什么是三維(3D)打印技術(shù)?
術(shù)語“3D打印”和“添加層制造”指的是用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成一個(gè)完整對(duì)象的過程。 這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在許多行業(yè)中使用，比如：交通、醫(yī)療、軍事和教育。用途包括建立概念模型，功能原型，工廠工具(如模具)，甚至制造成品(如飛機(jī)內(nèi)部組件)。航空航天和醫(yī)療行業(yè)專門開發(fā)了先進(jìn)的3D打印技術(shù)應(yīng)用。3D打印有時(shí)也被稱為“快速成型”，但這個(gè)詞并不包括目前所有使用的技術(shù)。3D打印中使用的材料包括樹脂、塑料，在某些情況下：金屬。
最早的方法：立體光刻 – 在20世紀(jì)80年代末左右已經(jīng)出現(xiàn)，但使用非常有限，原因有兩個(gè)：一、使用的化學(xué)物質(zhì)有毒;二、成型的模型容易破碎。自打那時(shí)開始，其他技術(shù)陸續(xù)出現(xiàn)，包括熔化沉積成型(FDM)技術(shù)。FDM在20世紀(jì)90年代初推出，鋪設(shè)產(chǎn)品級(jí)熱塑性超薄層，生產(chǎn)出相對(duì)耐用的模型。
隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步，系統(tǒng)可靠性和模型質(zhì)量也不斷提高，因此得到了普遍應(yīng)用。與此同時(shí)，價(jià)格也快速降低，以至于小企業(yè)也買得起某些系統(tǒng)。在2011的年度報(bào)告中，沃勒斯聯(lián)盟預(yù)測：到2015年，3D制造系統(tǒng)的全球年銷售量將達(dá)到15000臺(tái)，比 2010年的數(shù)量增加一倍以上。低價(jià)位專業(yè)系統(tǒng)將是這一增長的大部分。
在FDM技術(shù)中，用戶視窗(Windows)網(wǎng)絡(luò)或工作站上的打印機(jī)軟件接受計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)數(shù)據(jù)，用主流的3D文件格式，比如.stl、.wrl、.ply和.sfx文件。有些產(chǎn)品也接受CT和MRI診斷數(shù)據(jù)、蛋白質(zhì)成型數(shù)據(jù)和數(shù)字化3D掃描。該軟件的工作就像紙張打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序，將數(shù)據(jù)發(fā)送到3D打印機(jī)的打印頭，告訴在哪里鋪設(shè)材料。
塑料建模材料的細(xì)絲和可溶的支撐材料被加熱到半液體狀態(tài)，強(qiáng)力擠壓通過尖嘴，用極薄的層精確沉積。(FDM層的厚度范圍從0.127 毫米至0.330毫米，取決于系統(tǒng)。)
打印頭在XY坐標(biāo)協(xié)同移動(dòng)，如同一臺(tái)兩坐標(biāo)的數(shù)控機(jī)床，成型基座沿Z軸向下移動(dòng)，這樣模型在其支撐材料上自下而上成型。
3D打印的模型在與支撐材料(棕色)分離后完成
支撐材料(此頁照片中的棕色部分)在制造模型時(shí)，支撐懸垂的部分，這就可以制造復(fù)雜模型 -- 甚至具有嵌套的結(jié)構(gòu)和含有多部件的裝配 –都能 被3D打印出來。當(dāng)打印作業(yè)完成后，除去支撐材料，模型就制造完成了。如果需要的話，可以用油漆或其他流程完成最終的成品。
有些3D打印機(jī)足夠小，非常精致，可以作為部門，甚至個(gè)人隔間內(nèi)的辦公設(shè)備。比較而言，大型快速的原型系統(tǒng)通常位于公司的中心，由一個(gè)專家團(tuán)隊(duì)管理運(yùn)營。非常便宜的3D打印機(jī)可以作為家用電器設(shè)備，現(xiàn)在已經(jīng)投入市場，可為業(yè)余愛好者嘗鮮。這些機(jī)器非常迷人，不乏愛好者，但有別于專業(yè)的設(shè)備，制成的模型顆粒度較大，尺寸不夠精準(zhǔn)，材料不夠穩(wěn)定，比較缺乏耐久性。
經(jīng)濟(jì)性和易用性確保了市場不斷增長的趨勢，也為眾多的設(shè)計(jì)師和工程師帶來了專業(yè)的3D打印技術(shù)。在數(shù)小時(shí)里把一張CAD圖紙變成一個(gè)真正的三維實(shí)體，這種期望正在改變企業(yè)對(duì)待設(shè)計(jì)過程的觀念。因?yàn)檫@個(gè)過程可以更快，更有效，成本更低。
使用3D打印加快設(shè)計(jì)過程
在設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品停留的時(shí)間越長，進(jìn)入市場的時(shí)間也越晚，這意味著公司丟失了潛在利潤。到市場時(shí)間的考量，被認(rèn)為是2008年產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)者所面臨的最重要的常見問題。據(jù)調(diào)查，原型本身的延遲耽誤了17%的新產(chǎn)品發(fā)布。
隨著將新產(chǎn)品迅速推向市場，會(huì)帶來越來越多的壓力，在概念設(shè)計(jì)階段，公司就需要做出快速而準(zhǔn)確的決定。材料選擇、制造工藝和設(shè)計(jì)水平，這些決定會(huì)成為總體成本的大部分因素。通過加快產(chǎn)品的試制，3D打印技術(shù)可以優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，以獲得最大的潛在收益。
例如，格里克(Graco)公司為特殊廠商制造專用的紋理噴漆設(shè)備。公司的工程師使用3D打印試驗(yàn)各種噴槍與噴嘴的組合，制造出具有完美噴射模式和噴射量的機(jī)器。由此推出的新紋理噴射槍就是基于ABS塑料用3D打印的功能原型。Graco公司的估計(jì)，3D打印技術(shù)幫助公司減少了高達(dá)75%的開發(fā)時(shí)間。
從閃亮的概念到成功的產(chǎn)品，這條道路上充滿著艱辛。格雷格·史蒂文斯和詹姆斯·伯利在他們經(jīng)常被引用的研究分析新產(chǎn)品開發(fā)“3000不成熟的想法= 1商業(yè)成功”的報(bào)告中說，一個(gè)成功的創(chuàng)新，也需要125個(gè)小項(xiàng)目、四個(gè)主要開發(fā)項(xiàng)目和1.7的商業(yè)產(chǎn)品發(fā)布。3D打印可以加快企業(yè)決定一個(gè)概念是否值得開發(fā)的過程。
3D打印與其他方法生成原型節(jié)省時(shí)間的比較
每一個(gè)例子都基于一個(gè)真正的客戶實(shí)踐。
雖然外包3D打印可能會(huì)在質(zhì)量上與內(nèi)部打印的3D模型相同，Graco公司的例子說明了在公司自己機(jī)器上投資的好處。在有限的時(shí)間里，能夠有更快的反復(fù)過程，工程師可以更快地看到設(shè)計(jì)變化所產(chǎn)生的結(jié)果。內(nèi)部3D打印可以消除由于外包服務(wù)而造成的各種推遲原因(如：運(yùn)輸延遲)。現(xiàn)在已有租賃系統(tǒng)服務(wù)，但公司最后會(huì)發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)部打印模型花的錢與外包的成本一樣多。
用3D打印進(jìn)行更有效設(shè)計(jì)
3D打印可以增加新產(chǎn)品成功的機(jī)會(huì)，因?yàn)橛懈娴脑O(shè)計(jì)評(píng)估和迭代過程。
在南非的約翰內(nèi)斯堡有家工業(yè)設(shè)計(jì)公司，設(shè)計(jì)師創(chuàng)新和測試一種新的水池清洗器電機(jī)，在低流量、有過濾器時(shí)工作的很好。高轉(zhuǎn)矩電機(jī)的設(shè)計(jì)是使用辦公室3D打印不斷迭代優(yōu)化的結(jié)果。在功能測試階段，有30個(gè)3D打印原型，在全球各地的水池清洗中工作。其結(jié)果是為公司客戶誕生一種新型水池清洗器。根據(jù)設(shè)計(jì)師的介紹，電機(jī)的創(chuàng)新離不開3D打印的貢獻(xiàn)。
成功的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要對(duì)很多信息進(jìn)行復(fù)審。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部的3D打印機(jī)，可以更早地利用他人提供的反饋對(duì)概念進(jìn)行復(fù)審。與工程實(shí)施、市場營銷和質(zhì)量控制人員的有效合作可以使設(shè)計(jì)人員在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中不斷調(diào)整和測試。
在醫(yī)療系統(tǒng)，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)師用3D打印原型測試想法，降低最終使用部件的數(shù)量。
用迭代優(yōu)化的方法要有更快的周期，這是不延長設(shè)計(jì)過程的唯一方法。在航空航天、汽車、工業(yè)設(shè)計(jì)和教育領(lǐng)域的3D打印用戶，當(dāng)從傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)換成3D打印時(shí)，原型制作的速度提高了43%到96%。傳統(tǒng)的成型方法包括：注塑成型、數(shù)控加工、金屬加工和2D激光切割。在某些情況下，機(jī)加工車間需要的時(shí)間是導(dǎo)致原型制作放緩的重要因素。
3D打印經(jīng)濟(jì)性的趨勢導(dǎo)致了有更多的分散設(shè)備，例如部門或單獨(dú)的小隔間，加快設(shè)計(jì)周期的機(jī)會(huì)成倍增加。
更多原型迭代的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，可使產(chǎn)品失敗的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。由于3D打印可以制造出很好特征細(xì)節(jié)和經(jīng)受嚴(yán)格測試的模型，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)ψ约旱墓ぷ鞲行判?。此外，?shù)據(jù)的完整性和安全性在競爭激烈的環(huán)境中是最重要的。與值得信賴的供應(yīng)商共享機(jī)密的STL文件一般是安全的，而內(nèi)部具有3D打印機(jī)，可以消除泄露知識(shí)產(chǎn)權(quán)的擔(dān)心。
盡早進(jìn)行需要的更改節(jié)省了時(shí)間和金錢。比起其他方法，3D打印模型可以給產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和工程師，在設(shè)計(jì)過程的早期就有了透徹的理解，最大限度地減少風(fēng)險(xiǎn)，避免問題被忽視，而到發(fā)現(xiàn)已經(jīng)為時(shí)已晚。
阿瑟斯特(Acist)醫(yī)療系統(tǒng)公司為心臟科醫(yī)生和放射科醫(yī)生設(shè)計(jì)和制造了對(duì)比注射設(shè)備。該公司在功能測試、固定裝置和最終組件中使用了3D打印件。在復(fù)雜的組件中，工程師在加工零件、電路板和集成電路周圍盡可能地使用3D打印的塑料部件。在顯示單元部分，工程師把部件數(shù)量從15個(gè)減少至7個(gè)，因?yàn)?D打印的能力幫助評(píng)估復(fù)雜的幾何形狀。該公司還在客戶設(shè)置、工作設(shè)計(jì)上的問題并結(jié)合實(shí)際客戶的反饋意見測試3D打印的功能，然后再提交到大規(guī)模工具。
采用3D打印降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本
一個(gè)專業(yè)3D打印系統(tǒng)的購置成本已經(jīng)低至10,000美元，這可能會(huì)使知道3D制作系統(tǒng)價(jià)格的工程師和設(shè)計(jì)師大吃一驚?，F(xiàn)在的年運(yùn)行成本也比較低，部分原因是因?yàn)椴恍枰獙ｉT設(shè)施和特殊專家使用3D打印機(jī)。租賃市場可以排除由于成本限制而不能購買3D打印機(jī)的障礙。其他考慮因素是打印機(jī)的維護(hù)和材料成本，這會(huì)根據(jù)使用條件的不同而異。對(duì)3D打印系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，要考慮設(shè)施的要求、運(yùn)行系統(tǒng)需要的專門知識(shí)、精確性、耐用性、模型的尺寸、可用的材料、速度，當(dāng)然還有成本。
用戶期望的應(yīng)用將幫助用戶選擇最好的系統(tǒng)，但許多用戶報(bào)告發(fā)現(xiàn)購置的3D打印系統(tǒng)與用途不符。例如，購買打印功能原型的系統(tǒng)可能更適合制造工具。
利普特隆(Leptron)是用于執(zhí)法、軍事和民用遙控直升機(jī)的開發(fā)商，工程師們使用3D打印機(jī)來設(shè)計(jì)、測試和制造一種微型偵查無人機(jī)-- RDASS 4。
RDASS 4具有8個(gè)模塊化機(jī)身組件，不同組合后可用于不同用途。復(fù)雜無人機(jī)的設(shè)計(jì)和測試需要承受迫降，采用一種迭代的方法，其中有200個(gè)設(shè)計(jì)變更，包括結(jié)構(gòu)加固和空氣動(dòng)力學(xué)改進(jìn)。內(nèi)部3D打印減少了RDASS 4中60%以上的注塑成型開發(fā)成本。此外， 3D打印的無人機(jī)已在市場有6個(gè)月的良好開端，該項(xiàng)目在商業(yè)上極有前途。
3D打印提供了在大量設(shè)計(jì)迭代中極具成本效益的方式，并在整個(gè)開發(fā)過程中的關(guān)鍵開始階段能獲得及時(shí)反饋。快速改進(jìn)形狀、配合和功能的能力大大減少了生產(chǎn)成本和上市時(shí)間。這為那些把3D打印作為設(shè)計(jì)過程一部分的公司，建立了一個(gè)獨(dú)有的競爭優(yōu)勢。
低成本將繼續(xù)擴(kuò)大3D打印的市場，特別是在中小型企業(yè)和學(xué)校。 這些打印機(jī)的速度、一致性、精確性和低成本將幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場的時(shí)間，保持競爭優(yōu)勢。
（轉(zhuǎn)載）
