和文最好的藝術(shù)家努力向我們展示現(xiàn)實世界的物體 看起來像他們所有的三維 (3D) 榮耀。大多數(shù)時候 沒關(guān)系——看著 相片 或草圖給我們一個 足夠好的想法。但是，如果您從事開發(fā)新業(yè)務(wù) 產(chǎn)品，您需要向客戶或客戶炫耀它們， 沒有什么比擁有一個原型更好的了：一個你可以觸摸、握住和 感覺。唯一的問題是，模型采取 年齡 手工制作和 可以制造“快速原型”的機器要花一大筆錢(高達 五十萬美元)。萬歲，然后為 3D打印機，這有點工作 喜歡 噴墨打印機 并以高達 10 倍的速度逐層構(gòu)建 3D 模型 速度和五分之一的成本。它們究竟是如何工作的?讓我們以 仔細看看!

　　照片：3D打印的實際應(yīng)用：這是Invent3D打印機的打印頭， 通過將熔融的藍色塑料從其精確移動的噴嘴中噴射出來，逐層緩慢地構(gòu)建物體。 攝影：Cpl. Justin Updegraff 提供 美國海軍陸戰(zhàn)隊.

　　從手工原型到快速原型制作

　　照片：用蠟制成的高質(zhì)量太空飛機快速原型 來自美國宇航局的CAD圖紙。 照片由 美國宇航局蘭利研究中心(NASA-LaRC).

　　在有這樣的事情之前 計算機輔助設(shè)計 (CAD) 和 激光器，模型和原型是費力雕刻而成的 木 或 從小塊卡片或粘在一起 塑膠.他們可以采取 幾天甚至幾周的制作，通常要花一大筆錢。獲得 所做的更改或更改既困難又耗時， 特別是如果使用外部模型制作公司，并且 這可能會阻止設(shè)計師進行改進或采取 船上最后一刻的評論：“太晚了!

　　隨著更好的技術(shù)的到來， 一個想法叫做 快速原型制作 (RP)在1980年代長大 作為這個問題的解決方案：這意味著開發(fā)模型和 通過更自動化的方法制作原型，通常在幾小時或幾天內(nèi) 比傳統(tǒng)原型制作過去需要的幾周時間要多。3D打印 是產(chǎn)品設(shè)計師在這個想法的邏輯延伸 他們自己的快速原型，在幾個小時內(nèi)，使用復(fù)雜的機器 類似于噴墨打印機。

　　3D打印機如何工作?

　　美工：世界上第一臺三維FDM打印機之一， 由S. Scott Crump在1980年代開發(fā)。在此設(shè)計中，模型(粉紅色，40)被打印 在沿水平 (X–Y) 方向移動的底板上(深藍色，10)，而打印 頭部和噴嘴(2 和 4，橙色)沿垂直 (Z) 方向移動。印刷原料來自由打印頭熔化的塑料棒(黃色，46)。加熱過程由 熱電偶 (電熱傳感器)連接到溫度控制器(紫色，86)。使用來自大罐的壓縮空氣擠出棒材，并且 壓縮機 在右側(cè)(綠色，60/62)。從那時起，情況發(fā)生了一些變化，但基本原理(通過在三維控制下熔化和沉積塑料來構(gòu)建物體)保持不變。藝術(shù)品來自 美國專利5，121，329：創(chuàng)建三維物體的裝置和方法 作者：S. Scott Crump，Stratasys Ltd，1992年6月9日，由美國專利商標局提供。

　　想象一下，建造一輛汽車的傳統(tǒng)木制原型。你會 從一塊實木開始，向內(nèi)雕刻，就像 雕塑家，逐漸揭示了“隱藏”在里面的物體。或者如果 你想做一個建筑師的房子模型，你會建造 它就像一個真正的預(yù)制房屋，可能是通過切割微型 墻壁的復(fù)制品從卡片中取出并將它們粘在一起。現(xiàn)在一個 激光 可以很容易地將木頭雕刻成形狀，而且不會超出 訓(xùn)練 機器人 粘紙板 但 3D 打印機不能以這兩種方式工作!

　　典型的3D打印機非常像 噴墨打印機 操作 從 計算機.它一次構(gòu)建一層的 3D 模型，從 底部向上，通過在同一區(qū)域重復(fù)打印，稱為 熔融沉積建模.打印機完全自動工作，通過轉(zhuǎn)動3D在幾個小時內(nèi)創(chuàng)建模型 計算機輔助設(shè)計 繪制成許多二維的橫截面 層 - 有效地分離位于 2D 打印件之上的 2D 打印件 另一個，但中間沒有紙。而不是使用墨水，這永遠不會積累太多 體積，打印機沉積熔融層 塑膠 或粉末和 將它們?nèi)诤显谝黄?以及現(xiàn)有結(jié)構(gòu)) 膠粘劑 或 紫外線.

　　問：3D打印機使用什么樣的“墨水”?答：塑料!

　　其中 噴墨打印機 噴涂液體墨水和 激光打印機 使用固體粉末，3D打印機兩者都不使用：你不能通過堆積彩色水或黑塵來構(gòu)建3D模型!你可以用什么建模是 塑膠.一臺3D打印機 基本上是通過一個微小的噴嘴擠出熔融塑料來工作的，該噴嘴在計算機下精確地移動 控制。它打印一層，等待它干燥，然后在上面打印下一層。取決于質(zhì)量 在打印機中，你得到的要么是一個令人驚嘆的3D模型，要么是許多2D塑料線粗糙地堆疊在一起 - 就像糟糕的管道蛋糕糖霜!打印模型的塑料顯然非常重要。

　　照片：Lulzbot 3D打印機。你可以看到一小卷原始的紅色塑料 (“燈絲”)從頂部送入打印頭。攝影：Stephane Belcher 提供 美國海軍.

　　當(dāng)我們談?wù)撍芰蠒r，我們通常是指“塑料”：如果你是一個勤奮的人 回收，你會知道有許多類型的塑料，它們都是不同的，無論是化學(xué)(在分子組成上)還是在物理上(在它們對熱、光等的行為方式上)。 3D打印機使用也就不足為奇了。 熱塑性 塑料 (加熱時會融化并在冷卻時變成固體的塑料)，通常 ABS (丙烯腈丁二烯苯乙烯)， 解放軍 (聚乳酸)，或 佩特格 (聚對苯二甲酸乙二醇酯)。

　　也許最熟悉的是制造樂高?積木的材料，ABS 也廣泛用于汽車內(nèi)飾(有時也用于輪轂蓋等外部部件)，用于制造 冰箱，在塑料計算機部件中(很可能是 鼠 和 鍵盤 您現(xiàn)在使用的是由ABS塑料制成的)。那么為什么這種材料用于3D打印呢?它實際上是堅硬、堅韌的塑料(丙烯腈)與合成橡膠(丁二烯苯乙烯)的復(fù)合材料。它非常適合3D打印，因為它在室溫下是固體，在略高于100°C(220°F)的溫度下熔化，這足夠涼爽，可以在打印機內(nèi)部熔化而不會產(chǎn)生太多熱量和足夠熱，如果將它們留在陽光下，從中打印的模型不會融化。凝固后，可以打磨光滑或涂漆;ABS的另一個有用特性是它的原始形式是白黃色，但顏料(顏色化學(xué)物質(zhì) 漆) 可以添加以使其幾乎任何顏色。根據(jù)您使用的打印機類型，您可以以小顆?；蚣毥z(如塑料繩)的形式向它提供塑料。

　　PLA比ABS更容易使用，也更環(huán)保，盡管它更柔軟，更不耐用。PETG是一個中途之家，更接近ABS的強度，易于成型，相對容易回收。

　　您不一定需要使用塑料進行3D打?。豪碚撋希梢允褂萌魏慰梢韵喈?dāng)快地硬化和凝固的熔融材料來打印物體。2011年7月，研究人員在 英國?？巳卮髮W(xué)揭幕 食品打印機原型 可以使用熔融巧克力打印3D物體!

　　優(yōu)點和缺點

　　照片：B9Creator? - 典型的低成本DIY 3D打印機。 它最初以套件形式提供，售價 2495 美元;現(xiàn)在它已準備好組裝 有三種不同的版本，價格從 6000-12000 美元不等。 照片由Windell H. Oskay提供 www.evilmadscientist.com, 發(fā)表于 Flickr 2012年 在 知識共享許可.

　　3D打印機制造商聲稱它們的速度比3D打印機快10倍 其他方法和便宜 5 倍，因此它們提供了很大的優(yōu)勢 需要在數(shù)小時而不是數(shù)天內(nèi)快速制作原型的人。雖然 高端3D打印機 它們?nèi)匀缓馨嘿F(通常約為25，000-50，000美元)，它們是 成本只是更復(fù)雜的 RP 機器的一小部分(這些機器 在 100，000 美元到 500，000 美元)，而且便宜得多的機器是 也可以(您可以以大約 100-200 美元的價格購買 Tronxy 3D 打印機套件)。 它們也相當(dāng)小，安全，易于使用，并且 可靠(使它們在以下地方越來越受歡迎的功能： 設(shè)計/工程學(xué)校)。

　　不利的一面是，他們生產(chǎn)的模型的光潔度通常是 不如使用高端 RP 機器生產(chǎn)的那些。的選擇 材料通常僅限于一兩種，顏色可能粗糙， 并且質(zhì)地可能無法很好地反映產(chǎn)品的預(yù)期光潔度。一般來說，3D打印模型 對于新產(chǎn)品的粗略、早期可視化可能更好;更多 復(fù)雜的 RP 機器可以在流程的后期使用，當(dāng) 設(shè)計更接近最終確定，諸如精確表面之類的東西 質(zhì)地更重要。

　　應(yīng)用

　　您可以使用3D打印機做什么?這有點像問“如何 有很多方法可以使用復(fù)印機? 從理論上講，唯一的限制是你的 想象力。在實踐中，限制是 打印的型號、打印機的精度以及 您打印的材料?，F(xiàn)代3D打印是在大約25年前發(fā)明的， 但它在過去十年才真正開始起飛。大部分 這項技術(shù)仍然相對較新;即便如此，3D打印的用途范圍 是相當(dāng)驚人的。

　　藥

　　照片：3D打印的塑料心臟使外科醫(yī)生可以在沒有風(fēng)險的情況下進行手術(shù)。 馬修·布拉姆萊特博士的模型。公有領(lǐng)域照片發(fā)表于 Flickr 由美國NIH圖片庫和3D打印交易所提供。

　　人生是單向的旅程;易犯錯，有皺紋的衰老人類， 搖搖欲墜的身體自然在一項技術(shù)中看到巨大的前景 創(chuàng)造替代身體部位和組織的潛力。這就是為什么 醫(yī)生是最早探索3D打印的人之一。我們已經(jīng) 看到3D打印的耳朵(來自印度公司Novabeans)，胳膊和腿 (來自Limbitless Solutions，Biomechanical Robotics Group和 定制)和肌肉(來自康奈爾大學(xué))。3D打印機有 也用于生產(chǎn)人造組織(Organovo)，細胞 (輪回科學(xué))和皮膚(化妝品之間的合作) 巨人歐萊雅和奧爾加諾沃)。雖然我們離擁有還有一段路要走 完整的3D打印替換器官(如心臟和肝臟)， 事情正在迅速朝著這個方向發(fā)展。一個項目， 被稱為 芯片上的身體, 由北卡羅來納州維克森林再生醫(yī)學(xué)研究所運營， 打印微型人類心臟，肺和血管，將它們放在微芯片上，并用一種測試它們 人造血液。

　　除了更換身體部件外，3D打印也越來越多地被取代。 用于醫(yī)學(xué)教育和培訓(xùn)。在尼克勞斯兒童醫(yī)院 佛羅里達州邁阿密的醫(yī)院，外科醫(yī)生在 兒童心臟的3D打印復(fù)制品.在其他地方，同樣 技術(shù)用于排練腦部手術(shù)。

　　航空航天和國防

　　設(shè)計和測試 飛機 是一項復(fù)雜而昂貴的業(yè)務(wù)：波音 夢想客機內(nèi)部有大約 230 萬個組件!雖然 計算機模型可用于測試飛機的很多方面 表現(xiàn)良好，仍然需要為諸如以下方面制作準確的原型 風(fēng)洞測試.3D打印是一種簡單有效的方法 這樣做。雖然商用飛機是大量建造的，但軍用飛機 飛機更有可能是高度定制的，而3D打印則更加清晰。 使設(shè)計、測試和制造小批量或一次性零件成為可能 快速且經(jīng)濟高效。

　　照片：美國海軍一直在船上測試3D打印機 一個于2014年安裝在埃塞克斯號航空母艦上。從理論上講，機載打印機使船舶更加自力更生， 減少攜帶備件和材料的需要，尤其是在戰(zhàn)時。這是一個3D打印的海底無線充電器， 在海上執(zhí)行任務(wù)期間可能打印的典型對象。照片由Devin Pisner提供 美國海軍.

　　太空船 甚至比飛機更復(fù)雜，并增加了 缺點是它們是在微小的“制造”中的 數(shù)量——有時只生產(chǎn)一個。而不是去所有的費用 制造獨特的工具和制造設(shè)備，它可以制造很多 3D打印一次性組件更有意義。但為什么還要讓 地球上的太空部件?將復(fù)雜和重型結(jié)構(gòu)運輸?shù)?空間困難、昂貴且耗時;能力 在月球或其他行星上制造東西可以證明 無價的。很容易想象宇航員(甚至機器人)使用3D。 打印機可以生產(chǎn)他們需要的任何物品(包括備件) 部分)，遠離地球，只要他們需要它們。但即使 傳統(tǒng)的、地球產(chǎn)生的空間項目可以從 3D 打印的速度、簡單性和低成本。最新的， 人力支持 NASA Rover使用在Stratasys的幫助下生產(chǎn)的3D打印部件。

　　照片：備件和維修沒有問題。Lulzbot Taz 6 3D打印機用于在美國海軍艦艇上制造備件的特寫視圖。 攝影：Christopher A. Veloicaza 提供 美國海軍.

　　可視化

　　制作飛機或太空火箭的原型就是一個例子 3D打印的更廣泛用途：可視化新設(shè)計將如何 從三個維度看。我們可以使用這樣的東西 虛擬現(xiàn)實 為 當(dāng)然，但人們通常更喜歡他們能看到的東西和 觸摸。越來越多的3D打印機被用于快速，準確的 建筑建模。雖然我們(還)不能在材料中3D打印 如磚和混凝土，有各種各樣的塑料 可用，它們可以被涂成看起來像逼真的建筑 完成。同樣，3D打印現(xiàn)在也被廣泛用于 工業(yè)和消費產(chǎn)品的原型設(shè)計和測試。由于許多 日常用品都是用塑料模制而成的，3D打印模型可以看起來 與成品非常相似，非常適合焦點小組 測試或市場研究。

　　個性化產(chǎn)品

　　從塑料牙刷到糖果包裝紙，現(xiàn)代生活 今天在這里，明天消失——方便、便宜、一次性。 然而，并不是每個人都喜歡現(xiàn)成的大規(guī)模生產(chǎn)， 這就是為什么昂貴的“設(shè)計師標簽”如此受歡迎。在 未來，我們中的更多人將能夠享受 價格合理、高度個性化的產(chǎn)品，根據(jù)我們的確切要求定制 規(guī)范。珠寶和時尚配飾是 已經(jīng)被3D打印出來了。正如 Etsy 網(wǎng)站創(chuàng)建了一個 全球手工藝人社區(qū)，所以Zazzy現(xiàn)在已經(jīng)復(fù)制了 使用3D打印技術(shù)。得益于簡單的在線服務(wù)，例如 Shapeways，任何人都可以制作自己的3D打印刻痕， 要么為自己，要么 出售給其他人，而無需使用自己的3D打印機的費用和麻煩 (甚至史泰博現(xiàn)在也在其一些商店提供3D打印服務(wù))。

　　“定制產(chǎn)品”不僅僅是我們購買和使用的東西： 我們吃的食物也可以屬于這一類。烹飪需要時間， 技巧和耐心，因為準備令人垂涎的 膳食遠遠超出了混合食材并在爐子上加熱的范圍。 由于大多數(shù)食物可以擠出(通過噴嘴擠壓)，因此它可以 (理論上)也是3D打印的。幾年前， 邪惡的瘋狂 科學(xué)家實驗室 俏皮地打印出一些奇怪的物體 糖。2013年， 紐約時報 專欄作家A.J.雅各布斯 挑戰(zhàn)自己 打印整頓飯，包括盤子和餐具。在 過程中，他偶然發(fā)現(xiàn)了康奈爾大學(xué)霍德·利普森的工作， 誰相信有一天飯菜可能是個人的，3D打印來匹配 您身體的確切營養(yǎng)需求。這把我們整齊地帶到了未來...

　　照片：理論上，你可以用任何可以輸入的原材料制作3D打印。 您的打印機。這里有一些用砂糖打印的奇妙的3D物體 由“CandyFab 4000”(一個被黑客入侵的老式惠普繪圖儀)由總是有趣的人 在 邪惡瘋狂科學(xué)家實驗室.照片由Windell H. Oskay提供 www.evilmadscientist.com，發(fā)表于 Flickr 2007年根據(jù) 知識共享許可.

　　3D打印的未來

　　許多人認為3D打印將不僅僅預(yù)示著一股浪潮。 魯莽的塑料噱頭，但制造業(yè)的革命 以及它推動的世界經(jīng)濟。雖然3D打印會 當(dāng)然，我們可以自己做東西，有一個 限制使用便宜的打印機和 塑料管。真正的經(jīng)濟效益很可能在以下情況下到來 3D打印被大公司普遍采用為核心 制造業(yè)的支柱。首先，這將使 制造商提供更多現(xiàn)有產(chǎn)品的定制， 因此，現(xiàn)成的大規(guī)模生產(chǎn)的可負擔(dān)性將是 結(jié)合一次性定制工匠工藝的吸引力。 其次，3D打印本質(zhì)上是一種機器人技術(shù)， 所以它會 一次將制造成本降低到可以達到的程度 再次，在北美制造產(chǎn)品具有成本效益，并且 目前正在廉價組裝的歐洲(由收入低的人) 在中國和印度等地。最后，3D打印將提高生產(chǎn)力 (因為制造相同東西所需的人更少)，降低 整體生產(chǎn)成本，這應(yīng)該會導(dǎo)致價格下降和 更大的需求——這對消費者來說總是一件好事，對消費者來說都是好事。 制造商和經(jīng)濟。 降低 整體生產(chǎn)成本，這應(yīng)該會導(dǎo)致價格下降和 更大的需求——這對消費者來說總是一件好事，對消費者來說都是好事。 制造商和經(jīng)濟。 降低 整體生產(chǎn)成本，這應(yīng)該會導(dǎo)致價格下降和 更大的需求——這對消費者來說總是一件好事，對消費者來說都是好事。 制造商和經(jīng)濟。

　　照片：3D打印機打印頭(有時稱為“工具頭”)的兩個視圖。 照片由Ashley McLaughlin提供 美國海軍陸戰(zhàn)隊.