3D打印基础1:什么是3D打印?

[3D打印基础]系列将系统地介绍3D打印技术的流程、应用、工具、艺术性探索,以及对于社会文化的影响。第一篇“什么是3D打印?”对3D打印的技术和应用进行概括性的介绍。
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脑震荡
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3D打印(3D Printing),又称作Additive Manufacturing (增材制造),是一种用digital file (数字文件) 生成一个三维物体的过程。



在3D打印的过程中,一层层的材料被逐次叠加起来,直到形成最终的物体形态。每一层可以看作这个物体的一个很薄的横截面,而每层的厚度则决定了打印的精度,层的厚度越小,打印的精度越高,打印出来的实体与digital model (数字模型)本身越接近。





3D打印在创建物体形态上有极大的自由度,几乎不受形态复杂度限制,这也是3D打印相比于传统制造方法(主要是Subtractive Manufacturing即减材制造)的一个重要优势。使用传统减材制造方法时,部件的复杂度直接影响流程的复杂度,复杂的形态会使开模难度加大、使用工具更加复杂、成本大幅上涨。然而对于3D打印技术来说,由于其独特的分层成形原理,简单的形态和复杂的形态几乎可以一视同仁。

譬如,外表闭合一体而内部镂空的形态,或者无接缝的链接结构 (interlocking structures),无法通过传统制造工艺获得,只能通过Additive Manufacturing建造。

3D打印的一体化链接结构

这里需要简单介绍一下增材制造 (Additive Manufacturing)减材制造 (Subtractive Manufacturing) 的不同。传统制造业中普遍应用减材制造技术,从一块原材料开始,通过切割(cutting)、钻(drilling)、铣削(milling)等机械工艺方式去除部分材料,从而获得一个三维物体形态,可想而知,这个过程中去除的材料全部变成废料,对材料的利用率低。而增材制造通过极小单位的原材料的叠加产生三维物体形态,虽然后期也可能通过再加工产生废料,但总体来说对材料的浪费是很少的。这就好比用橡皮泥做一个苹果,用Additive(增材)的方式,可以用很多很小块的橡皮泥粘合在一起,组成一个苹果的形态;而用Subtractive(减材)的方式,则是从一大块橡皮泥开始,用工具慢慢剔除不需要的部分,最后剩下一个苹果的形态。当然,我们不能仅仅通过对材料的利用这一点来判断两种制造方式的优劣。由于传统减材技术已经非常成熟,在工艺精细度、自动化和效率上都具有很大优势,量产的成本也能有效控制,因此在多数领域3D打印技术还不具备取代它的优势。但3D打印技术在原型制作以及小批量生产上明显优于传统减材技术,而且基于3D打印技术的发展速度和工艺独特性,3D打印技术必将日趋成熟,在制造业中占据重要的位置。



从3D打印技术刚开始的80年代到现今仅仅三十几年的时间,3D打印技术的应用和研究已经涉及到包括机械工程、航天、交通运输、医疗、建筑、食品、时尚、艺术、教育等等的各个领域,打印维度囊括纳米级到建筑尺寸,而对于3D打印材料的研究也极大的挑战了我们对于传统材料的认知,拓展了3D打印的可能。传统意义的木材、石材等由于其自身的材料特性似乎只能用减材的方式来加工,如今也通过材料上的创新成为能够3D打印的材料。生物材料、导电材料、可食用材料等都大大拓宽了3D打印的应用领域。3D打印技术催生了digital material(数字材料)的概念,即通过数字化控制,聚合不同材料而创造的具有混合材料特性的新材料。在此过程中,源材料的选择,源材料混合比例,可以有n多种可能性,混合后产生的新材料的特性也相应的有n多种可能。从最初只能打印单一材料,到如今能一体打印多种材料,并实现在同一个物体中变化材料特性 (比如从硬质塑料材料过渡到软质橡胶材料,却不打破物体的整体性),可见3D打印技术将对机械、产品设计等领域产生的巨大影响。

3D打印木材(左), 3D打印海盐(右),by Emerging Objects

对于硬件创业者来说,3D打印技术大大降低了制作产品原型(prototype)的成本,使得工程师和设计师快速地进行设计迭代(iteration),甚至小批量地生产成品。而适合于大批量生产的工业用3D打印机也在快速发展,并在一些个别应用上显现出了对比传统减材制造的优势。在3D打印技术不断向着更精确更强悍更有应用针对性的方向发展的同时,另一个相反的趋势也在Maker Movement (创客运动)的影响下蓬勃发展,即更低廉、更傻瓜、更平民的家用桌面3D打印。如今市面上的桌面3D打印机琳琅满目,档次价位也各有不同,有相对专业适合资深爱好者 (maker, hobbyist, tinkerer, DIYer)的Makerbot等,也有不求专业但求好玩的“玩具型”打印机,作为一种集娱乐和教育为一体的工具。从实用的角度来说,我们也许会质疑在家里弄一台3D打印机到底有多大用处;但是这个趋势所传达的信息是十分积极的。随着三维建模 (3d modeling) 以及扫描技术(scanning)的普及、众多开源的三维模型在网络上的分享,拥有自己的一台3D打印机就好比拥有了一个微型的工厂,可以随时打印任何物件。这种模式对于传统制造业的规模性、封闭性和知识产权保护无疑是一种挑战;这种基于开源(open-source),分享,和近乎自给自足的模式,在促进新型的制造业生态系统的同时,对于个人的创造力也是极大的解放,是一种给予个人力量、促进知识和技术的民主化的模式

Makerbot Replicator 第五代桌面3D打印机,售价2000美金

Tiko桌面3D打印机, 售价179美金

未来学者Jeremy Rifkin相信,3D打印技术的兴起标志了第三次工业革命的开始,而上一次工业革命发生在19世纪末期制造业对于生产线(assembly line)的引入。他预测,借用互联网的力量,未来人们将能发送任何产品的设计图到世界的任一角落,用当地配备了基本打印材料的3D打印机打印出任意材料和形态的产品。如果你对于3D打印的印象还停留在Makerbot打印的精度不高看上去又廉价的塑料物件,还觉得3D打印噱头大于实质,那么我们希望通过这一系列关于3D打印的专题文章让你了解3D打印技术近年来的发展和应用,而你会发现,上述的未来离我们并不遥远。
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