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浅谈3D打印(定义、工作原理、应用以及其他FAQ)

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本贴所有内容摘自我在知乎的回答。
更多细节可直接关注我在知乎上的回答,用户名:吕朕(新加坡南洋理工大学南洋增材中心实习生)
请勿插楼


1楼2014-10-29 10:43回复
    【什么是3D打印技术?】
    学术界定义:根据ASTM(American Society for Testing and Materials)标准,3D打印的现学名为增材制造,AM(Additive Manufacturing),旧称快速成型,RP(Rapid Prototyping)。
    在2009年,根据ASTM,AM增材制造被定义为“一个与减材制造相反,利用3D模型数据,通常以逐层堆叠累积的方式将材料连接起来构造物体的过程。”
    英文原文:"AM is defined by ASTM as a process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies."
    ASTM网址:ASTM F2792 - 12a Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies
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    以上皆为3D打印,增材制造在学术界的定义,下文为个人对于3D打印一次的看法,感谢 @张术的评论让我意识到了上文里有太多专业名词。
    3D打印最初是由MIT发明的一种快速成型技术,旨在短时间内制造出CAD文件所绘的产品。随着时间推移以及技术革新,快速成型、增材制造等技术逐渐走入人们的生活中,而媒体在报道时又特别喜欢用3D打印这个词汇来夺人眼球,所以现在广义的3D打印的定义如下:
    1. 按材料状态分,包括以液体、固体、和粉末三种材料为主的增材制造工艺。
    2. 按材料属性分,包括以塑料,金属,生物材料等为主的增材制造工艺。
    3. 而至于增材制造的工艺,简单地说就是不同于传统的数控车床对材料进行切割,还是将产品以一层一层积累的方式制造出来。


    2楼2014-10-29 10:44
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      2025-08-09 13:15:52
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      【3D打印工作原理】
      之前实习时给导师编纂3D打印的教科书时负责的便是编辑其中关于打印机工作原理和应用的章节,因此特来挖坑补充。(全文内容严禁转载)
      首先,严格意义上来讲,3D打印在学术界被叫做增材制造(Additive Manufacturing, AM),3D打印机一词也是各个公司为了方便客户理解机器功能在推销时加上的名字。因此我的回答会概括当前世界上仍就被使用的主流增材制造技术/工艺。【】内内容为采用该技术/拥有该技术专利的公司。
      增材制造工艺可被分为三大类,分别是,
      一、液体材料增材制造系统(Liquid-Based AM System)
      二、固体材料增材制造系统(Solid-Based AM System)
      三、粉末材料增材制造系统(Powder-Based AM System)
      每个系统下又有多个工艺,分别是,
      一、液体材料增材制造系统(Liquid-Based AM System)
      1) Sterolithography Apparatus (SLA),【3D Systems】
      2) PolyJet, 【Stratasys】
      3) Multi-Jet Printing System (MJP), 【3D Systems】
      4) Perfactory, 【EnvisionTec】
      5) Solid Object Ultraviolet-Laser Printer
      6) Bioplotter, 【EnvisionTec】
      7) 3D Bioprinting, 【Regenhu】
      8) Rapid Freeze Prototyping
      二、固体材料增材制造系统(Solid-Based AM System)
      1) Fused Deposition Modelling (FDM), 【Stratasys】
      2) Benchtop System, 【Solidscape】
      3) Selective Deposition Lamination (SDL), 【MCOR Technologies】
      4) Laminated Objet Manufacutring (LOM), 【Cubic Technologies】
      5) Ultrasonic Consolidation
      三、粉末材料增材制造系统(Powder-Based AM System)
      1) Selective Laser Sintering (SLS),【3D Systems】
      2) ColorJet Printing (CJP), 【3D Systems】
      3) EOSINT Systems, 【EOS】
      4) Laser Engineered Net Shaping (LENS) and Aerosol Jet System, 【Optomec】
      5) Electron Beam Melting (EBM), 【Arcam】
      6) LaserCUSING®, 【Concept Laser GmbH】
      7) Selective Laser Melting (SLM), 【SLM Solutions GmbH】
      8) Phenix PXTM Series, 【3D Systems】
      9) Microsintering, 【3D-Micromac AG】
      10) Digital Part Materialization (DPM), 【Ex One Company】
      11)VX System, 【Voxeljet AG 】
      每项技术对应的中文名好难找。需要花些时间找一找之后再更新补充上去。
      关于每个技术工作原理我之后也会简明扼要地讲述一下,如果想知道细节的话可以直接购买我导师的著作:《3D Printing and Additive Manufacturing Principles and Applications》。该书第四版由World Scientific发布。购买网页http://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/9008
      硬皮书定价163新币,软皮书定价68新币,是目前全球很多大学、研究机构所采用的增材制造技术入门书。好评很多,真的有需求的话可以考虑购买一本。


      3楼2014-10-29 10:45
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        【3D打印在建筑领域应用】如何评价上海建筑商用 3D 打印技术 24 小时打印 10 栋房屋?
        目前,相关于3D打印的报告更多的是为了证明其在相应领域的可行性(proof-of-concept),其目的也是为了唤起各个行业对增材制造技术的留意。真正将3D打印技术投入应用的领域诸如航空航天等的信息,政府都是高度保密,怎么可能会让腾讯去发新闻。
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        看到楼上们有很多就增材制造技术(3D打印)在建筑方面的应用,但发现评论者多为建筑前辈出身,因此个人觉得他们在评价中已经带上了有色的眼镜(无喷)。
        言归正传,这家公司的新闻今年年初便已出来了,也被收入在了我们编纂的增材制造技术的教科书里,归在了application一栏。该书会由world scientific在最近几个月publish。书的链接:3D Printing and Additive Manufacturing (World Scientific)
        当然我个人觉得这个房子噱头肯定太多了。但毕竟这是一家公司而不是科研机构。所以产品肯定是要讲究利润和市场的,炒作在所难免。不过个人觉得确实炒作成这样有些过头了,毕竟这根本不是一个成品,甚至连半成品都算不上,因为安全、耐用度方面都有待考察。
        个人相信在未来增材制造工艺在建筑方面肯定会有相应的应用,不过目前受材料开发,硬件配套设施的限制,短期内的成品肯定无法和现有建筑工艺媲美。而且对于与建筑相关的一些参数的性能检测上也有待更新的消息。不过在设计,制作流程上或能有突破。
        不管怎么说,上海这家公司将整个增材制造的技术投入1:1建筑的实用,在全球范围也尚属先例,至少算是出了结果的。因此前景还是有的,就看该公司接下来在精度、材料方面的提升了。个人认为还需要若干年的研究吧。毕竟增材制造在建筑领域的理论支撑框架即便是在全球领域也是为零,相关的已有结果和研究可参考Enrico Dini等人。
        现在该公司的墙面就是类似于FDM一层一层垒起来,非常难看。不解决这个问题的话,市场就很难大起来。
        关于3D打印的未来(摘自我的其他回复):
        3D打印在各个领域的未来都略有不同,以下为3D打印在建筑领域的可见未来:
        部分从事增材制造行业的人确实有设想过将其技术印入建筑领域,英国、挪威、美帝都有已经立项的课题。但是其科研目的是以探索增材制造在建筑领域的可应用性,而不是直接做出来就用了。毕竟增材制造正儿八经地才弄了二十几年,和有着几千年基础的锻造和建筑领域相比太年轻了。但正因如此,政府在保持观望态度的同时,也给与了很大的支持和帮助。个人认为,在未来的一个世纪,掌握了增材制造这一技术制高点的国家,会讲拥有在制造业等其他诸多行业的引领权。原因?因为你们做不了的,我用增材制造能做。你们做起来吃力的,我用增材制造省事多了。当然,大规模生产这些是目前增材制造的硬伤,是否可以在未来得到解决那是以后的话题了。
        总结:短期内在技术不成熟的前提下,3D打印在建筑、土木工程没有影响。但是如果再经历几十年的发展那么就真的是另当别论了,很难下定论。


        4楼2014-10-29 10:47
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          【如果 3D 打印被大范围采用,对汽车行业的制造和物流有哪些影响?】
          言归正传,首先,已经被3D打印的汽车种类很多。
          第一,赛车。
          是的,世界第一部3D打印的赛车,Areion, 由Formula Group T制造。其赛车在四秒之内便从静止加速度到了100km/h。该赛车采用电力驱动,被公司作为新一代绿色环保汽车而宣传。全车从设计完成到完成组装只用了三周。当然,轮胎不是3D打印的。

          新闻链接: http://www.materialise.com/cases/the-areion-by-formula-group-t-the-world-s-first-3d-printed-race-car
          第二,汽车引擎及其他零部件。
          是的,福特公司已经开始利用ExOne公司的机器开始为自家汽车的引擎制造3D打印的磨具和样品。引擎名字叫做EcoBoost。同时,ExOne公司也为福特公司制造了大量汽车模型、马达支撑物、刹车、HF35的cover等等。当然,其他汽车公司巨头比如BMW,GM,Tesla也都有各自在3D打印方面的研究安排。
          新闻链接:http://www.fool.com/investing/general/2014/01/19/why-3-d-printing-is-crucial-to-ford-motor-companys.aspx
          第三,节能汽车。
          世界第一台3D打印的节能汽车原型,由KOR Ecologic Inc.设计的URBEE。
          该车的fuel efficiency numbers达到了大于200mpg(高速公路)以及100mpg(市内)。
          该车全车所有零部件一共利用了2500个小时进行3D打印。全车的骨架没有涉及任何连接处,螺母或是孔洞。并且全车材料都是塑料。
          网址链接:http://korecologic.com/
          以上三例仅仅是3D打印在汽车行业应用中的沧海一粟。正如很多其他回复中所提到的,目前增材制造在很多方面还有不足和欠缺,(比如精密度、打印规格等等)所以制造出和传统意义上相同的家用汽车轿车还是有一定难度。因此目前3D打印投入实用的汽车多为小型节能环保车。(是的,同制作一辆汽车3D打印所产生的污染远远小于传统制作工艺)
          不过,因为3D打印在军事、航空航天等领域的保密性,很多细节(尤其是具体参数)无法透露。不过只能说3D打印在从出生至今的二十几年里已经发生了好多次革命性突破以及质的改变。因此就前景而言3D打印的大规模运用在未来迟早会到来。具体的到来时间取决于材料价格何时降下来,以及政府对该技术的放手程度。
          目前美军海陆空三军加上航天局都对3D打印在军事国防领域的应用有着十分深的研究。中国的几所高校的研究领域听闻也有了很多革命性突破,可是貌似这几个科研机构从来不怎么发paper,所以也不知道细节。
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          加一些个人看法吧。实际上3D打印在各个行业都有广泛的应用。不过因为其固定成本之高(一台工业机器都是几百万起价,材料都是按每立方厘米算钱)所以这注定了当前3D打印方面(增材制造)方面的研究必须要靠政府支持。当然也有个别大企业赞助的,不过企业赞助的话基本上就是为了企业自身新产品的发展了。比如阿迪达斯有自己3D打印的鞋子,汽车公司有自己3D打印的概念车,医院有自己借助3D打印提供的服务等等
          但是,3D打印目前在军事领域的应用是绝对属实的而且政府、部队都是有很大兴趣的。具体原因主要有二:1,在某些方面,3D打印可以做出传统制造工艺无法制作出来的东西。这个或许有一些脑洞大开,因为版权问题,我也不能把例子的图片发出来,不过相信在不远的将来相关的信息肯定会披露给大众的。2,3D打印可以为军队提供现场制造零部件的能力。这样举个例子吧,比如美国海军正在研究便于海军军舰携带的3D打印机,军舰带上打印机能干吗呢?很简单,在执行任务或者远洋航程中,一旦军舰上有零部件出了故障,按照传统的规矩基本上就是立刻要去母港维护。但是有了3D打印机,只要坏掉的不是重要部件,凭借事先准备好的CAD文件,官兵们便可以在军舰上将损坏的零部件制作出来。这一功能是当前为止其他所有制造工艺无法做到的。除非你把一个车间搬到军舰上。。。


          5楼2014-10-29 10:49
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            【3D打印在航空航天领域应用】从理论上分析,3D 打印机在太空工作时会遇到哪些问题?
            主要困难有且只有一个:在空间站缺乏与地面相同重力的情况下,3D打印机如何正常工作。(空间站中微弱的地球重力在3D打印机工作时的影响可以忽略不计)(看到了评论里的回复。于是把困难的描述修改了,一言以蔽之,就是空间站里的重力环境与地面不同,因此NASA需要设计出可以适合在空间站重力环境下工作的3D打印机)
            首先,NASA发送进入空间站的3D打印机是基于FDM技术的塑料打印机(即桌面打印机,Fused Deposition Modeling,熔融沉积制造,FDM三维打印机),简单地概括一下其工作原理(举例如果NASA要在空间站制作一个10cm高的零部件并且假设打印机打印层高0.1mm):
            1. 将一个高10cm(100mm)的物体沿z轴平均分成1000份。
            2. 打印机开始逐层打印。打完第一层后,整个打印机盛放打印物品的托盘下降0.1mm。
            3. 开始打印第二层。
            4. 步骤2-3重复1000次后,整个物体结束打印。
            在地球表面,因为重力影响,当托盘下降0.1mm后,托盘上的打印物体也会随着托盘下降而下降。从而使得整个过程流畅进行。那么到了太空站之后,当托盘下降后,托盘上面的打印物体不会随着下降,那么按照一般程序,打印的第二层将会和第一层重叠,打印失败。同时,如果每两层之间无法紧密粘合,那么打印成果表明可能就会有空洞,同样打印失败。(之前在其他回复中看到了有说在桌面机的托盘上涂胶水是常态的,实际上真正优秀质量的FDM机器是完全不需要涂胶水的啊,因为涂了胶水的话会导致托盘表面不平从而间接影响打印质量啊。所以如果能通过材料以及机器本身的技术攻关解决这一问题,胶水是能不用最好。当然实际应用中淡淡地涂一层液体胶影响也不是很大。)
            我个人看法,比较靠谱的解决方法之一便是在每两层间直接加胶水,或者直接开发粘性很强的材料。而这一切,诸如测试新的合适在太空中使用的ABS/PLA塑料材料,打印机的控制操作等,我相信也正是NASA在过去几年里为了制作太空3D打印机的所做的科研和努力。最后结果自然也是拭目以待。NASA - 3D Printing In Zero-G Technology Demonstration NASA官网上的该项目细节,目前结果和结论还没有公布,真的拭目以待。
            当然也有一些其他问题,不过相较于因重力环境引发的的问题,解决难度还是较低的。
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            关于为何选择FDM技术:
            FDM技术是塑料打印中最成熟也是技术要求最低同时精度相对最低的工艺。同时,它对机器设备的要求也是最低并且工艺更多依赖机械挤压,理论上受重力影响最小。因此是最合适的用来试验的技术。实际上还有个原因就是成本低。
            相反,以液体或粉末材料为基础的SLS(Selective Laser Sintering,选择性激光烧结工艺,3D打印 -- 3d-print),SLA(Stereo Lithography Apparatus,立体光固化成型法,SLA_百度百科),SLM(3D打印金属技术――SLM-中国3D打印技术产业联盟)虽然也很成熟,但是受限于重力环境短期内或无法在太空中展示手脚。同时配套设备要求高,体积质量偏大,因此不适合送去空间站使用。还有就是成本高……
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            关于开发空间站用3D打印机的用途:
            与陆军、海军开发3D打印机的用途基本上一致,在硬度等诸多因素达标的前提下,方便快捷地快速制造零部件以更新损坏的零部件。
            比如,有一天空间站里一个实验舱里一个螺丝、螺母坏了,但是替换品用完了,那么如果没有3D打印机,NASA就需要等下一发火箭补给才能把缺的零部件送去空间站(要是周期太长,那么缺乏相应零部件的实验基本上就报废了)。如果有了3D打印机,坏了直接按照事先保存好的蓝图打印出来,最多1-2天也能投入实用了。再比如,实验室里的工具,诸如扳手之类的坏了。那么也是可以直接用3D打印机快速“造”出一个来,当然硬度和实用性还需考量。
            太空用3D打印机的发展对于解决日后人类探索外太空的补给问题尤为重要。
            最后加一个彩蛋:实际上目前3D打印技术在航天领域中还有一个黑科技的应用:打印卫星。不过貌似现在网上所提供的细节还不是很多,大致也只有Lockheed和NASA在做。等到以后该应用成熟了我再另开一题更新吧。
            最后的最后,我脑洞大开:3D打印机在空间站能够正常工作+3D打印机可以制造出卫星=人们可以直接在空间站制造出卫星。这样的结局我已经不敢继续想象下去。但是这一结果或许已离现实不远。


            6楼2014-10-29 10:49
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              先更到这儿吧


              9楼2014-10-29 10:51
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