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3D打印
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3D打印(3DP)即快速成型技術的一種,它是一種以數字模型文件為基礎,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造物體的技術。3D打印技術出現在20世紀90年代中期,實際上是利用光固化和紙層疊等技術的新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同,打印機內裝有液體或粉末等“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,把計算機上的藍圖變成實物。這打印技術稱為3D立體打印技術。
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歷史發展

3D打印技術出現在20世紀90年代中期,實際上是利用光固化和紙層疊等技術的新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同,打印機內裝有液體或粉末等“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,把計算機上的藍圖變成實物。這打印技術稱為3D立體(ti)打印技術。

1986年,美(mei)國科學家Charles Hull開發了第一臺商業3D印(yin)刷機。

1993年(nian),麻省理工學院獲3D印刷技(ji)術專利。

1995年,美國ZCorp公司(si)從麻省理(li)工學院(yuan)獲得授(shou)權并開始(shi)開發3D打(da)印(yin)機。

2005年(nian),市場(chang)上(shang)高清晰彩色3D打印機Spectrum Z510由ZCorp公司(si)研(yan)制成功(gong)。

2010年(nian)11月,美國Jim Kor團隊打造出世界上第一輛由3D打印機打印而成的汽車(che)Urbee問世。

2011年6月6日,發布了全球第一款3D打印(yin)的比基尼。

2011年7月,英國研究人員開發出世界上(shang)第一(yi)臺3D巧克力打印機。

2011年8月(yue),南(nan)安普敦大學的(de)工程師(shi)們開發出世界(jie)上第一架3D打印的(de)飛機。

2012年11月,蘇格蘭(lan)科學家(jia)利用人體細胞用3D打印機打印出(chu)人造肝臟組(zu)織。

2013年(nian)10月(yue),全球成(cheng)功拍(pai)賣一款名為“ONO之神(shen)”的3D打(da)印藝(yi)術品(pin)。

2013年11月,美(mei)國德克薩斯(si)州奧斯(si)汀的3D打(da)印公司“固體概念”(SolidConcepts)設計制造出3D打(da)印金屬手槍。

2018年8月(yue)1日起,3D打(da)印(yin)槍(qiang)支將在(zai)美國合(he)法,3D打(da)印(yin)手槍(qiang)的設(she)計圖也將可以(yi)在(zai)互聯網上自由下載。

2018年12月10日,俄羅斯宇航員利用國際空間站上的3D生物打(da)印機,設法在(zai)零重(zhong)力下(xia)打(da)印出了實驗鼠的甲狀腺。

2019年1月(yue)14日(ri),美(mei)國加州大(da)學圣迭戈分校在《自然·醫(yi)學》雜志發表論(lun)文,利用快(kuai)速3D打印技術,制造出(chu)模(mo)仿中(zhong)樞神經(jing)系統結(jie)構的(de)脊髓支(zhi)架,在裝(zhuang)載神經(jing)干細(xi)胞后(hou)被植入脊髓嚴重受(shou)損的(de)大(da)鼠脊柱內,成功幫助大(da)鼠恢復了運(yun)動功能。該支(zhi)架模(mo)仿中(zhong)樞神經(jing)系統結(jie)構設計,呈圓(yuan)形,厚度僅有兩毫(hao)米,支(zhi)架中(zhong)間(jian)為(wei)H型結(jie)構,周圍則(ze)是(shi)數十個(ge)直徑200微米左右的(de)微小通(tong)道,用于引導植入的(de)神經(jing)干細(xi)胞和(he)軸突沿(yan)著(zhu)脊髓損傷部位(wei)生長。

2019年4月(yue)15日,以(yi)(yi)色列特拉維夫大學研究人員以(yi)(yi)病人自身的(de)組織為原材料,3D打印出全球擁(yong)有(you)細胞、血管、心(xin)室和心(xin)房的(de)“完整”心(xin)臟,這在全球尚屬(3D打印心(xin)臟)。

原理技術

日常生活中使用的(de)(de)(de)普(pu)通(tong)(tong)打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)機(ji)(ji)可以打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)電腦(nao)(nao)設計的(de)(de)(de)平面物(wu)品,而所謂的(de)(de)(de)3D打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)機(ji)(ji)與(yu)(yu)普(pu)通(tong)(tong)打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)機(ji)(ji)工(gong)作(zuo)原理(li)基本相(xiang)同,只是打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)材(cai)(cai)料有些(xie)不(bu)同,普(pu)通(tong)(tong)打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)材(cai)(cai)料是墨(mo)水和紙(zhi)張(zhang),而3D打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)機(ji)(ji)內(nei)裝有金屬(shu)、陶瓷、塑料、砂等不(bu)同的(de)(de)(de)“打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)材(cai)(cai)料”,是實實在在的(de)(de)(de)原材(cai)(cai)料,打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)機(ji)(ji)與(yu)(yu)電腦(nao)(nao)連接后,通(tong)(tong)過電腦(nao)(nao)控制可以把(ba)“打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)材(cai)(cai)料”一層(ceng)層(ceng)疊加起來,把(ba)計算機(ji)(ji)上的(de)(de)(de)藍圖變成實物(wu)。通(tong)(tong)俗地說,3D打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)機(ji)(ji)是可以“打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)”出真實的(de)(de)(de)3D物(wu)體的(de)(de)(de)一種設備,比如打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)一個機(ji)(ji)器人、打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)玩具車,打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)各(ge)種模型(xing),甚至是食物(wu)等等。之所以通(tong)(tong)俗地稱其為“打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)機(ji)(ji)”是參照了(le)普(pu)通(tong)(tong)打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)技術原理(li),因為分層(ceng)加工(gong)的(de)(de)(de)過程與(yu)(yu)噴墨(mo)打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)十分相(xiang)似。這(zhe)項(xiang)打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)技術稱為3D立體打(da)(da)(da)印(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)技術。

打印過程

三維設計

三維打(da)(da)印(yin)的設計(ji)過程是(shi):先通(tong)過計(ji)算機建模軟件建模,再將建成的三維模型“分區(qu)”成逐層的截(jie)面,即(ji)切片,從而指導打(da)(da)印(yin)機逐層打(da)(da)印(yin)。

設計軟件(jian)(jian)(jian)和打印機之間協作的(de)標準文(wen)件(jian)(jian)(jian)格式(shi)(shi)是STL文(wen)件(jian)(jian)(jian)格式(shi)(shi)。一個STL文(wen)件(jian)(jian)(jian)使(shi)用三角面(mian)來近似(si)模擬物體的(de)表面(mian)。三角面(mian)越小其生(sheng)(sheng)成的(de)表面(mian)分辨率(lv)越高。PLY是一種通過掃描(miao)產生(sheng)(sheng)的(de)三維文(wen)件(jian)(jian)(jian)的(de)掃描(miao)器,其生(sheng)(sheng)成的(de)VRML或(huo)者WRL文(wen)件(jian)(jian)(jian)經常(chang)被用作全彩(cai)打印的(de)輸入文(wen)件(jian)(jian)(jian)。

切片處理

打印機通過讀(du)取文件(jian)中的橫截面信息(xi),用液體狀、粉狀或片狀的材料(liao)將這(zhe)些截面逐層(ceng)地打印出(chu)來(lai),再將各層(ceng)截面以(yi)各種(zhong)方式(shi)粘合起(qi)來(lai)從(cong)而(er)制造(zao)出(chu)一個實體。這(zhe)種(zhong)技術的特點(dian)在于其幾(ji)乎(hu)可以(yi)造(zao)出(chu)任何形狀的物品(pin)。

打(da)印(yin)(yin)機(ji)(ji)打(da)出(chu)的(de)截面(mian)的(de)厚度(即Z方(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang))以(yi)(yi)及(ji)平(ping)面(mian)方(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)即X-Y方(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)的(de)分(fen)辨(bian)率是以(yi)(yi)dpi(像素(su)/英(ying)寸)或(huo)者微米(mi)來(lai)計算的(de)。一(yi)般的(de)厚度為(wei)(wei)100微米(mi),即0.1毫米(mi),也有部分(fen)打(da)印(yin)(yin)機(ji)(ji)如ObjetConnex 系列(lie)還有三(san)維 Systems' ProJet 系列(lie)可以(yi)(yi)打(da)印(yin)(yin)出(chu)16微米(mi)薄的(de)一(yi)層。而(er)(er)平(ping)面(mian)方(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)則可以(yi)(yi)打(da)印(yin)(yin)出(chu)跟激光打(da)印(yin)(yin)機(ji)(ji)相近的(de)分(fen)辨(bian)率。打(da)印(yin)(yin)出(chu)來(lai)的(de)“墨(mo)水滴(di)”的(de)直徑通(tong)常(chang)為(wei)(wei)50到100個(ge)微米(mi)。 用傳(chuan)統方(fang)(fang)(fang)法(fa)制造出(chu)一(yi)個(ge)模(mo)型(xing)通(tong)常(chang)需要數小時到數天,根據模(mo)型(xing)的(de)尺(chi)寸以(yi)(yi)及(ji)復(fu)雜(za)程度而(er)(er)定。而(er)(er)用三(san)維打(da)印(yin)(yin)的(de)技術(shu)則可以(yi)(yi)將時間縮短為(wei)(wei)數個(ge)小時,當然其是由(you)打(da)印(yin)(yin)機(ji)(ji)的(de)性能以(yi)(yi)及(ji)模(mo)型(xing)的(de)尺(chi)寸和復(fu)雜(za)程度而(er)(er)定的(de)。

傳統的制(zhi)造(zao)技術如(ru)注塑法可(ke)以(yi)以(yi)較低的成本大量制(zhi)造(zao)聚合(he)物產品,而三(san)維(wei)打(da)印技術則可(ke)以(yi)以(yi)更快,更有(you)彈性(xing)以(yi)及(ji)更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。一個桌面尺寸的三(san)維(wei)打(da)印機就(jiu)可(ke)以(yi)滿足設計者或概念開(kai)發(fa)小組制(zhi)造(zao)模型的需要(yao)。

完成打印

三維(wei)打印機的分辨率對大多數應(ying)用來說已經足夠(在彎曲(qu)的表(biao)面可能會比較(jiao)粗糙,像(xiang)圖像(xiang)上的鋸齒一樣(yang)),要獲得更(geng)高分辨率的物品可以通過如下方法:先用當(dang)前的三維(wei)打印機打出(chu)稍大一點的物體,再(zai)稍微經過表(biao)面打磨即可得到表(biao)面光(guang)滑的“高分辨率”物品。

有些(xie)技(ji)術可以(yi)同時使用(yong)多種材料進行打(da)印(yin)。有些(xie)技(ji)術在打(da)印(yin)的過程(cheng)中還會(hui)用(yong)到(dao)支撐物,比如在打(da)印(yin)出一些(xie)有倒(dao)掛狀的物體時就需要用(yong)到(dao)一些(xie)易于除去(qu)的東西(如可溶物)作為支撐物。

發展方向

標準和標準的制定機構

當一間實驗室作出了圖(tu)紙,需要拿出來共(gong)享時,會發現有(you)太多的格式和(he)標(biao)準了,因此(ci),3D 打印原型機這個領域看起來像是野(ye)蠻生長,毫無(wu)標(biao)準。

開源的設計、配置和軟件

當有了(le)統(tong)一的標準(zhun)后,3D 打印行業將會迎來開源。現在(zai)(zai)(zai),太多的團隊(dui)注重提高自己的3D 打印水平(ping),在(zai)(zai)(zai)自我(wo)的閉環中發(fa)展。實際上(shang),行業需要設備和軟件的開源,在(zai)(zai)(zai)統(tong)一的標準(zhun)下(xia)產生更多有用、高效、開放(fang)的創新。

原型機實驗室

原型機打印并不(bu)受到重視,所以現在很多(duo)醫療器(qi)械商(shang)都是在一個(ge)臟亂、布滿灰塵的(de)地方放置打印設備。其實(shi)(shi),現在已經有(you)商(shang)業(ye)化運營的(de)3D 打印實(shi)(shi)驗(yan)室,來幫助這些(xie)企業(ye)打印出質量更高的(de)原型機。

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