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3D打印  

3D打印
Last Updated: Sep 30, 2013 URL: http://ssp.lib.sjtu.edu.cn/3dprint Print Guide RSS Updates

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技术培训

国内外有关3D打印技术在教学中的应用

1、相关研究现状评述

        目前,3D打印技术在医疗领域,航空领域,建筑领域已经开展了尝试性的应用研究。

        在基础教育领域,上海师范大学教育技术学系黎加厚教授基于3D打印技术设计了一门课程《虚实创造课程》,并尝试用于小学教学,取得了不错的教学效果。新西兰将3D打印引入教育课堂,从幼儿园到12年级学生将有机会使用3D打印机。

        在高等教育领域,内华达州立大学雷诺分校的科学与工程图书馆成为美国第一个向所有学生、全体教员和公众提供3D扫描和打印的学术图书馆。

        目前,在教育领域,确实初步开展了将3D打印引入课堂教育的尝试,但是都是刚刚开始,由于3D打印机成本,打印耗材等费用,以及缺少相应的教材,教师等问题,还没有在课堂教学乃至科研院所中普及推广,更没有对新技术引入课堂的教学模式和教学效果的测量和研究。

2、国内外应用实例

        随着3D打印机逐步降低门槛及应用领域扩大,3D打印机已经进入国内基础教育领域,以下就是3D打印机在国内教学上应用的方式:

1、数学系的学生可以将他们的“问题”打印出来,并在他们自己的学习空间中寻找答案,比如打印一个几何体,让他们更直观的去了解几何内部各元素之间的联系。

2、工程设计系的学生可以用它打印出自己设计的原型产品进行测试,研究与探索。

3、建筑系的学生可以用它简便快速的打印出自己设计的建筑实体模型。

4、历史系的学生可以用它来复制有考古意义的物品,方便进一步的观察。

5、平面设计系的学生可以用它来制作3D版本的艺术品以及一些基本的模型。

6、地理系的学生可以用它来绘制真实的地势图,人口分布图。

7、食品系的学生可以用它设计食物的产品造型。

8、车辆工程的学生可以打印各种各样的实体汽车部件,便于测试。

9、化学系的学生可以把分子模型打印出来观察。

10、生物系的学生可以打印出细胞、病毒、器官,和其他重要的生物样本。

        在国外,3D打印机在欧美大学里几乎就是设计物理模型必不可少的工具,主要的应用有:

 1、机械工程学院:3DSystems的3D打印机可以完整地将电脑中的数字影像转换为实物模型,这样学生可以很好地评估自己的设计成果。

 2、建筑工程学院:快速、经济的模型建设使打印一栋建筑物模型成为可能。3DSystems的3D打印机可以将一栋建筑物模型分批打印,最后组装成型。这样就可以不单单将学生的设计模型平面展示,而是可以以三维的方式呈现出来。

 3、工业设计学院:3DSystems的3D打印机可以制造出任何复杂的模型,这些模型可以沙磨和喷涂处理做为工业模型使用。

 4、美术专业学院:美术专业的学生可以用3DSystems的3D打印机将设计的美术模型打印出来并从人们的评论反馈中继续提高自己的设计水平。

 5、生物医药学院:3DSystems的3D打印机具有独一无二的彩色打印功能!他可以打印出全色彩的三维模型,这样研究者就可以根据彩色三维模型准确地判断研究课题的方向。

 

创新沙龙

 3D打印技术在不同学科领域的应用

        3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术,至少包括信息技术、精密机械和材料科学三大技术。近年来,3D打印技术发展迅速,在各个环节都取得了长足进步。通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合,该技术已成为现代模型、模具和零件制造的有效手段,在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定应用,在工程和教学研究等应用领域也占有独特地位。具体应用领域包括以下几个:

1、工业制造:产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证;制作模具原型或直接打印模具,直接打印产品。3D打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D打印的家用器具模型,也被用于企业的宣传、营销活动中。

2、文化创意和数码娱乐:形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影《阿凡达》运用3D打印塑造了部分角色和道具,3D打印的小提琴接近了手工艺的水平。

3、航空航天、国防军工:复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、机构的直接制造。

4、生物医疗:人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等。人类是很脆弱的生物,稍不留神,身体上就会受到伤害而无法弥补。利用3D打印技术培养出人体细胞及组织,从而制造出医疗植入物将提高伤残人士的生活质量。3D打印的人体器官有很多优势,它可以根据人体特征进行精确配型,让打印出的器官及组织在人体内更好的工作。如今这种技术已被应用于制造更好的钛质骨植入物、义肢以及矫正设备。当前,3D打印已经成功打印出人体的各器官,而且这些器官和组织已经应用于手术之中。目前,3D打印技术在医疗应用方面的研究涉及纳米医学、制药乃至器官制造。我们相信,3D打印技术在未来一定会使定制药物成为现实,来缓解当前器官供体短缺等问题。

5、消费品:珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造。

6、建筑工程:建筑模型风动实验和效果展示,建筑工程和施工(AEC)模拟。

7、教育:模型验证科学假设,用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校,3D打印机已经被用于教学和科研。

8、个性化定制:基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。

        之前的3D打印技术被称作快速成型技术更贴切,如今的3D打印技术,则从之前的模具制造逐渐向着工业化制造的方向转变。

        现在,国外就已经有不少汽车、飞机甚至是航空火箭上使用了3D打印的零部件,将来也会在国防、军事上来打造高精尖设备。在以后,3D打印技术制造的各种交通工具以及工业化部件也将会越来越多,到时候,说不定人们日常生活所接触到的,都离不开3D打印。这也意味着,3D打印确实在向着工业化制造的方向转变。

 

3D打印简介

3D打印简介

        3D打印(3D printing),即快速成型技术的一种,它是一种以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。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。

原理

        3D打印并非是新鲜的技术,这个思想起源于19世纪末的美国,并在20世纪80年代得以发展和推广。3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。3D打印将三维实体变为若干个二维平面,通过对材料处理并逐层叠加进行生产,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件。

        传统打印机打印的时候,轻点电脑屏幕上的“打印”按钮,一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上,它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在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。

打印过程

1.三维设计

        三维打印的设计过程是:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即 切片,从而指导打印机逐层打印。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。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器,其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

2.切片

         打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。

        打印机打出的截面的厚度(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,也有部分打印机如Objet Connex 系列还有三维 Systems' ProJet 系列可以打印出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。

3. 完成

        三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够,要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法:先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体,再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

发展趋势

        3D打印——按需定制、以相对低廉的成本制造产品——一度被认为是科幻想象,而至21世纪初已经变成现实。在2013年,这种趋势将逐渐加速。以下就是2013年以及今后3D打印领域值得关注的趋势:

1、3D打印成为工业化力量

        3D打印原先只能用于制造产品原型以及玩具,而在2013年它将成为工业化力量。事实上,一些3D打印的零部件已经被应用于飞机上,这些零部件能够让飞机变得更轻、更省油。该技术也将被国防、汽车等工业应用于特种零部件的直接制造。总之,在你不知不觉的情况下,通过3D打印制造的飞机、汽车乃至家电的零部件数量将越来越多。

2、3D打印开始治病救人

        因为3D打印产品可以根据确切体型匹配定制,通过3D打印制造的医疗植入物将提高你身边一些人的生活质量。这种技术已被应用于制造更好的钛质骨植入物、义肢以及矫正设备。

        打印制造软组织的实验已在进行当中,很快通过3D打印制造的血管和动脉就有可能应用于手术之中。最理想的情况是,3D打印技术在未来某一天有可能使定制药物成为现实,并缓解甚至消除器官供体短缺的问题。

3、定制化成为常态

        通过3D打印技术,创新公司将凭借与竞争对手的标准化产品相同的价格为用户提供定制化体验,该产品将根据你自己确切的具体信息进行定制,通过3D打印制造并直接送到你的家门口。起初,这种体验可能包括制造定制智能手机外壳这样的新奇物品或是为标准化工具进行符合人体工程学的改造,但它很快就会扩张到新的市场。

4、产品创新速度加快

        由于运用3D打印的快速原型制造技术能够缩短把产品概念转化为成熟产品设计的时间,设计人员将能够专注于产品的功能。

        迅速降低的成本、功能得到改进的设计软件以及越来越多的打印材料意味着设计人员将能更方便地使用3D打印机,使他们能够在设计的早期阶段就打印出原型产品、进行修改以及重新打印等等,从而加速创新,其结果将是更好的产品以及更快的设计速度。

5、创新的商业模式

        你今后将有机会投资购买一家3D打印公司的IPO。新一代公司将作为发明家、黑客以及“制造者”大量涌现,利用3D打印技术创造新的产品,并向蓬勃发展的3D打印机市场提供服务。3D打印将催生出创造性的新商业模式。

6、3D打印店

        3D打印店将开始出现,它们最初会凭借高品质的3D打印技术为本地市场提供服务。零售商开始“运送设计,而不是产品”,在这种情况下,本地的3D打印店有一天将成为你获取自己定制的本地制造产品的地方,就像如今你在本地沃尔玛商场内冲印照片一样。

7、3D打印开始广泛应用于电影工业

        由于3D打印是一种快速成型技术,对于制作复杂电影道具具有成本低,时间快的优势,高仿真的电影道具已经使用了3D打印技术来制作面具模型,汽车模型,和其他功能性道具。

8、具备神奇特性的新产品

        3D打印技术可以在制造过程中控制所用材料,精度可达分子和原子级别。通过3D打印机制造的新产品将融新材料、纳米尺度以及印刷电子器件于一体。随着对未来可行的商用3D打印机的研究不断完善,我们可以期待令人兴奋和向往的新产品携惊人的特性出现在世人面前。至2013年为止,它的问题是:这些产品都是什么以及谁将销售它们?

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