī)這個(gè)領(lǐng)域看起來(lái)像是野蠻生長(zhǎng)，毫無(wú)標(biāo)準(zhǔn)。

開(kāi)源的設(shè)計(jì)、配置和軟件

當(dāng)有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)后，3D 打印行業(yè)將會(huì)迎來(lái)開(kāi)源?，F(xiàn)在，太多的團(tuán)隊(duì)注重提高自己的3D 打印水平，在自我的閉環(huán)中發(fā)展。實(shí)際上，行業(yè)需要設(shè)備和軟件的開(kāi)源，在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下產(chǎn)生更多有用、高效、開(kāi)放的創(chuàng)新。

原型機(jī)實(shí)驗(yàn)室

原型機(jī)打印并不受到重視，所以現(xiàn)在很多醫(yī)療器械商都是在一個(gè)臟亂、布滿灰塵的地方放置打印設(shè)備。其實(shí)，現(xiàn)在已經(jīng)有商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的3D 打印實(shí)驗(yàn)室，來(lái)幫助這些企業(yè)打印出質(zhì)量更高的原型機(jī)。