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3D新闻

六问3D打印机技术原理与局限

星之球激光 来源:未知2013-09-03 我要评论(0 )   

工作原理与普通打印机无异,只是打印材料不同 由成龙主演的电影《十二生肖》有这样一个情节:被盗走的国宝十二生肖头像数据被电脑扫描后,一模一样的兽首就可以从一台神...

   工作原理与普通打印机无异,只是打印材料不同

  由成龙主演的电影《十二生肖》有这样一个情节:被盗走的国宝十二生肖头像数据被电脑扫描后,一模一样的兽首就可以从一台神奇的机器上制造出来。——这个情节简单地介绍了3D打印的流程,看上去似乎很简单,并没有什么特别。

  3D打印机究竟是什么原理呢?它和传统打印机有何区别?和雕刻技术又有何不同?

  说起它的原理,其实一点都不复杂,其运作原理和传统打印机工作原理基本相同,也是用喷头一点点“磨”出来的。只不过3D打印它的喷的不是墨水,而是液体或粉末等“打印材料”,利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。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。

  对此,中科院广州电子科技有限公司的技术人员王宏伟把它比喻成切西瓜和叠西瓜的过程,“你可以想象一下,这里有一个西瓜被电脑扫描了之后,它的身高、体重、三围都有很详细的数据了,然后在根据这个数据把西瓜分割成无数个薄薄的横截面,3D打印机就是把这些无数个横截面叠加成一个西瓜的过程。”

 

  3D打印过程就像切西瓜和拼西瓜

  这里的“西瓜切片”要比我们实际所见的西瓜片薄很多,据王宏伟介绍说,目前根据使用材料的不同,3D打印的切片最薄的达到16微米,也就是0.016毫米,相当于比我们头发直径的一半还要薄,用肉眼是看不到的。如此精细的工艺,还主要集中在3D制造工艺相对成熟的国外产品上,而国内3D打印机的切片厚度通常都在0.178毫米以上。

  当然,如此轻薄的切层,想要堆积起来并不是一件容易的事儿,目前实现堆叠薄层的技术也多种多样,王宏伟简单地介绍了两种技术方法:“有一种叫立体光刻,比如以色列的Object公司3D打印机,就是将一层极薄的液态塑料物质喷在铸模托盘上,然后经紫外线处理,托盘依次下降极小的一层,以供下一层堆叠上来。因为这种技术要求非常精细,因此生产出来的样品不需要打磨,表面就非常光滑。”此外,王宏伟把常用的“熔积成型”比喻成“挤牙膏”:“牙膏管的口就类似3D打印机的喷头,牙膏就类似3D打印的原材料,原材料在喷头内经过熔化,最后沉积成塑料纤维形成薄层。”

  简单而言,3D打印机做的是“加法”,把一层一层叠加起来形成成品,而传统的模具制造采用的是雕刻手法,在一整块材料上,把不需要的部分剔除最后成型。显然,前者更加环保,也更加有效率。

 

  国内可用材料有限,主要打印工业塑料

  跟传统打印机不同的是,3D打印机使用的材料并非是“墨水”,而是液态或者粉末材料。据王宏伟介绍说,目前国内研发的3D打印机能使用的材料非常有限,主要是具有高强度、耐冲击、耐热度等特点的工业塑料,集中在PC和PC-ABS 这两种。这两种材料在日常生活中的应用非常广泛,例如工地上的安全帽和汽车上的方向盘,都有可能是这两种材料制造的。

  不过,3D打印材料在国外的研发则更为多样和先进,除了上述材料,国外3D打印机还会使用光敏树脂、金属、石膏、生物陶瓷等材料。美国就有研究人员用磷酸钙生物陶瓷曾经打印出人体骨骼,并在小狗身上做了实验,小狗完好地生存了下来。

  今年2月,美国康奈尔大学发表报告称,利用3D打印机打印出人造耳朵。那么,这种人体器官又是用什么材料制造而成呢?

  据悉,美国康奈尔大学研究人员首先利用快速旋转的3D相机拍摄数名儿童现有耳朵的三维信息,然后将其输入计算机,3D打印机会据此打印出耳朵模子。研究人员在模子中注入特殊的胶原蛋白凝胶,这种凝胶含有能生成软骨的牛耳细胞。此后数周内,软骨逐渐增多并取代凝胶。3个月后,模子内出现一个具有柔韧性的人造外耳,其功能和外表均与正常人耳相似。

  除此之外,英国也有机构在尝试通过3D打印机来打造人体的干细胞,从而突破诸多医学难题。不过,对此,中科院广州电子科技有限公司董事长、研究员李耀堂就表示:“3D打印离人体器官实用化的道路非常漫长,例如一个肾脏,结构非常复杂,很多血管,这些东西目前是无法打印出来的。”

 

  谈资

  1. 3D打印与普通打印机的区别

  无论是3D打印机还是传统打印机,都称为打印机,工作原理基本相同。它们最大的差别就在于耗材不同,普通打印机的耗材是由传统的墨水和纸张组成的,而3D打印机主要是由胶水和粉末组成的,都是经过特殊处理的材料,但是对固化反应速度和模型强度以及分辨率都有很大关系。

 

  2.世界上最小的

  3D打印机

  世界上最小的3D打印机是由维也纳大学的研发小组只花费了1200欧元(约1.1万元人民币)组装的打印机,由于他们完美的设计,成本被大大降低,打印机大小也比预计的要小得多。

  它的外形只有牛奶盒大小(当然我们说的是大盒装的),重量仅有3.3磅(约1.5公斤),是世界上最小的3D打印机。

 

  3.打印玩具

  最快20分钟

  3D打印机被很多人应用在给小孩子大玩具上,目前,最大能打印出15厘米×15厘米规格的玩具,空心的玩具最快只需要20分钟,实心的最慢也只需要三四个小时即可打印好,在材料成本方面也只需要几十元,和普通玩具售价差不多。

 

  4.美国打印枪支

  需安装金属钉

  美国已有网站上载了枪支的三维数据模型,网民花3000美元买台3D打印机,下载了枪支数据模型在家就能打印枪支。这种枪支是塑料制品,使用寿命短,可以逃避枪支金属检测,具备杀伤能力。美国已规定3D打印的枪支一定要加入一颗金属钉,使其不能逃避枪支金属检测。

 

  5.能打印食物吗?

  在这里,食物仅仅是一些分开存放的不同粉末。这些不同的粉末加上油和水,然后通过3D打印机制造出不同风味的食物。3D食物打印机由软件控制,能够打印出任何你想要的食物。

 

  6.3D打印的材料贵吗?

  打印材料根据种类和国内国外生产有所不同,譬如同样的ABS塑料的材料,国内厂家售价在几百元每公斤,国外厂家的售价在上万元每公斤。

 

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