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拆解3D打印的工作原理 看其经典之作

未知 2019-05-24 11:47

  3D打印机,即快速成型技术的一种机器,它是一种数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

  在3D打印时,软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D打印机上,后者会将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的墨水是实实在在的原材料。

  如果你喜欢的茶杯、项链,甚至是某某人或者你自己,能打印而不是克隆,该有多好!然而,这种曾经的离奇想法现在几乎可以实现了,那么,你还在遗憾什么,如果你喜欢它或者是他(她),好吧,我们不妨照着打印一个。很多人觉得,3D打印机很尖端、很发达,是最近才出现的高科技产品。专业达人夏青为大家拆解神秘的3D打印机。

拆解3D打印的工作原理 看其经典之作

  原理:妈妈织毛衣

  3D打印机的技术30年前就由美国人开发出来,近年来开源硬件的出现降低了成本,也是3D打印技术最近火起来的原因。

  3D打印机的原理很简单,如果大家小时候玩过沙的话,那它就是一个玩沙的过程,只不过是让机器来玩,而不是让人来玩。夏青说,我们的妈妈在织毛衣时,就在用3D打印机的原理了,只不过她们用的材料是毛线而已。

  3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样,都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的,打印原理是一样的。3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型,然后再进行打印输出。

  3D打印时采用的堆叠薄层的形式有多种多样。常用的3D 打印机采用的是熔融沉积快速成型(Fused Deposition Modeling,FDM)。熔融沉积又叫熔丝沉积,它是将丝状热熔性材料加热融化,通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴喷出,沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上,温度低于固化温度后开始固化,通过材料的层层堆积形成最终成品。

  在3D打印技术中,FDM的机械结构最简单,设计也最容易,制造成本、维护成本和材料成本也最低,因此也是在家用的桌面级3D 打印机中使用得最多的技术。

  目前,工业上的3D打印机基本都被国外垄断。3D打印机其实最早用在航空航天业中,因为很多结构件只生产一个,又涉及到很多复杂的结构,一般的机器做不出来。我国航空航天业很领先,所以这方面的3D打印技术也很领先,已经应用于战斗机制造。

  工作步骤

  先通过计算机建模软件建模,如果你有现成的模型也可以,比如动物模型、人物或者微缩建筑等等。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。然后通过SD卡把它拷贝到3D 打印机中,或者直接用USB线连接电脑和3D打印机,进行打印设置后,打印机就可以把它们打印出来。

  打印过程

  打印机通过读取文件中的横截面信息,用热熔材料融化后将这些截面逐层地打印出来,从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

拆解3D打印的工作原理 看其经典之作

  打印机打出的截面的厚度(即Z轴方向)以及平面方向即X 轴-Y轴方向的分辨率是以dpi (像素每英寸)或者微米来计算的。一般的厚度为100微米,即0.1毫米,也有部分打印机可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的墨水滴的直径通常为50到100个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天,根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时,当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品,而三维打印技术则可以以更快、更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

  能打印我们自己吗?

  上海九院做了一些前沿性研究,他们打印出耳朵和腿骨。相信未来基因和干细胞研究能帮我们

  打印自己的器官,解决排异的问题。这个可以实现,但可能需要的时间会比较漫长。

  进入家用还有多远?

  如果你愿意花一点钱,为你打一些有趣的小玩具小工具,相信是非常快的。比如,GoPro一个胸前穿戴固件,买一个要1000多元,但

  如果自己画出来、打印出来,材料成本为每公斤135元,这个做出来大约是20~30克,然后再加上打印机的价格。

  3D打印经典作品

  狂热的创客可以用它来做自己想做的东西,茶杯、牙刷架,在国外,一些能够负担起3D打印机的组织,已经开始使用3D打印机创造形色各异的产品,其中一些不免令人大跌眼镜,也更令人期待3D打印机的普及。

  1.龙爪手镯

  这款超酷的龙爪手镯由Shapeways公司设计推出,使用3D打印机完成,你可以订购黄金、银、青铜、黄铜以及不锈钢等多种材质。

龙爪手镯

  2.胎儿模型

  如果你是一名准妈妈,一定会保留宝宝的超声波照片,但是这已经落伍了。日本一家名为Fasotec的公司,推出了一项胎儿模型3D打印服务,可以根据妈妈腹中胎儿的超声波照片,打印独一无二的婴儿模型,并将其镶嵌在水晶中。

胎儿模型

  3.糖蛋糕

  打印食物可能是每个吃货的终极梦想了,目前已经可以实现了。这种3D打印的糖蛋糕,看上去就像艺术品一样精美,你还舍得吃它吗?

糖蛋糕

  4.单反相机

  显然,3D打印技术十分适合打印艺术品或是玩具,比如这款Open3D打印相机项目,就是通过ABS塑料打印出真正可以拍出照片的单反相机,需要使用15小时打印出零件、1小时完成组装,通过自定义镜头环,可以兼容多种标准的单反镜头。稍微透露一下,它所拍摄的照片十分有味道。

单反相机

  5.哥特式建筑仿制品

  一些艺术家为了更好地研究历史文化,通过3D打印机将计算机渲染的哥特式艺术品草图,打印出实体,成为世界上第一个3D打印的房间,工程十分浩大。但是相比传统的手工仿制,仍然节省了大量时间和金钱。

哥特式建筑仿制品

  6.订婚戒指

  是的,除了戒指上的钻石不能打印之外,你完全可以自行在计算机上设计戒指的形状,打印出专属的订婚戒指。拿着这样的戒指求婚,相信没有一个女孩会说不。

订婚戒指

  7.公园长椅

  在美国加利福尼亚州的奥克兰市,一家新兴的艺术工作室致力于使用3D打印技术,创造个性化的公共设施,如公园长椅,这种复杂的机构对于3D打印机来说,似乎并不算困难。

公园长椅

  8.Urbee汽车

  Urbee汽车是一种具有双座椅的三轮汽车,通过CAD软件制图,再使用3D打印机打印出零件组装而成。它的外壳材质由ABS塑料组成,基本上家里的白炽灯灯泡就可以作为原料。麻雀虽小五脏俱全,这是一台油电混合汽车,可以真正驾驶。

Urbee汽车

  9.干细胞

  此前,已经有3D打印气管拯救儿童生命的先例,显然,3D打印机技术还能够应用在医学领域。目前,苏格兰爱丁堡大学的科学家已经组建了一个研究小组,使用3D打印机打印出干细胞,在未来极有可能应用在人体上。或许很快,人们便不需要再苦苦等待器官移植,使用3D打印就可以完成了。

干细胞

  10.恐龙机器人

  《侏罗纪公园》有可能成为现实?是的,费城德雷塞尔大学的研究小组已经成功打印出恐龙骨骼副本,并尝试将其组装,模拟真实运动的状况。假以时日,逼真的恐龙机器人就会诞生了。

恐龙机器人

  11.义肢

  前面我们已经探讨了3D打印器官的可能性,更简单的义肢打印其实已经可以实现,包括面部、四肢,都能够通过精确扫描,然后使用3D打印生成。相比此前的产品,这些3D打印义肢更符合用户的生物特征,看起来惟妙惟肖。

义肢

  12.遥控滑翔机

  显然,打印一个遥控滑翔机模型,对于3D打印机来说再简单不过了。优势在于机身更轻便、可操作性更好。

遥控滑翔机

  13.木吉他

  国外一家公司已经推出了基于3D打印的木吉他定制服务,你可以亲自设计所有的细节,不论多么复杂,3D打印机均能一一实现。

木吉他

  14.家具

  很快,你就不会再需要宜家那种毫无个性的量贩版家具,使用3D打印机,可以设计诸多个性化的家具,包括上面这台复杂的水母台灯。

木吉他

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