關(guān)于作者
一個(gè)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(jì)算所、計(jì)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(jiǎng)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(gè)《數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)》的個(gè)人專欄，愿和愛好數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)的各界網(wǎng)友和青少年朋友，談?wù)剬?shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)的看法、想法。
3D和4D打?。?）
張建中
2013年09月09日
1．什么是3D打印技術(shù)？
3D打印技術(shù)，可全稱為計(jì)算機(jī)三維打印增材制造技術(shù)，是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過計(jì)算機(jī)軟件控制，應(yīng)用逐層打印的方式來制造物體的技術(shù)。二十世紀(jì)80年代，美國人查爾斯？霍爾發(fā)明了光固化增材制造技術(shù)，申請專利后，注冊了3D System公司，如今該公司已成為3D打印設(shè)備巨頭之一。
3D打印技術(shù)，專業(yè)名稱應(yīng)是“快速成型技術(shù)”或“增材制造技術(shù)”，依托信息技術(shù)、材料科學(xué)和精密機(jī)械等多學(xué)科的尖端技術(shù)。3D打印首先應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)出三維的加工樣式，然后將這些樣式信息傳遞到3D打印機(jī)上，再通過特殊的膠水將液化、絲化和粉末化的固體材料堆積、粘合起來，“打印”出固態(tài)的物體產(chǎn)品。它既不需要用紙，也不需要用墨，而是通過電子制圖、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、激光掃描、材料熔化等一系列技術(shù)，使特定金屬粉或者記憶材料熔化，并按照電子模型圖的指示一層層重新疊加起來，最終把電子模型圖變成實(shí)物。由此可見，3D打印技術(shù)是一項(xiàng)集光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、數(shù)控及新材料于一體的先進(jìn)綜合制造技術(shù)。
3D打印的耗材由傳統(tǒng)的墨水、紙張轉(zhuǎn)變?yōu)槟z水、粉末，當(dāng)然膠水和粉末都是經(jīng)過特別處理的特殊材料，不僅對固化反應(yīng)速度有要求，對于模型強(qiáng)度以及“打印”分辨率都有直接影響?，F(xiàn)在，3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)600dpi分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。受到打印原理的限制，打印速度不是很快，但可以利用有色膠水實(shí)現(xiàn)彩色打印。
2．3D打印技術(shù)的特點(diǎn)
被認(rèn)為推動(dòng)了第三次工業(yè)革命進(jìn)程的3D打印技術(shù)，涉及信息技術(shù)、材料科學(xué)、精密機(jī)械等多個(gè)方面。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是可直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過增材制造的方法生成各種形狀的產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的減材制造相比，3D打印不僅可以提高材料利用率，還可以用更短的時(shí)間制造出比較復(fù)雜的產(chǎn)品。3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
3D打印技術(shù)的魅力還在于它不需要在工廠操作，而且，人們可以將其放在辦公室、商店等不大的房子里；桌面打印機(jī)可以打印出小物品，但汽車方向盤、甚至飛機(jī)零配件等大件物品，則需要更大的打印機(jī)和更大的放置空間。
3D打印，由于打印精度較高，打印出的模型品質(zhì)自然不錯(cuò)。除了可以表現(xiàn)出外形曲線上的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)部件也不在話下。如果用來打印機(jī)械裝配圖，齒輪、軸承、拉桿等都可以正?；顒?dòng)，而腔體、溝槽等形態(tài)特征位置準(zhǔn)確，甚至可以滿足裝配要求，打印出的實(shí)體還可通過打磨、鉆孔、電鍍等方式進(jìn)一步加工。同時(shí)粉末材料不限于砂型材料，還有彈性伸縮、高性能復(fù)合、熔模鑄造等其它材料可供選擇。
3D打印技術(shù)還有其他重要的優(yōu)點(diǎn)。大多數(shù)金屬和塑料零件是為了生產(chǎn)而設(shè)計(jì)，這就意味著它們會非常笨重，并且含有與制造有關(guān)但與其功能無關(guān)的剩余物。而3D打印技術(shù)卻不是這樣的，其原材料只為生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品，生產(chǎn)出的零件更加精細(xì)輕盈。當(dāng)材料沒有了生產(chǎn)限制后，產(chǎn)品就能以最優(yōu)化的方式來實(shí)現(xiàn)其功能，因此，與機(jī)器制造出的零件相比，打印出來的產(chǎn)品的重量要輕60%，并且同樣堅(jiān)固可用。
3D打印適用于新品研發(fā)，或是制造難以加工的貴重材料，以及用傳統(tǒng)制造方法浪費(fèi)大、甚至根本做不出來的復(fù)雜形狀，但在大批量生產(chǎn)方面，其尚嫌不足，還須依靠傳統(tǒng)制造。
3D打印技術(shù)，可全稱為計(jì)算機(jī)三維打印增材制造技術(shù)，是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過計(jì)算機(jī)軟件控制，應(yīng)用逐層打印的方式來制造物體的技術(shù)。二十世紀(jì)80年代，美國人查爾斯？霍爾發(fā)明了光固化增材制造技術(shù)，申請專利后，注冊了3D System公司，如今該公司已成為3D打印設(shè)備巨頭之一。
3D打印技術(shù)，專業(yè)名稱應(yīng)是“快速成型技術(shù)”或“增材制造技術(shù)”，依托信息技術(shù)、材料科學(xué)和精密機(jī)械等多學(xué)科的尖端技術(shù)。3D打印首先應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)出三維的加工樣式，然后將這些樣式信息傳遞到3D打印機(jī)上，再通過特殊的膠水將液化、絲化和粉末化的固體材料堆積、粘合起來，“打印”出固態(tài)的物體產(chǎn)品。它既不需要用紙，也不需要用墨，而是通過電子制圖、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、激光掃描、材料熔化等一系列技術(shù)，使特定金屬粉或者記憶材料熔化，并按照電子模型圖的指示一層層重新疊加起來，最終把電子模型圖變成實(shí)物。由此可見，3D打印技術(shù)是一項(xiàng)集光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、數(shù)控及新材料于一體的先進(jìn)綜合制造技術(shù)。
用3D打印技術(shù)打印出來的手槍
3D打印機(jī)出現(xiàn)在二十世紀(jì)90年代中期，是一種利用光固化和紙層疊加等技術(shù)的快速成型裝置。它與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與計(jì)算機(jī)連接后，通過計(jì)算機(jī)控制把“打印材料”一層一層的疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。如今這一技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工（AEC）、汽車、航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。
世界上首部3D打印汽車Urbee 2
3D打印把每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實(shí)體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可得到產(chǎn)品。
3D打印的耗材由傳統(tǒng)的墨水、紙張轉(zhuǎn)變?yōu)槟z水、粉末，當(dāng)然膠水和粉末都是經(jīng)過特別處理的特殊材料，不僅對固化反應(yīng)速度有要求，對于模型強(qiáng)度以及“打印”分辨率都有直接影響?，F(xiàn)在，3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)600dpi分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。受到打印原理的限制，打印速度不是很快，但可以利用有色膠水實(shí)現(xiàn)彩色打印。
2．3D打印技術(shù)的特點(diǎn)
被認(rèn)為推動(dòng)了第三次工業(yè)革命進(jìn)程的3D打印技術(shù)，涉及信息技術(shù)、材料科學(xué)、精密機(jī)械等多個(gè)方面。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是可直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過增材制造的方法生成各種形狀的產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的減材制造相比，3D打印不僅可以提高材料利用率，還可以用更短的時(shí)間制造出比較復(fù)雜的產(chǎn)品。3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
3D打印技術(shù)的魅力還在于它不需要在工廠操作，而且，人們可以將其放在辦公室、商店等不大的房子里；桌面打印機(jī)可以打印出小物品，但汽車方向盤、甚至飛機(jī)零配件等大件物品，則需要更大的打印機(jī)和更大的放置空間。
納米級微型3D打印機(jī)
與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D打印技術(shù)還擁有如下優(yōu)勢：通過摒棄生產(chǎn)線降低成本，大幅減少材料浪費(fèi)，而且還可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造出的外形，如可以更有效地設(shè)計(jì)出飛機(jī)機(jī)翼或熱交換器；另外，在具有良好設(shè)計(jì)概念和設(shè)計(jì)過程的情況下，3D打印技術(shù)還可以簡化生產(chǎn)制造過程，快速有效又廉價(jià)地生產(chǎn)出單個(gè)物品。
3D打印，由于打印精度較高，打印出的模型品質(zhì)自然不錯(cuò)。除了可以表現(xiàn)出外形曲線上的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)部件也不在話下。如果用來打印機(jī)械裝配圖，齒輪、軸承、拉桿等都可以正?；顒?dòng)，而腔體、溝槽等形態(tài)特征位置準(zhǔn)確，甚至可以滿足裝配要求，打印出的實(shí)體還可通過打磨、鉆孔、電鍍等方式進(jìn)一步加工。同時(shí)粉末材料不限于砂型材料，還有彈性伸縮、高性能復(fù)合、熔模鑄造等其它材料可供選擇。
3D打印技術(shù)還有其他重要的優(yōu)點(diǎn)。大多數(shù)金屬和塑料零件是為了生產(chǎn)而設(shè)計(jì)，這就意味著它們會非常笨重，并且含有與制造有關(guān)但與其功能無關(guān)的剩余物。而3D打印技術(shù)卻不是這樣的，其原材料只為生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品，生產(chǎn)出的零件更加精細(xì)輕盈。當(dāng)材料沒有了生產(chǎn)限制后，產(chǎn)品就能以最優(yōu)化的方式來實(shí)現(xiàn)其功能，因此，與機(jī)器制造出的零件相比，打印出來的產(chǎn)品的重量要輕60%，并且同樣堅(jiān)固可用。
3D打印適用于新品研發(fā)，或是制造難以加工的貴重材料，以及用傳統(tǒng)制造方法浪費(fèi)大、甚至根本做不出來的復(fù)雜形狀，但在大批量生產(chǎn)方面，其尚嫌不足，還須依靠傳統(tǒng)制造。