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3D打印技術(shù)這35年：從做個(gè)模型到制造業(yè)的未來丨鈦科普

作者：編輯 ? 時(shí)間：2018-08-03 ? 瀏覽：人次

1983年，美國發(fā)明家Chuck Hall發(fā)明了世界上第一臺(tái)3D打印機(jī)，采用立體光刻技術(shù)，但這一技術(shù)由于機(jī)器龐大和費(fèi)用高昂，市場并沒有很快接受這個(gè)概念。但隨著更加便宜的3D打印技術(shù)（熔絲制造和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)）被研發(fā)出來，在90年代有多個(gè)3D打印公司被創(chuàng)立，這項(xiàng)技術(shù)才有了更多的人力和資源來支持其的發(fā)展。

35年前，3D打印只能夠打印簡單模型，而現(xiàn)在3D打印出來的人工關(guān)節(jié)，在2012年國內(nèi)就有患者裝上了，而家用的3D打印機(jī)在淘寶上也可以隨意購買。越來越普及的3D打印技術(shù)卻一直停留在模型和少數(shù)產(chǎn)品的制作階段，如果要進(jìn)一步打開市場，3D打印需要進(jìn)入制造業(yè)，給傳統(tǒng)的制造方式帶來一場方式上的革新。

不同于傳統(tǒng)的制造業(yè)，3D打印的優(yōu)勢在于：不需要花大量的時(shí)間來制造生產(chǎn)磨具，產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)周期短，可以造出傳統(tǒng)制造業(yè)造不出的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對(duì)于原材料消耗小等。但相對(duì)于傳統(tǒng)的制造業(yè)，3D打印最后成品依舊面對(duì)著材料強(qiáng)度物理性能不達(dá)標(biāo)，產(chǎn)品外觀不光滑，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間較長，成本高等缺陷。

今天我們就著3D打印的三個(gè)大板塊：金屬打印，塑料打印，陶瓷玻璃打印， 來分析一下3D打印這項(xiàng)科技目前的發(fā)展現(xiàn)狀和在制造業(yè)前景。

金屬打印：點(diǎn)“粉”成“金”

金屬打印目前主要以直接金屬激光燒結(jié)（DMSL）為主，通過用激光融化金屬顆粒來成型。在打印的時(shí)候激光掃過一層金屬粉末，激光高溫融化需要融化的粉末，形成2D圖像。當(dāng)這一層金屬冷卻成型之后，機(jī)器鋪上另外一層顆粒，重復(fù)之前過程，最后形成3D形狀。

直接金屬激光燒結(jié)部件

直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)能夠打印出來較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且隨著金屬納米粉末制造技術(shù)的成熟，這一技術(shù)能實(shí)現(xiàn)較好的外觀和物理性能。但是由于這一技術(shù)的生產(chǎn)時(shí)間相對(duì)傳統(tǒng)的CNN金屬切割成型技術(shù)過長，而且納米金屬粉末的成本很高，目前還停留在模型制作的階段。

塑料打?。喊倩R放

塑料3D打印從30年前研發(fā)出來的熔絲制造（FFF/FDM），已經(jīng)發(fā)展成多種固態(tài)，液態(tài)粉末態(tài)的打印形式了。除了固體狀態(tài)下的熔絲制造，還有粉末狀態(tài)下的選擇性激光燒結(jié)（SLS）和液態(tài)光定型制造（CLIP）等各種技術(shù)

熔絲制造（FFF/FDM）是最常見的3D打印技術(shù)，通過融化塑料絲，移動(dòng)打印頭來構(gòu)造一層2D圖像，然后一層一層搭成3D形狀。利用這項(xiàng)技術(shù)的3D打印機(jī)因?yàn)檎嫉孛娣e不大，操作方便簡單，已經(jīng)非常普及。同時(shí)由于這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展多年，市場上的各種塑料都有為這一技術(shù)做熔絲，所以這一項(xiàng)技術(shù)在材料方面有很大的選擇空間。

熔絲制造多彩的熔絲原材料（圖片來源WWW.DELL.COM）

然而，熔絲制造的缺陷在于最后成品并不美觀，表面會(huì)留下塑料絲融化過的痕跡，需要通過后期加工磨砂拋光才能讓表面光滑。 同時(shí)該技術(shù)由于在打印垂直和橫向方向的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料密度不一樣，產(chǎn)品的物理各向異性特別明顯，不適合用于打印要承受較大重量的部件。不過由于這項(xiàng)技術(shù)的方便快捷以及材料多的特點(diǎn)，已經(jīng)在生產(chǎn)支具，做產(chǎn)品模型中被較為廣泛的應(yīng)用。

熔絲制造（圖片來源：視覺中國）

選擇性激光燒結(jié)（SLS）的技術(shù)原理和直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)非常相似，主要通過用激光融化塑料顆粒來成型。和金屬的激光燒結(jié)技術(shù)一樣，塑料選擇性激光燒結(jié)也需要大型機(jī)器和專業(yè)人員來操作。同時(shí)相比金屬的激光燒結(jié)可以達(dá)到納米級(jí)別的顆粒，塑料并沒有納米級(jí)別的顆粒，這也限制了產(chǎn)品最后表面的光滑性和美觀性。

不過這一技術(shù)由于不需要額外支撐材料，可以打印出非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。這一技術(shù)另一大優(yōu)點(diǎn)是原材料較為便宜，答應(yīng)時(shí)間較短，有成為大批量生產(chǎn)主力軍的潛力。

選擇性激光燒結(jié)部件 （來源：stratasysdirect.com）

液態(tài)光定型制造（CLIP）是利用液態(tài)的原始材料在光照的驅(qū)動(dòng)下固化成型來制造的。通過投影技術(shù)在液態(tài)材料與空氣的接觸面上投影需要打印的2D圖像，在固化之后將打印好的圖像向上移動(dòng)，打印下一層。 該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于液態(tài)材料可以形成光滑的表面，打印出來的成品美觀。

液態(tài)光定型制造（CLIP）跑鞋 （來源：carbon3d.com）

目前擁有這一項(xiàng)技術(shù)的公司Carbon3D已經(jīng)通過這一技術(shù)和阿迪達(dá)斯聯(lián)合生產(chǎn)出了一款跑鞋的超輕超彈中底，各位有錢的大佬們有興趣可以考慮一下。

陶瓷玻璃打?。耗壳安⒉怀墒?/strong>

由于陶瓷的高熔點(diǎn)，陶瓷的3D打印技術(shù)目前還沒有商業(yè)化的推廣，陶瓷的3D答應(yīng)也停留在一個(gè)基礎(chǔ)的熔絲制造階段。但是，麻省理工大學(xué)的的“黑科技制造廠”媒體實(shí)驗(yàn)室（Media Lab）已經(jīng)做出了玻璃3D打印的藝術(shù)品燈罩。該項(xiàng)技術(shù)熔絲的直徑目前還又有有效的減小，打印出來的成品表面還是會(huì)非常凹凸。

玻璃3D打印部件 （來源：media.mit.edu）

3D打印技術(shù)能替代制造業(yè)么，未來還能為我們做什么？

在小范圍內(nèi)，Carbon3D和阿迪達(dá)斯的合作已經(jīng)充分證明了3D打印的好處，它的從設(shè)計(jì)到出產(chǎn)品時(shí)間短，能構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。金屬3D打印在美觀和物理性能方面已經(jīng)接近傳統(tǒng)工業(yè)屆要求，但生產(chǎn)時(shí)間長，價(jià)格高。塑料3D打印由于發(fā)展之間長，較為成熟，被應(yīng)用得較為廣泛，但是其主要問題還是成品美觀不行，物理性能不達(dá)標(biāo)。

陶瓷3D打印技術(shù)還處在較為基礎(chǔ)的階段，需要不斷的研發(fā)。這些成本，技術(shù)和性能的問題不解決，在廣義程度上3D打印離制造業(yè)還有距離。

目前已經(jīng)有一些人開始試驗(yàn)3D打印的水泥房子，不需要砌磚，不需要人工，只需要一塊空地。這項(xiàng)技術(shù)目前還處在“隔壁家小強(qiáng)搗鼓出來了“的階段，沒有被較為廣泛的推廣。不過想想不打地基的房子是不是會(huì)有被風(fēng)吹走的危險(xiǎn)呢？

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工研究團(tuán)隊(duì)研究出來的3D打印出的人造心臟 （來源：www.ethz.ch）

實(shí)際上已經(jīng)有多家實(shí)驗(yàn)室開始利用3D打印能制造復(fù)雜精確結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)開始打印器官：瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)的一組研究團(tuán)隊(duì)就研究出了3D打印的心臟。該心臟只要模擬血流的流動(dòng)，就可以像正常心臟一樣搏動(dòng)。但是由于塑料還是比不過天生的肌肉，目前這個(gè)心臟只能存活45分鐘的時(shí)間，短暫的曇花一現(xiàn)?？梢韵胂蟮?，未來3D打印將在器官制造上有大作為，也許可以解決器官短缺的問題。（本文首發(fā)鈦媒體，作者/黃竹皮，編輯/項(xiàng)歐）

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