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一篇文章读懂3D打印来自e键打印

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发表时间:2015-10-29 14:11:41

  3D打印的正式名称是“增材制造”(Additive Manufacturing)。传统的机械加工遵循“减材制造”的思路,多是用切割、打磨、钻孔、蚀刻等手段剔除原材料中多余的部分,最终得到成型物件。而3D打印逆其道而行之,开创“增材制造”净成型的理念,是借助三维数字模型设计,使用材料喷射、烧结、焊接等各种立体打印技术,来实现原料层层沉积或黏合,并最终得到成型物件的方式。


  e键打印(ejdyin.com)是一家专注于为C端用户提供一站式、便捷化、实惠性的工业级3D打印服务同时实现设计师商业价值的网站。平台功能定位:面向C端用户、满足碎片化打印需求、一件即可打印成型、打印流程完全实现自动化操作、实现设计师商业价值--创意落地销售。


    3D打印拥有颠覆传统,重塑制造业生产模式的巨大魅力。其优势可以概括为三方面,一是在不增加额外成本的前提下,大大提升产品形状和物质构成的复杂度;二是优化和重塑生产流程,提高生产效率,降低成本;三是节省原材料,提升原料利用率。


    在这三大核心优势的基础上,3D打印可以实现两个颠覆,一是通过大大提升设备的通用性和生产柔性,将通过批量生产来摊销前期投入成本的规模经济逻辑颠覆,从而使得企业实现量化定制,满足市场需求的多样性和易变性。


    二是随着数字编码和3D成型工艺通用水平的提高,个体参与专业化生产制造的技能和资金门槛将大大降低,人们可以专注于产品的设计,并通过网络社区完成相关的创意形成、融资、研发、制造和销售,通过这种扁平化、低成本的运作模式,实现个体创新最大化。


技术趋势:成型工艺、原材料和设计程序的联合创新,逐渐改善性价比


  3D打印技术的发展,实际上是成型工艺、原材料和设计程序这三大要素螺旋式创新的过程。从三要素的发展历史看,以上三者互为支撑,彼此勾连,其中一个要素的突破往往能为另外两大要素提供技术支持,从而为3D打印产业链的应用打开更广阔的空间,改善其在各个细分市场上的性价比。从3D打印发展阶段看,目前我们正处于控制物体形状的初级水平,未来将向着控制物质构成的方向发展。也就是说,不仅仅塑造外部几何形状,而且要实现多元材料、多元结构的同时打印,从而创造特定形状、特定功能的全新材料。


  从更加长远的愿景看,未来的3D打印,将超越对物体形状、结构的控制,将会把程序编写进材料,使其具备我们所需要的功能。我们不再打印被动的零部件和材料,而是打印能够感知、反应、计算和行动的智能系统。


  成型工艺方面,提高打印精度、速度,多材料同时打印、降低成本是成型工艺当前的发展趋势。如附录中表25所示,目前主要有选择性沉积、选择性黏合以及分层超声波焊接三大主流技术路线,美国材料与试验协会(ASTM)目前给出的6种技术标准分类也可大体归入这三条技术路线。从成型工艺的发展历史看,在20世纪80、90年代,三大技术路线都已经出现,并逐渐成熟;21世纪初以来,革命性的工艺已鲜有问世,技术进展主要体现在已有的三大技术路线的精益求精上。


  当前主要的发展趋势有三个:一是提高打印精度和速度,但二者性能的提升似乎又是个悖论,打印精细程度的上升往往意味着加工速度的减慢,如何将二者兼顾有赖于技术进步;二是研发能支持更多打印原材料的设备,比如最近十年发展最快的金属材料,而未来,多元材料同时打印将是3D打印成型工艺发展的核心。三是为了3D打印更为广泛的应用,降低打印设备的成本,尤其是降低其中诸如激光发射器、振镜等核心部件的成本是未来重要的发展方向。事实上,开源3D打印机系统已使得简易的消费级3D打印机的成本大幅下降,自行设计3D打印机已成为可能。

原材料方面,材料种类更多元、性能更好以及成本更低是未来的发展趋势。可供3D 打印的材料有300 多种,按照实现3D打印应用的顺序看,塑料、尼龙、树脂、橡胶等高分子材料最先进入应用,也是目前技术最成熟、应用最广泛的,但是由于其强度、耐用性差、不耐高温、有毒、不环保等缺陷,应用范围受限;陶瓷、混凝土、玻璃、纸、蜡等也只能应用在特定细分领域。


  金属粉末是目前发展最快的领域,但是由于其加工难度大,液化打印难以成型,采用粉末冶金方式,除高温还需要高压,且还要面对金属应力离散的问题,即材料在受到激光照射时,温度可达2000℃以上,移开激光后便骤降到200℃以下,材料经受不住这么大的温差,会出现开裂或变形。这些问题均导致其成本高昂,普及程度还远远不够,国内更是罕有公司涉及。这某种程度上已构成当前3D打印技术向工业级应用渗透推广的最大瓶颈。


  以色列的Objet(2013年被Stratasys收购)是目前掌握最多打印材料的公司,它已经可以使用14种基本材料,并在此基础上混搭出107种材料,两种材料的混搭使用、上色也已经成为现实。但是,这些材料种类与人们生活的大千世界里的材料相比,还相差甚远,同时,价格也一直居高不下。很明显,使3D打印材料多元化(尤其是实现复合材料同时打印)、性能更好以及成本更低将是未来的发展趋势。


  设计程序其实是经常被人忽视的领域,但事实上,它的设计精度以及目前软件对成型工艺的支持程度远未达到理想状态。它大致可以分为3D建模设计和3D打印机固件程序两部分。在3D建模软件方面,目前已从简单的实体建模提升到曲面建模(广泛用于动画CG制作)以及光学扫描(如三维扫描、点云等)的阶段,但缺陷在于无法实现对模型内部结构的详细刻画,同时,分辨率的提升也面临计算机处理能力的瓶颈。固件程序语言方面,目前最广泛应用的是3D打印机发明人Charles Hull在1987年发明的STL语言,但这种语言是和当时的成型工艺相配合的一种因陋就简的语言,对于当前更高的精度、多元材料的成分控制均已力不从心。


  基于此,未来的设计程序的发展趋势有三个,一是在3D建模方面实现对物体内部结构的刻画,二是实现对多元材料同时打印的控制,三是革新STL语言,使3D打印机固件能够读取更为复杂、海量的3D模型数据,事实上,2010年已出现了一种更完善的AMF语言格式,正在逐渐取代STL的传统领地。


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