D打印技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

會(huì)計(jì)學(xué)1D打印技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展第1頁/共45頁第2頁/共45頁第3頁/共45頁第4頁/共45頁第5頁/共45頁第6頁/共45頁第7頁/共45頁第8頁/共45頁什么是3D打?。浚ㄔ恚?/p>

3D打印是增材技術(shù)的俗稱。都是采取原料加層方法形成3D物體，每次打印一層材料只有0.1mm-0.2mm厚，與2維打印機(jī)相比，3D打印機(jī)多了一維，將原料逐層堆積而成，如熔融塑料成型法，噴嘴噴出熔融的塑料絲，承物平臺(tái)作3維運(yùn)動(dòng)，即可堆積出3D實(shí)物（等于一層層粘上去）。相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除（如切削等）技術(shù)，增材技術(shù)是一種自下而上材料累加的制造工藝。從更廣義的原理來看，以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將材料（包括液體、粉材、線材或材塊等）自動(dòng)地累加起來成為現(xiàn)實(shí)體結(jié)構(gòu)的制造方法，都可視為增材技術(shù)。第9頁/共45頁

增材技術(shù)的工作原理可分為兩個(gè)過程：其一是數(shù)據(jù)處理過程，完成將三維數(shù)據(jù)分解為二維數(shù)據(jù)的過程；其二是制作過程，依據(jù)分層的二維數(shù)據(jù)，采用所選定的制作方法制作有與數(shù)據(jù)分層厚度相同的薄片，每層薄片按序疊加起來，就構(gòu)成了三維實(shí)體，實(shí)現(xiàn)了從二維薄層到三維實(shí)體的制造過程。這一過程是將三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)降為二維結(jié)構(gòu)，二維結(jié)構(gòu)制作都可以實(shí)現(xiàn)，然后再由二維結(jié)構(gòu)累加為三維結(jié)構(gòu)。這一制造思想相對(duì)于傳統(tǒng)的制造模式是一種變革，然而這一思想很早就有，只是在近三十年數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展下成熟，進(jìn)而物化為一個(gè)自動(dòng)化裝備。第10頁/共45頁3D打印的起源

增材技術(shù)的核心思想是最早起源于美國(guó)。早在1892年，美國(guó)一項(xiàng)專利提出利用分層制造法構(gòu)成立體地形圖。據(jù)報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家發(fā)明了一種可打印出三維效果的打印機(jī)，并已將其成功推向市場(chǎng)。早在1992年，美國(guó)的3D打印機(jī)制造商就賣出了第一臺(tái)商用3D打印機(jī)。第11頁/共45頁優(yōu)點(diǎn)1.時(shí)間及原材料成本優(yōu)勢(shì)

3D打印已經(jīng)成為一種潮流，并開始廣泛應(yīng)用在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其是工業(yè)設(shè)計(jì)，數(shù)碼產(chǎn)品開模等，可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成一個(gè)模具的打印，節(jié)約了很多產(chǎn)品到市場(chǎng)的開發(fā)時(shí)間。這種打印機(jī)比常規(guī)建筑方法要快四倍，而且所使用的原料也只有原來的三分之一到二分之一，更重要的是幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何廢棄物。第12頁/共45頁

2.類型多樣

3D打印機(jī)可以用各種原料打印三維模型，使用3D輔助設(shè)計(jì)軟件，工程師設(shè)計(jì)出一個(gè)模型或原型之后，通過相關(guān)公司生產(chǎn)的3D打印機(jī)進(jìn)行打印，打印的原料可以是有機(jī)或者無機(jī)的的材料，例如橡膠、塑料、甚至是人體器官，不同的打印機(jī)廠商所提供的打印材質(zhì)不同。3D打印機(jī)的應(yīng)用對(duì)象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。第13頁/共45頁3.連接的強(qiáng)功能作用在飛機(jī)、核電和火電等行業(yè)所使用的重型機(jī)械、高端精密機(jī)械裝備上，傳統(tǒng)的焊接和零部件加固的方法使得部件之間的連接并不牢固，但是使用3D打印技術(shù)，出來的產(chǎn)品是自然無縫連接，結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。這在飛機(jī)、核電等高端裝備制造行業(yè)的應(yīng)用上非常廣泛。在2011年8月，英國(guó)南安普敦大學(xué)的工程師設(shè)計(jì)并試飛了世界上第一架“打印”出來的飛機(jī)。這架飛機(jī)的外殼是由一款專門打印尼龍材質(zhì)的3D激光打印機(jī)一層層地疊印而成的，相當(dāng)輕便。鑒于其飛行時(shí)速達(dá)100公里，其質(zhì)地緊密程度確實(shí)超乎人們的想象。第14頁/共45頁缺點(diǎn)1、材料的限制

仔細(xì)觀察你周圍的一些物品和設(shè)備，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)3D打印的第一個(gè)絆腳石，那就是所需材料的限制。雖然高端工業(yè)印刷可以實(shí)現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但目前無法實(shí)現(xiàn)打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，現(xiàn)在的打印機(jī)也還沒有達(dá)到成熟的水平，無法支持我們?cè)谌粘Ｉ钪兴佑|到的各種各樣的材料。

研究者們?cè)诙嗖牧洗蛴∩弦呀?jīng)取得了一定的進(jìn)展，但除非這些進(jìn)展達(dá)到成熟并有效，否則材料依然會(huì)是3D打印的一大障礙。第15頁/共45頁2、機(jī)器的限制

眾所周知，3D打印要成為主流技術(shù)(作為一種消耗大的技術(shù))，它對(duì)機(jī)器的要求也是不低的，其復(fù)雜性也可想而知。

目前的3D打印技術(shù)在重建物體的幾何形狀和機(jī)能上已經(jīng)獲得了一定的水平，幾乎任何靜態(tài)的形狀都可以被打印出來，但是那些運(yùn)動(dòng)的物體和它們的清晰度就難以實(shí)現(xiàn)了。這個(gè)困難對(duì)于制造商來說也許是可以解決的，但是3D打印技術(shù)想要進(jìn)入普通家庭，每個(gè)人都能隨意打印想要的東西，那么機(jī)器的限制就必須得到解決才行。

第16頁/共45頁3、知識(shí)產(chǎn)權(quán)的憂慮

在過去的幾十年里，音樂、電影和電視產(chǎn)業(yè)中對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)注變得越來越多。3D打印技術(shù)毫無疑問也會(huì)涉及到這一問題，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中的很多東西都會(huì)得到更加廣泛的傳播。人們可以隨意復(fù)制任何東西，并且數(shù)量不限。如何制定3D打印的法律法規(guī)用來保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，也是我們面臨的問題之一，否則就會(huì)出現(xiàn)泛濫的現(xiàn)象。第17頁/共45頁4、道德的挑戰(zhàn)

道德是底線。什么樣的東西會(huì)違反道德規(guī)律，我們是很難界定的，如果有人打印出生物器官或者活體組織，是否有違道德?我們又改如何處理呢?如果無法盡快找到解決方法，相信我們?cè)诓痪玫膶頃?huì)遇到極大的道德挑戰(zhàn)。

第18頁/共45頁5、花費(fèi)的承擔(dān)

3D打印技術(shù)需要承擔(dān)的花費(fèi)是高昂的，對(duì)于普通大眾來說更是如此。例如上面提到第一臺(tái)在京東上架的3D打印機(jī)的售價(jià)為1萬5，又有多少人愿意花費(fèi)這個(gè)價(jià)錢來嘗試這種新技術(shù)呢?也許只有愛好者們吧。如果想要普及到大眾，降價(jià)是必須的，但又會(huì)與成本形成沖突。如何解決這個(gè)問題，制造商們估計(jì)要頭疼了。

每一種新技術(shù)誕生初期都會(huì)面臨著這些類似的障礙，但相信找到合理的解決方案3D打印技術(shù)的發(fā)展將會(huì)更加迅速，就如同任何渲染軟件一樣，不斷地更新才能達(dá)到最終的完善。第19頁/共45頁3D打印機(jī)的現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域正逐步拓展，市場(chǎng)空間廣闊。過去幾年里，快速制造技術(shù)通過與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段結(jié)合，已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的強(qiáng)有力手段，在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)改善制造業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造水平起到了巨大作用，在工程和教學(xué)研究等應(yīng)用領(lǐng)域也占有了獨(dú)特地位。通常應(yīng)用在產(chǎn)品試制和試驗(yàn)階段，比如功能檢測(cè)和裝配檢測(cè)等環(huán)節(jié)應(yīng)用較多。此外，在個(gè)人消費(fèi)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)讓消費(fèi)者在家里就能直接制作出想要的衣服、首飾、裝飾品、玩具、樂器、自行車甚至食品。第20頁/共45頁

3D打印技術(shù)也逐步改變所有人的生活。和任何其他技術(shù)類似，3D打印機(jī)迅速地變得越來越便宜，功能卻越來越強(qiáng)大。三維打印技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)處在了人人都用得起的臨界點(diǎn)。在美國(guó)，5年前一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的3D打印機(jī)的價(jià)格是25000-50000美元，而近期3DSystems和Autodesk推出了1500美元左右的個(gè)人用產(chǎn)品，最簡(jiǎn)單的3D打印機(jī)的價(jià)格甚至已經(jīng)達(dá)到了800美元。第21頁/共45頁全球3D打印的市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域分類第22頁/共45頁1.工藝美術(shù)品

通過3D打印技術(shù)，按你虛擬模型制作出復(fù)制品：形狀、紋理、顏色，與使用者的設(shè)計(jì)完全一致。罐子采用砂石紋理，具有接近粘土質(zhì)感的效果，用增材制造技術(shù)可以獲得各種的陶瓷藝術(shù)品。第23頁/共45頁

左圖為一件采用增材技術(shù)得到的樹脂基的工藝品，題名為頗有詩(shī)意的“夜光小宇宙”。仔細(xì)看，它的確是一萬年前宇宙開始出現(xiàn)時(shí)的一片混沌的樣子，或者已經(jīng)出現(xiàn)了點(diǎn)綴在深邃夜空中的閃爍星星。它不僅給人以思索：“與巨大永恒的宇宙相比，我們?nèi)祟愶@得多么渺小呀！我們不應(yīng)當(dāng)碌碌無為、茍且地生活，而應(yīng)當(dāng)胸襟開闊、坦坦蕩蕩地生活?！闭?qǐng)注意：這里的星星半點(diǎn)可不是隨意而為，而是有數(shù)據(jù)支持的，也就是有科學(xué)依據(jù)的。第24頁/共45頁

公元6世紀(jì)的北齊石獅子具有活潑的外貌，動(dòng)感十足，有流露出調(diào)皮的神色。無奈它們沐風(fēng)櫛雨，早已剝奪風(fēng)化，殘缺不堪。中國(guó)藝術(shù)家利用3D掃描技術(shù)從石獅子身上獲得數(shù)字信息，利用3D處理軟件，對(duì)它們進(jìn)行了數(shù)字修復(fù)（這也有極大的再創(chuàng)造成分，因?yàn)樾枰a(bǔ)充的那些部分，必須依靠修復(fù)者的藝術(shù)修養(yǎng)與精細(xì)構(gòu)思），得到了完整石獅子的數(shù)字模型，通過使用增材制造設(shè)備，獲得石獅子的原型件，據(jù)此復(fù)原了北齊的石獅子（如右圖）。在考古界，對(duì)于增材制造技術(shù)寄予厚望。例如，我國(guó)在近代考古史上，發(fā)現(xiàn)了不少女性未腐尸體和較為完整的顱骨，有的甚至栩栩如生，令世人驚嘆世事的無常。這些女人活著時(shí)到底長(zhǎng)什么樣子呢？基于增材制造技術(shù)的現(xiàn)代人像復(fù)原技術(shù)讓她們復(fù)活了。人們發(fā)現(xiàn)，她們之中有的甚至具有現(xiàn)代影視女星的氣質(zhì)。第25頁/共45頁2.建筑模型瑞典創(chuàng)新工作室使用美國(guó)公司的3D打印技術(shù)，創(chuàng)建了這個(gè)令人震驚的具有高度細(xì)節(jié)的3D建筑模型，這將幫助球場(chǎng)增加到30,000個(gè)座位，該體育館將于2013年完工。在3D數(shù)字場(chǎng)館模型中，虛擬實(shí)現(xiàn)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，將會(huì)在實(shí)物模型中完美表現(xiàn)，非常了不起的是擁有7400個(gè)高細(xì)節(jié)度的座位，每個(gè)有4毫米寬?？偨Y(jié)：使用增材技術(shù)可以重塑建筑業(yè)。第26頁/共45頁

這個(gè)巨大的3D房子打印機(jī)將從房子地基開始，地板、墻、天花板、管道甚至更高級(jí)的東西，比如電線，剛開始以為，它只能打印塊狀建筑物，但顯然這個(gè)3D打印機(jī)會(huì)執(zhí)行更多的功能，你只要把門和窗戶的CAD圖樣畫清楚，保證打印完后有洞可以供你進(jìn)去，其他的則留給巨大的3D打印機(jī)就行！

3D打印機(jī)的可貴之處在于它可以聽從電腦程序打印完一層自動(dòng)爬上另一層，非常有次序，甚至比人工的更加準(zhǔn)確，一磚一瓦都不會(huì)遺漏，所以這保證了它的穩(wěn)定性；而且會(huì)依據(jù)強(qiáng)大的幾何計(jì)算、采用堅(jiān)固的材料，來保證幾年到更多的時(shí)間內(nèi)，房子不會(huì)有質(zhì)量問題。第27頁/共45頁3.首飾業(yè)

右圖為采用增材技術(shù)獲得的3D打印鈦金屬或其他貴金屬昆蟲工藝品，可以用作精美的佩飾。采用3D打印技術(shù)，首先需要以活潑可愛、千姿百態(tài)的昆蟲為依據(jù)，構(gòu)思并設(shè)計(jì)出各種動(dòng)感十足的模型，它們必須包含某種夸張的成分在內(nèi)。然后獲得其數(shù)字模型，選擇所需的金屬材質(zhì)，驅(qū)動(dòng)3D打印機(jī)，得到蝴蝶、蜂鳥、甲殼蟲、螳螂等佩飾或首飾。如果在精度上能夠滿足顧客的要求，就無需后處理而直接快速安裝在顧客的胸針或項(xiàng)鏈上，或者安裝在戒指環(huán)上。第28頁/共45頁4.服裝業(yè)

這件美麗和創(chuàng)新的連衣裙，由、兩位設(shè)計(jì)師利用3D打印技術(shù)制作的獨(dú)特禮服，上面鑲嵌著超過12000顆施華洛世奇水晶。第29頁/共45頁

這款名叫Strvct的高跟鞋由美國(guó)時(shí)尚工作室ContinuumFashion設(shè)計(jì)，是一款網(wǎng)格狀充滿未來感的鞋子(像不像鳥巢)。整個(gè)鞋面和鞋跟都用尼龍材料打印生成，內(nèi)襯一個(gè)鞋墊就OK了。第30頁/共45頁5.自行車造型個(gè)性化設(shè)計(jì)與快速設(shè)計(jì)

借助突破性的新技術(shù)，科學(xué)家“打印”出一輛可以供真人騎乘的自行車。這種自行車名為“Airbike”，采用尼龍材料制作，其堅(jiān)固程度堪比鋼鋁材料，但重量卻比之輕65%。這種方式使用的原材料只有傳統(tǒng)制造方式的1/10，大大減少浪費(fèi)。

Airbike可按照消費(fèi)者的要求打印，無需調(diào)整，此外這款自行車也無需進(jìn)行維修或者裝配。第31頁/共45頁6.概念車的制作概念車是什么？

概念車并不是已投產(chǎn)或?qū)⑼懂a(chǎn)的車型，它僅僅是向人們展示設(shè)計(jì)人員新穎、獨(dú)特、超前的構(gòu)思而已，每一輛概念車都可以更多地?cái)[脫生產(chǎn)制造水平方面的束縛，盡情的甚至夸張的展示自己的獨(dú)特魅力。

見上圖，來自德國(guó)設(shè)計(jì)師歐米茄的阿爾法獲得第一名。這款概念車非常酷，設(shè)定的技術(shù)背景也相當(dāng)科幻，甚至有些夢(mèng)幻。歐米茄假定2040年人類已經(jīng)掌握了冷聚變技術(shù)，人們只需小小的一些原子就能獲得巨大能量，換言之就是人類掌握了無窮無盡的能源——這車設(shè)計(jì)了3個(gè)磁質(zhì)等離子流推進(jìn)器，顯然地球已經(jīng)容納不了這輛車了，絕對(duì)天頂星技術(shù)。雖然長(zhǎng)的有些像電吹風(fēng)，但這車真的挺酷。第32頁/共45頁3D打印真槍實(shí)彈殺手可能就在你身邊

美國(guó)分布式防御公司的創(chuàng)始人科迪·威爾森經(jīng)過一年多時(shí)間的研發(fā)，利用一臺(tái)價(jià)值8000美元的3D打印機(jī)成功制造一支塑料手槍。英國(guó)兩名臥底記者將一支他們根據(jù)設(shè)計(jì)圖自行制作的3D塑料手槍藏在衣服中，竟順利通過了倫敦圣潘克拉斯國(guó)際火車站的安檢，將其帶上了開往法國(guó)巴黎的“歐洲之星”列車！曝光后，立即引發(fā)一片嘩然。如果3D槍支制造變得更加普及，那么多年以來加強(qiáng)槍支管控的努力將會(huì)落空。禁止法案或許一定程度上可以阻止人們制造武器，但是數(shù)字打印文件的網(wǎng)絡(luò)共享將很難控制。第33頁/共45頁3D打印的未來

到今天，3D打印機(jī)已經(jīng)能夠打印出很多東西，對(duì)醫(yī)療、文化、建筑、食品、汽車等行業(yè)也產(chǎn)生了非常大的影響，它的應(yīng)用范圍之廣可能是我們無法想象的。理論上來說，只要是能夠在計(jì)算機(jī)上繪制成型的產(chǎn)品都可以通過3D打印機(jī)將之付諸現(xiàn)實(shí)。下面我們就通過3D打印在各行業(yè)帶給我們那些美妙絕倫的產(chǎn)品，來暢想一下3D打印所創(chuàng)造的未來吧。第34頁/共45頁

對(duì)于那些需要器官移植的患者來說，3D打印技術(shù)無疑是他們的福音。一方面我們無需擔(dān)心不同機(jī)體器官之間的排異反應(yīng)，另一方面相較于人體器官，3D打印成本非常之低，例如打印一個(gè)人體心臟瓣膜，只需要價(jià)值10美元的高分子材料即可。英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)成功研制了一種基于胚胎干細(xì)胞能夠定制化打印制造人體器官組織的新技術(shù)。如果這項(xiàng)技術(shù)可以普及開來的話，許多重癥患者就能夠很容易的獲得可供移植的肝臟、心臟、人體組織等其他人造器官。之前科學(xué)家已經(jīng)用相同的方法制造除了骨骼和皮膚，不過目前他們希望能夠培育更復(fù)雜的胚胎細(xì)胞架構(gòu)，從而打造出精密的“人體器官”?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，通過改變3D打印機(jī)噴嘴直徑可精確控制細(xì)胞分發(fā)的速度，新打印形成的胚胎細(xì)胞具有能夠轉(zhuǎn)變成為任何類型細(xì)胞的能力。如果這項(xiàng)技術(shù)最終成行的話，不僅解決了器官捐量上的難題，同時(shí)可以避免器官移植排斥性等難題帶來質(zhì)上的提高。或許未來有一天，我們可以說，“想換顆年輕的心臟嗎？我們打印一顆！”一、醫(yī)療行業(yè)第35頁/共45頁第36頁/共45頁二、文物保護(hù)3D打印出的復(fù)制品可以作為博物館里文物的替代品予以展出，避免真品遭受到意外的傷害。來自南卡羅來納州的非裔美國(guó)人通過3D打印技術(shù)創(chuàng)作了一件19世紀(jì)的人面壺。這是一種描繪人臉的陶壺，原始制作材料為高嶺土，由19世紀(jì)下半葉尚處在奴役階段的非裔美國(guó)人創(chuàng)造。制作過程也與常見的3D打印無異，通過3D掃描儀掃描人面壺之后形成3D模型，然后在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)整。模型構(gòu)建好之后就可以交給3D打印機(jī)進(jìn)行打印了，打印陶器使用的是激光粉末燒結(jié)技術(shù)。打印完之后的人面壺表面細(xì)節(jié)上完全吻合，除了沒有采用相同的釉彩，取而代之的是電鍍一層帶有銀色光澤的鎳，頗具現(xiàn)代元素。第37頁/共45頁第38頁/共45頁三、建筑行業(yè)

在建筑行業(yè)中，已經(jīng)有不少設(shè)計(jì)師、工程師涉及3D打印行業(yè)，通過3D打印機(jī)打印的建筑模型更為快速，成本也更為低廉，而且更接近于設(shè)計(jì)師的原始構(gòu)思，提供了工作效率，節(jié)省了大量的建筑原材料。3D打印月球建筑

在月球上建造一座“月球基地”，在很多科幻小說以及電影中都成出現(xiàn)過。隨著科技的發(fā)展，構(gòu)建類似于太空站的月球基地在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，不過由于地球與月球之間的距離過于遙遠(yuǎn)，運(yùn)輸建筑材料