3D打印原理技術

日常生活中使用的普通打印機可以打印電腦設計的平面物品，而所謂的3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料，打印機與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。通俗地說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設備，比如打印一個機器人、打印玩具車，打印各種模型，甚至是食物等等。之所以通俗地稱其為“打印機”是參照了普通打印機的技術原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。這項打印技術稱為3D立體打印技術。

3D打印存在著許多不同的技術。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構建創(chuàng)建部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、聚乳酸、ABS樹脂、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。

三維打印的設計過程是：先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。

設計軟件和打印機之間協(xié)作的標準文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一種通過掃描產(chǎn)生的三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經(jīng)常被用作全彩打印的輸入文件。

打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機如ObjetConnex 系列還有三維 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。 用傳統(tǒng)方法制造出一個模型通常需要數(shù)小時到數(shù)天，根據(jù)模型的尺寸以及復雜程度而定。而用三維打印的技術則可以將時間縮短為數(shù)個小時，當然其是由打印機的性能以及模型的尺寸和復雜程度而定的。

傳統(tǒng)的制造技術如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對較少的產(chǎn)品。一個桌面尺寸的三維打印機就可以滿足設計者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。

三維打印機的分辨率對大多數(shù)應用來說已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當前的三維打印機打出稍大一點的物體，再稍微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技術可以同時使用多種材料進行打印。有些技術在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

材料的限制

雖然高端工業(yè)印刷可以實現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印， 但無 法實現(xiàn)打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，打印機也還沒有達到成熟的水平，無法支持日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。

研究者們在多材料打印上已經(jīng)取得了一定的進展，但除非這些進展達到成熟并有效，否則材料依然會是3D打印的一大障礙。

機器的限制

3D打印技術在重建物體的幾何形狀和機能上已經(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，但是那些運動的物體和它們的清晰度就難 以實現(xiàn)了。這個困難對于制造商來說也許是可以解決的，但是3D打印技術想要進入普通家庭，每個人都能隨意打印想要的東西，那么機器的限制就必須得到解決才行。

知識產(chǎn)權的憂慮

在過去的幾十年里，音樂、電影和電視產(chǎn)業(yè)中對知識產(chǎn)權的關注變得越來越多。3D打印技術也會涉及到這一問題，因為現(xiàn)實中的很多東西都會得到更 加廣泛的傳播。人們可以隨意復制任何東西，并且數(shù)量不限。如何制定3D打印的法律法規(guī)用來保護知識產(chǎn)權，也是我們面臨的問題之一，否則就會出現(xiàn)泛濫的現(xiàn)象。

道德的挑戰(zhàn)

道德是底線。什么樣的東西會違反道德規(guī)律是很難界定的，如果有人打印出生物器官和活體組織，在不久的將來會遇到極大的道德挑戰(zhàn)。

花費的承擔

3D打印技術需要承擔的花費是高昂的。第一臺3D打印機的售價為1萬5。如果想要普及到大眾，降價是必須的，但又會與成本形成沖突。

每一種新技術誕生初期都會面臨著這些類似的障礙，但相信找到合理的解決方案3D打印技術的發(fā)展將會更加迅速，就如同任何渲染軟件一樣，不斷地更新才能達到最終的完善。

3D打印技術是無法應用于大量生產(chǎn)，所以有些專家鼓吹3D打印是第三次工業(yè)革命，這個說法只是個噱頭。富士康為蘋果代工生產(chǎn)iPhone已經(jīng)多年。郭臺銘以3D打印制造的手機為例，說明3D打印的產(chǎn)品只能看不能用，因為這些產(chǎn)品上不能加上電子元器件，無法為電子產(chǎn)品量產(chǎn)。3D打印即使不生產(chǎn)電子產(chǎn)品，但受材料的限制，可以生產(chǎn)的其他產(chǎn)品也很少，“即使生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，也無法量產(chǎn)，而且一摔就碎。

“3D打印的確更適合一些小規(guī)模制造，尤其是高端的定制化產(chǎn)品，比如汽車零部件制造。雖然主要材料還是塑料，但未來金屬材料肯定會被運用到3D打印中來，”克倫普說，3D打印技術先后進入了牙醫(yī)、珠寶、醫(yī)療行業(yè)，未來可應用的范圍會越來越廣。2014年11月末，3D打印技術被《時代》周刊為2014年25項年度最佳發(fā)明。對消費者和企業(yè)而言，這是個福音。僅在過去一年中，中學生們3D打印了用于物理課實驗的火車車廂，科學家們3D打印了人類器官組織，通用電氣公司則使用3D打印技術改進了其噴氣引擎的效率。美國三維系統(tǒng)公司的3D打印機能打印糖果和樂器等，該公司首席執(zhí)行官阿維·賴興塔爾說:“這的確是一種巧奪天工的技術?！?/p>

標準和標準的制定機構

當一間實驗室作出了圖紙，需要拿出來共享時，會發(fā)現(xiàn)有太多的格式和標準了，因此，3D 打印原型機這個領域看起來像是野蠻生長，毫無標準。

開源的設計、配置和軟件

當有了統(tǒng)一的標準后，3D 打印行業(yè)將會迎來開源?，F(xiàn)在，太多的團隊注重提高自己的3D 打印水平，在自我的閉環(huán)中發(fā)展。實際上，行業(yè)需要設備和軟件的開源，在統(tǒng)一的標準下產(chǎn)生更多有用、高效、開放的創(chuàng)新。

原型機實驗室

原型機打印并不受到重視，所以現(xiàn)在很多醫(yī)療器械商都是在一個臟亂、布滿灰塵的地方放置打印設備。其實，現(xiàn)在已經(jīng)有商業(yè)化運營的3D 打印實驗室，來幫助這些企業(yè)打印出質(zhì)量更高的原型機。

2015年8月23日，中共中央政治局常委、國務院總理李克強主持國務院專題講座，討論加快發(fā)展先進制造與3D打印等問題。

2015年2月國家發(fā)展和改革委聯(lián)合工信部發(fā)布的《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）》提出，到2016年，初步建立較為完善的增材制造產(chǎn)業(yè)體系，整體技術水平保持與國際同步，在航空航天等直接制造領域達到國際先進水平，在國際市場上占有較大的市場份額。增材制造產(chǎn)業(yè)銷售收入實現(xiàn)快速增長，年均增長速度30%以上。進一步夯實技術基礎，形成2-3家具有較強國際競爭力的增材制造企業(yè)。建立5-6家增材制造技術創(chuàng)新中心，完善扶持政策，形成較為完善的產(chǎn)業(yè)標準體系。