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一個畢業(yè)于北京大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系，在中國科學(xué)院計算所、計算中心和網(wǎng)絡(luò)中心工作過，在澳大利亞科工組織DMS、香港浸會學(xué)院數(shù)學(xué)系和中國21世紀(jì)議程管理中心等處工作過，多次獲國家和中科院科技獎并享受政府特殊津貼的退休老頭?，F(xiàn)在在【中國科普博覽】網(wǎng)“科學(xué)新語林”欄目里開設(shè)一個《數(shù)學(xué)與計算機(jī)》的個人專欄，愿和愛好數(shù)學(xué)與計算機(jī)的各界網(wǎng)友和青少年朋友，談?wù)剬?shù)學(xué)與計算機(jī)的看法、想法。
3D和4D打印（2）
張建中
2013年09月22日
3．3D打印技術(shù)的類型
3D打印技術(shù)實際上是一系列快速原型成型技術(shù)的統(tǒng)稱，基本原理就是疊層制造，由快速原型機(jī)在X-Y平面內(nèi)通過掃描形式形成工件的截面形狀，而在Z坐標(biāo)間斷地作層面厚度的位移，最終形成3D制件。目前市場上的快速成型技術(shù)分為3DP 技術(shù)、FDM熔融層積成型技術(shù)、SLA立體平版印刷技術(shù)、SLS選區(qū)激光燒結(jié)、DLP激光成型技術(shù)和UV紫外線成型技術(shù)等。
3DP技術(shù)：采用3DP技術(shù)的3D打印機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印技術(shù)，通過將液態(tài)連結(jié)體鋪放在粉末薄層上，以打印橫截面數(shù)據(jù)的方式逐層創(chuàng)建各部件，創(chuàng)建三維實體模型。采用這種技術(shù)打印成型的樣品模型與實際產(chǎn)品具有同樣的色彩，還可以將彩色分析結(jié)果直接描繪在模型上。
FDM熔融層積成型技術(shù)：FDM熔融層積成型技術(shù)是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機(jī)的控制下，根據(jù)截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后，機(jī)器工作臺下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層，直至形成整個實體造型。其成型材料種類多，成型件強度高、精度較高，主要適用于成型小塑料件。
SLA立體平版印刷技術(shù)：SLA立體平版印刷技術(shù)以光敏樹脂為原料，通過計算機(jī)控制激光按零件的各分層截面信息在液態(tài)的光敏樹脂表面進(jìn)行逐點掃描，被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完成后，工作臺下移一個層厚的距離，然后在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，直至得到三維實體模型。該方法成型速度快，自動化程度高，可成形任意復(fù)雜形狀，尺寸精度高，主要應(yīng)用于復(fù)雜、高精度的精細(xì)工件快速成型。
SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)：SLS（selective laser sintering）選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)是通過預(yù)先在工作臺上鋪一層粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末），然后讓激光在計算機(jī)控制下按照界面輪廓信息對實心部分粉末進(jìn)行燒結(jié)，然后不斷循環(huán)，層層堆積成型。該方法制造工藝簡單，材料選擇范圍廣，成本較低，成型速度快，主要應(yīng)用于鑄造業(yè)直接制作快速模具。
DLP激光成型技術(shù)：DLP激光成型技術(shù)和SLA立體平版印刷技術(shù)比較相似，不過它是使用高分辨率的數(shù)字光處理器(DLP)投影儀來固化液態(tài)光聚合物，逐層的進(jìn)行光固化。由于每層固化時通過幻燈片似的片狀固化，因此速度比同類型的SLA立體平版印刷技術(shù)速度更快。該技術(shù)成型精度高，在材料屬性、細(xì)節(jié)和表面光潔度方面可匹敵注塑成型的耐用塑料部件。
UV紫外線成型技術(shù)：UV紫外線成型技術(shù)和SLA立體平版印刷技術(shù)比較類似，不同的是它利用UV紫外線照射液態(tài)光敏樹脂，一層一層由下而上堆棧成型。成型的過程中不產(chǎn)生噪音，在同類技術(shù)中成型的精度最高，通常應(yīng)用于精度要求高的珠寶和手機(jī)外殼等行業(yè)。
4．3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
3D 打印的應(yīng)用范圍之廣超乎人們的想象。從理論上說，幾乎只要是存在的東西都可以通過3D 打印機(jī)復(fù)制出來。隨著技術(shù)的不斷成熟，3D 打印技術(shù)有望在以下幾個行業(yè)中得到廣泛使用：
1、傳統(tǒng)制造業(yè)：3D 打印無論是在成本、速度和精確度上都遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)制造技術(shù)，將一些非關(guān)鍵部件用3D 打印的產(chǎn)品替代，在追求效率的同時可以降低成本。
2、航空制造業(yè)：在航空制造業(yè)中，有著質(zhì)輕、強度高、耐高溫等特點的鈦合金材料被開始大量使用，不過，鈦合金昂貴的價格和特殊的材料屬性也帶來不小的麻煩，而3D打印技術(shù)能很好地解決這些問題。
飛機(jī)鈦合金用量很大，而鈦合金很昂貴，40-50萬一噸，用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)零件的話，最后零件材料的利用率不到5%，另外這個材料很粘，加工的時間又長又費錢?；谶@兩條，一個零件的加工成本非常高，一公斤的制件可能就要幾萬元，所以從這個角度說，3D技術(shù)周期短、可以省很多錢。
不僅如此，采用3D技術(shù)制造戰(zhàn)斗機(jī)零部件，將給戰(zhàn)斗機(jī)性能帶來巨大的幫助。目前，我國已經(jīng)通過3D打印技術(shù)成功制造出一個5平方米鈦合金加強框。
2013年8月《北京青年報》的一篇報道中，曾對傳統(tǒng)補牙和3D打印牙進(jìn)行了多方面比較：傳統(tǒng)補牙耗時約半年，3D打印牙只需3-4小時；傳統(tǒng)補牙技術(shù)要求高，3D打印牙簡單培訓(xùn)就能掌握；傳統(tǒng)補牙費用1-2萬元人民幣，3D打印牙總費用降到5000元左右；但3D打印牙現(xiàn)在還處于動物實驗階段，2-3年后才有望用于人體。
4、文物保護(hù)：博物館里常常會用很多復(fù)雜的替代品來保護(hù)原始作品不受環(huán)境或意外事件的傷害，同時復(fù)制品也能將藝術(shù)或文物的影響帶給更多更遠(yuǎn)的人。
5、科學(xué)研究：美國德雷塞爾大學(xué)的研究人員通過對化石進(jìn)行3D掃描，利用3D打印技術(shù)做出了適合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同時還做了比例縮減，更適合研究。
6、產(chǎn)品原型：在產(chǎn)品設(shè)計出來之后、實際生產(chǎn)之前，通過3D打印機(jī)打印出模型，能夠讓設(shè)計制造部門更好的改良產(chǎn)品，打造出更出色的產(chǎn)品。
8、配件飾品：3D 打印技術(shù)很好地滿足了配件飾品消費者個性化多樣化的需求。目前已經(jīng)有一些公司開始為消費者提供個性化3D 打印服務(wù)。
3D打印技術(shù)實際上是一系列快速原型成型技術(shù)的統(tǒng)稱，基本原理就是疊層制造，由快速原型機(jī)在X-Y平面內(nèi)通過掃描形式形成工件的截面形狀，而在Z坐標(biāo)間斷地作層面厚度的位移，最終形成3D制件。目前市場上的快速成型技術(shù)分為3DP 技術(shù)、FDM熔融層積成型技術(shù)、SLA立體平版印刷技術(shù)、SLS選區(qū)激光燒結(jié)、DLP激光成型技術(shù)和UV紫外線成型技術(shù)等。
3DP技術(shù)：采用3DP技術(shù)的3D打印機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印技術(shù)，通過將液態(tài)連結(jié)體鋪放在粉末薄層上，以打印橫截面數(shù)據(jù)的方式逐層創(chuàng)建各部件，創(chuàng)建三維實體模型。采用這種技術(shù)打印成型的樣品模型與實際產(chǎn)品具有同樣的色彩，還可以將彩色分析結(jié)果直接描繪在模型上。
FDM熔融層積成型技術(shù)：FDM熔融層積成型技術(shù)是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機(jī)的控制下，根據(jù)截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后，機(jī)器工作臺下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層，直至形成整個實體造型。其成型材料種類多，成型件強度高、精度較高，主要適用于成型小塑料件。
SLA立體平版印刷技術(shù)：SLA立體平版印刷技術(shù)以光敏樹脂為原料，通過計算機(jī)控制激光按零件的各分層截面信息在液態(tài)的光敏樹脂表面進(jìn)行逐點掃描，被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完成后，工作臺下移一個層厚的距離，然后在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，直至得到三維實體模型。該方法成型速度快，自動化程度高，可成形任意復(fù)雜形狀，尺寸精度高，主要應(yīng)用于復(fù)雜、高精度的精細(xì)工件快速成型。
SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)：SLS（selective laser sintering）選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)是通過預(yù)先在工作臺上鋪一層粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末），然后讓激光在計算機(jī)控制下按照界面輪廓信息對實心部分粉末進(jìn)行燒結(jié)，然后不斷循環(huán)，層層堆積成型。該方法制造工藝簡單，材料選擇范圍廣，成本較低，成型速度快，主要應(yīng)用于鑄造業(yè)直接制作快速模具。
DLP激光成型技術(shù)：DLP激光成型技術(shù)和SLA立體平版印刷技術(shù)比較相似，不過它是使用高分辨率的數(shù)字光處理器(DLP)投影儀來固化液態(tài)光聚合物，逐層的進(jìn)行光固化。由于每層固化時通過幻燈片似的片狀固化，因此速度比同類型的SLA立體平版印刷技術(shù)速度更快。該技術(shù)成型精度高，在材料屬性、細(xì)節(jié)和表面光潔度方面可匹敵注塑成型的耐用塑料部件。
UV紫外線成型技術(shù)：UV紫外線成型技術(shù)和SLA立體平版印刷技術(shù)比較類似，不同的是它利用UV紫外線照射液態(tài)光敏樹脂，一層一層由下而上堆棧成型。成型的過程中不產(chǎn)生噪音，在同類技術(shù)中成型的精度最高，通常應(yīng)用于精度要求高的珠寶和手機(jī)外殼等行業(yè)。
4．3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
3D 打印的應(yīng)用范圍之廣超乎人們的想象。從理論上說，幾乎只要是存在的東西都可以通過3D 打印機(jī)復(fù)制出來。隨著技術(shù)的不斷成熟，3D 打印技術(shù)有望在以下幾個行業(yè)中得到廣泛使用：
1、傳統(tǒng)制造業(yè)：3D 打印無論是在成本、速度和精確度上都遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)制造技術(shù)，將一些非關(guān)鍵部件用3D 打印的產(chǎn)品替代，在追求效率的同時可以降低成本。
2、航空制造業(yè)：在航空制造業(yè)中，有著質(zhì)輕、強度高、耐高溫等特點的鈦合金材料被開始大量使用，不過，鈦合金昂貴的價格和特殊的材料屬性也帶來不小的麻煩，而3D打印技術(shù)能很好地解決這些問題。
飛機(jī)鈦合金用量很大，而鈦合金很昂貴，40-50萬一噸，用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)零件的話，最后零件材料的利用率不到5%，另外這個材料很粘，加工的時間又長又費錢?；谶@兩條，一個零件的加工成本非常高，一公斤的制件可能就要幾萬元，所以從這個角度說，3D技術(shù)周期短、可以省很多錢。
不僅如此，采用3D技術(shù)制造戰(zhàn)斗機(jī)零部件，將給戰(zhàn)斗機(jī)性能帶來巨大的幫助。目前，我國已經(jīng)通過3D打印技術(shù)成功制造出一個5平方米鈦合金加強框。
制造的鈦合金飛機(jī)零部件示意圖.jpg "通過3D打印技術(shù)制造的鈦合金飛機(jī)零部件示意圖")
通過3D打印技術(shù)制造的鈦合金飛機(jī)零部件示意圖
3、醫(yī)療行業(yè)：在外科手術(shù)中，3D 打印技術(shù)可為需要器官移植的患者“量身打造”所需器官，無需擔(dān)心排異反應(yīng)。3D打印技術(shù)甚至可打印出牙齒、骨骼等人體器官。目前，用3D打印技術(shù)制造的牙齒已進(jìn)入市場應(yīng)用，而骨骼因結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對材料要求高，故而尚在研究中，還沒有實現(xiàn)完全的市場化。展望未來，3D打印機(jī)在血管、心臟等器官的再造和移植等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用值得期待。2013年8月《北京青年報》的一篇報道中，曾對傳統(tǒng)補牙和3D打印牙進(jìn)行了多方面比較：傳統(tǒng)補牙耗時約半年，3D打印牙只需3-4小時；傳統(tǒng)補牙技術(shù)要求高，3D打印牙簡單培訓(xùn)就能掌握；傳統(tǒng)補牙費用1-2萬元人民幣，3D打印牙總費用降到5000元左右；但3D打印牙現(xiàn)在還處于動物實驗階段，2-3年后才有望用于人體。
4、文物保護(hù)：博物館里常常會用很多復(fù)雜的替代品來保護(hù)原始作品不受環(huán)境或意外事件的傷害，同時復(fù)制品也能將藝術(shù)或文物的影響帶給更多更遠(yuǎn)的人。
5、科學(xué)研究：美國德雷塞爾大學(xué)的研究人員通過對化石進(jìn)行3D掃描，利用3D打印技術(shù)做出了適合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同時還做了比例縮減，更適合研究。
6、產(chǎn)品原型：在產(chǎn)品設(shè)計出來之后、實際生產(chǎn)之前，通過3D打印機(jī)打印出模型，能夠讓設(shè)計制造部門更好的改良產(chǎn)品，打造出更出色的產(chǎn)品。
打印出的無人飛機(jī).jpg "3D打印機(jī)打印出的無人飛機(jī)")
3D打印機(jī)打印出的無人飛機(jī)
7、建筑設(shè)計：在建筑設(shè)計行業(yè)里，工程師和設(shè)計師們已經(jīng)逐漸開始使用3D 打印機(jī)打印的建筑模型，這種方法快速、成本低、環(huán)保，同時制作精美，完全合乎設(shè)計者的要求，同時又能節(jié)省大量材料。8、配件飾品：3D 打印技術(shù)很好地滿足了配件飾品消費者個性化多樣化的需求。目前已經(jīng)有一些公司開始為消費者提供個性化3D 打印服務(wù)。
3D打印出來的特制服裝
9、食品產(chǎn)業(yè)：研究人員已經(jīng)開始嘗試打印巧克力，或許在不久的將來，很多看起來一模一樣的食品就是用食品3D打印機(jī)“打印”出來的。的各種太空食品.jpg "NASA為航天員研發(fā)的各種太空食品")
NASA為航天員研發(fā)的各種太空食品
10、美容護(hù)膚：3D打印技術(shù)未來也可能會幫助愛美人士進(jìn)行整容，說不定未來最有效果的青春痘的治療方法就是通過3D打印技術(shù)來實現(xiàn)呢！不僅青春痘,包括祛斑,美白等領(lǐng)域都有希望使用到3D打印技術(shù)！