为什么3D打印机将成为一种生产工具？为什么3D打印技术将改变人类的生产方式？

2014-2-6 09:43| 编辑:电工学习网| 查看: 8285| 评论: 0

　　如果是从事着建筑和设计行业的人，他们对3D打印技术其实并不陌生，因为他们经常需要用到一种叫“快速成型”的技术，将设计的原型给制作出来，展示给客户看。在从前，这种原型的制作非常麻烦，因为工厂首先需要制作一个模具，然后把原料浇铸在里面，这样才能把原型制作出来。但当工厂制作完成之后，模具就变得没有用处——这种生产方式浪费原料，生产成本自然比较高，所需要的生产周期自然也比较长。
　　与这种先制作模具，然后才能把设计原型制作出来的生产方式相比，3D打印机拥有相当的优异性，它能够一次性、直接地把客户所需要的设计原型给制作出来。由于无需经过制作模具这一步骤，客户能够节约时间，工厂能够节约成本，同时所制作出来的物体，也将和设计图纸一样，能够更加精确。
　　原因在于，3D打印机能够直接将物体“打印”出来——首先人们能够通过电脑创建一个三维设计图（通常是SLT或CAD文件），然后打印机对这个立体原型进行“切片”，分成一层一层的，然后打印机开始工作，将原材料按照设计图一层又一层的叠加上去，直到最终成型。当然，3D打印机所使用的材料，自然不是喷墨打印机里面的墨水，而是一些可以发生固化反应的材料，现在可以作为原材料的东西已经多种多样，包括树脂、塑料、陶瓷、金属等等。
　　实际上，发明家CharlesHull生产出第一台3D打印机以来，3D打印技术已经发展了近30个年头。而从一个为设计书、建筑师、实验室生产原型的工具，到媒体、大众所关注的议题。这种变化体现了3D打印技术在这几十年间取得的突飞猛进的发展，设备的价格从昂贵到便宜，性能从低下到强大，设备体积从大到小，使用范围从窄到广。
　　1986年，CharlesHull离开了原来为之工作的UltraVioletProducts，开始成立一家名为3DSystems的公司，开始专注发展3D打印技术，这是世界上第一家生产3D打印设备的公司，而它所采用的技术被称之为“立体光刻（Stereolithography）”，利用紫外线照射将树脂凝固成形，以此来制造物体。到1988年，3DSystems开始生产第一台3D打印机SLA-250，体型非常庞大：
　　自1986年之后，涌现了很多不同的3D打印技术：
　　1988年，ScottCrump发明了另外一种3D打印技术FusedDepositionModeling，并成立公司Stratasys。这个技术的特点是它能利用腊、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体，具备性能优良的特点；
　　1989年，C.R.Dechard发明SelectiveLaserSintering，利用高强度激光将材料粉末烤结，直至成型。这种技术的特点在选材范围广泛，比如尼龙、腊、ABS、金属和陶瓷粉末等都可以作为原材料；
　　1992年，Helisys发明LaminatedObjectManufacturing，利用薄片材料、激光、热熔胶来制作物体。然而该3D打印技术的原材料一直仅限于纸，性能低下；
　　1993年，麻省理工大学教授EmanualSachs发明Three-DimensionalPrinting技术（非本文泛指的3D打印技术），利用金属、陶瓷等粉末，通过粘接剂在一起成型。这种技术的有点在于制作速度快，价格低廉，然而成品的强度较低。1995年，ZCorporation获得麻省理工大学的许可，利用技术来生产3D打印机。
　　1996年，3DSystems、Stratasys、ZCorporation分别推出Actua2100、Genisys、Z402，第一次使用了“3D打印机”的称谓。
　　2005年，ZCroporation发布SpectrumZ510，这是世界上第一台高精度彩色3D打印机；同一年，英国巴恩大学的AdrianBowyer发起开源3D打印机项目RepRap，它的目标是作出“自我复制机”，通过3D打印机本身，能够制造出另一台3D打印机。
　　2008年，第一版RepRap发布，代号“Darwin”，能够打印自身50%的元件，它的体积仅一个箱子大小。
　　从这段发展历史中，我们可以看出，随着3D打印技术的种类变多，3D打印机可选的原材料范围也在变广，从树脂到塑料到陶瓷到金属。然而，最重要的是，3D打印机的价格在下降，1999年3DSystems的SLA7000要价80万美元，而公司今年年初推出的Cube要价仅1299美元。而且，Cube性能不低，不仅支持彩色打印，还支持无线连接，免费提供设计软件，让平板电脑发挥设计的潜力。
　　除了3DSystem这样老牌的3D打印机生产商以外，一些新兴的3D打印机生产商也把目标放在“低价3D打印机”上，比如2009年成立的MakerBot，它的产品就只有1749美元。不仅如此，最近创立的Soldoodle所生产的3D打印机仅499美元（Basic版）。而在Kickstarter上，出现了售价仅为300美元的3D打印机Makibox。
　　个人电脑的普及，也让3D打印机的价格下降。回顾前文中SLA-250的外观，我们会发现它就是一个工作站，不仅包括了负责将物体打印出来的3D打印机部分，还有负责设计的电脑部分。在1988年，电脑的价格不像现在这般便宜，也不如现在这般普遍，将3D打印机连同3D打印机一起卖给客户，是当时合理的选择。然而，时至今日，电脑已经得到了广泛的应用，而且性能有了长足的进步，3D打印机不必连同电脑一起卖给客户，价格自然得到了降低。此外，以往价格高昂3D设计软件也有越来越多的价格低廉的替代品，有些甚至是完全免费的开源软件，比如123D、OpenSCAD、Tinkercard。这些因素都让3D打印成本得到降低。
　　随着3D打印机的成本越来越低，围绕着它所提供的服务也越来越多。最典型的，就像参加CES2012的Sculpteo，它允许用户上传或直接在网站设计3D草图，然后公司将物体打印出来之后，再快递到用户的手中（Sculpteo还有商城等其它服务）。
　　最近几年关于3D打印的消息层出不求，它的使用范围越来越广。比如：
　　3D打印的原材料扩展到金、银以及强度极高的钛，还有不锈钢；
　　德国Voxljet制造了尺寸为4mx2mx1m的3D打印机；
　　Cornell大学尝试利用3D打印机直接打印出食物出来；
　　Exeter大学的研究人员，制造出以巧克力为原材料的3D打印机；
　　哈佛大学的实验室开发可以实现生物细胞打印的设备；
　　德国FraunhoferInstitue利用3D打印技术将血管给打印了出来；
　　Loughborough大学的一个研究小组正在尝试让混凝土成为3D打印的原材料；
　　Organovo开始研究如何利用3D打印机来打印人体器官。
　　总结以上的趋势，那就是3D打印技术的部署成本越来越低，以现在的价格，几乎每个人都可以拥有一台3D打印机。而随着选材范围越来越广，3D打印机可制作的物品越来越多，从汽车、飞机零件，到食物，到人体器官等等。加之如今网络的发达，每个人都能够成立一个像Sculpteo这样的网站，按客户需求，个性化定制物品，让“社会化制造”成为可能。

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