所謂的3D打印全稱為快速成型技術或增材制造技術,是一種不需要傳統的刀具、夾具和機床就可以打造出任意形狀,只需根據零件或物體的三維模型數據,通過成型設備以材料累加的方式制成實物模型的技術。
而采用這種技術的成型設備就是3D打印機,它在功能上與普通打印機的激光成型技術一樣,即采用分層加工、疊加成形打印機采用逐層增加材料來生成3D實體,這跟傳統的去除材料加工技術完全不一樣,而我們之所以稱之為“打印機”是因為其技術原理與打印機想同,3D打印機分層加工的過程與噴墨打印十分相似。
下面我們來簡單地介紹3D打印機的工作原理跟流程。3D打印機采用分層加工,疊加成型方式來“造型”,在生產之前打印機會將設計品分為若干薄層,每次用原材料生成一個薄層,通過逐層疊加實現產生3D實體。就像噴墨打印機一樣,只不過3D打印機是一層一層地印,而噴墨打印機是一條直線一條直線地噴。
3D打印機通過對電腦中三維軟件的識別,進行STL(三角網格格式)轉換,配合切層軟件確定擺放方位和切層路徑,并進行切層工作和相關支撐材料的構造。
在3D打印機工作之前,與噴墨打印機一樣,用戶需要先設計出所需打印的三維模型,通過使用3D輔助設計軟件,工程師設計出一個模型或原型之后,再通過相關公司生產的3D打印機進行打印,可以是建筑、器官或者玩具。
意大利著名設計師Marco Giubelli甚至使用一臺被稱為RapMan 3.1的自制3D打印機,打印出一個90米長大壩的模型。打印的原料可以是有機或者無機的的材料,例如橡膠、塑料、甚至是人體器官,不同的打印機使用的材料也不盡相同。
3D打印機在工作時會使用噴頭將固態的線型成型材料加熱成半熔融狀態之后擠出來,和支撐材料自下而上,逐層疊加組成最終實體。而這并不只是一個理論的產品,事實上其在美國已經產業化,目前全球有兩家3D打印機制造巨頭,分別Stratasys和3D Systems,2011年3D打印市場規模已經達到17.1億美元。
3D打印機的出現預示著一場新的工業革命的出現,意味著集中的、大規模的、機器化生產時代的終結,傳統制造業模式將會發生巨大改變,全球的一極生產、一極消費的格局將會消失。因為當3D打印機實現普及后消費者自己即為生產者,這將會導致全球的經濟分工、貿易往來局面將被顛覆,以往的生產基地、物流超大規模運輸方式也將徹底改變。
而消費者在同時充當生產者的局面一旦形成,消費者自己隨時需要什么產品則自己隨時就生產,所以不需要大量的庫存,不需要全球單極化地發展超大規模的產能。這樣以來生產過程中面臨的生產過剩、產能過剩的危機也就不存在。人們只需要購買一臺3D打印機,準備好足夠的原料便可以生產一切生活中所需要的產品。
不過上面的情況不會馬上出現,因為3D打印機還是有其局限性的。首先,像飛機、汽車、房子等固件以及像冰箱、洗衣機等耐用消費品,需要極大的強度,打印機打印出來的東西、膠水類的東西無法達到這些產品對于強度和韌性的要求。還有就是,即使在技術上可以解決這個問題,3D打印機的普及也需要很長的時間。
但是隨著人類技術進步的速度越來越快,從蒸汽機到工業革命大規模興起,不到100年時間。而從網絡連接技術出現,到信息高速公路和信息經濟出現,不到30年時間。3D打印機也許恍惚之間,就成為人們生活的常用品。
目前3D打印技術經過幾年的發展,已經初具規模,預計2012年全球市場規模就將超過20億美元。如果未來數年3D打印技術年年爆發式增長,那么上文提到的經濟模式改變就必將成為事實,市場潛力十分龐大。
3D打印技術在歐美已有幾十年的歷史,中國在2002年也已經引入了3D打印的概念,經過幾年的推廣與宣傳,目前在香港、廣東已有了一定的認知度,并且已經開始應用在玩具制造、醫療器械、工業設計、電子產品制造等行業。中國第一家3D打印服務公司位于杭州,該公司目前擁有兩臺3D打印機以及一臺專門用于烘干的設備。
從外觀上看,這兩臺機器和普通的復印機并無大的不同,唯一的不同是它們打印時不用紙而是粉末。而在歐美國家3D打印機的應用則更為廣泛,在醫療、設計、娛樂甚至食物生產中都3D打印機的身影。
隱適美牙箍的制造商Align Technology公司,通過處理已掃描的牙齒數據,使用3D打印機打印牙齒矯正工具,全球營業額接近5億美元。公司借助3D打印機打印出一系列稍微不同的透明牙箍——解決了以往微笑時露出金屬牙箍的問題。
Objet公司是一家世界知名的3D打印機生產廠商,旗下的Objet 260 Connex 3D打印機是其最新的產品,這款Objet 260 Connex帶有一個260×260×200毫米(10.2×10.2×7.9英寸)托盤,并使用易插易卸的密封材料盒。模型在制作過程中進行固化,在打印之后即可直接處理。
該系統以16微米厚的涂層進行打印,從而可以制作出具有無與倫比的分辨率細節和專業精度的模型。制造商和工業設計人員利用3D打印系統可以大大降低產品開發成本,并大幅縮短新產品的上市時間。
3D打印機的出現不僅僅讓打印、復制產品有了新的方式,更在于簡化產品制造流程,并能通過遠程進行產品制造。相信不久的將來3D打印機將真的推動第三次工業革命。