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第二篇章:3D打电子设备印机的用途有哪些?
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  从2011年5月起,公司开始出售价格从1,300美元到2,750美元不等的增量生产系统。这些生产线可以利用到多个领域:航空航天,建筑,汽车,国防,牙科等等。通用电气公司就采用了高端3D模型生产涡轮部件。

  多家公司正在研发家用3D打印机。目标市场主要为DIY一族,3D打印爱好者,灯塔客户以及学术研究和计算机领域。

  一台Ultimaker 3D打印机在Mozilla生产商聚会上工作 RepRap在3D打印机家用系列中已经发展了很久,旨在生产自由及开源硬件(FOSH)的3D打印机,各项规格匹配GNU通用公共许可证的要求,并能生产自身零部件。 RepRap已证明可以打印电路板和金属部件。 因为RepRap的“资源开放自由”,许多相关科技纷纷效仿,带动大部分相关或派生3D打印机开放资源。这种开放性意味着3D打印机的各种变体将会较容易实现。但不同技术的质量,复杂程度以及使用材料和成品的质量都是不同的。开放资源的3D打印机可实现高度定制化,并且可以利用Thingiverse和Cubify等,借鉴公有领域设计,开发开源适用技术,随着其迅速发展,逐渐在各个领域得到关注。该技术因其材料的易得性和经济性,也有助于可持续发展计划的展开。 3D打印机的价格自2010年左右开始大幅度下降,过去要2万美元的机器现在可能1000美元不到就可以买到,像2013年一些公司和个人开始售卖RepRap的零部件,价格大概只要400欧元(500美元)。 开放软件计划Fab Home发明出的普通用3D打印机可以使用任何能从喷头里挤出来的的原料,从巧克力到硅酮密封剂到化学反应物。2012开始,供销商开始供应类似的3D打印机的安装包或成品,价格为2000美元上下。 Kickstarter旗下的Peachy Printer打印机预计售价为100美元, 其他瞄准了小型经济型3D打印机市场的还有mUVe3D和Lumifold等新型打印机品牌。Rapide 3D设计了专业级的3D打印机的成本为1499美元,在使用过程中无烟也无响声。 “3D打印钢笔”3Doodler筹集了2300万美元在Kickstarter上卖99美元, 虽然3D涂鸦(3D Doodler)一直被批评更多是一支工艺笔,而不是3D打印机。 随着其价格的降低,3D打印机越来越受到DIY客户的欢迎。另外,利用3D打印技术自制物品能降低物耗进而减少对环境和循环系统的影响。回收废旧塑料桶,回收的塑料将被用于3D打印。有人设计了一些回收计划,例如商业性的Filasturcer,用于将洗发水瓶,牛奶盒等废旧塑料改造成可用于RepRap3D打印机的低成本原料。有证据显示,这种回收对有益于环境保护。 从RepRap基础上发展而来的3D打印机不断发展,可定制性越来越强,出现了专供小型企业和消费用途的3D打印机。诸如Solidoodle、Robo 3D、RepRap专业版与Pirx 3D等生产商推出的相关安装包和成品,售价不足1000美元,比2012年9月少了数千美元。这些3D打印技术的分辨率和生产速率介于个人打印机和工业打印机之间。这些打印机的具体价格和其他相关信息还有待公布。 最近,TripodMaker等Delta机器人被运用到3D打印技术中以提高打印速度。这种打印机外形,打印程序各不相同,打印精确度主要取决于打印针头的位置。 有些公司也提供3D打印软件,作为其他公司生产的3D打印硬件的补充。 大型3D打印机 大型3D打印机可用于工业,教育和科研等领域。2014年SeeMeCNC生产出一台大型三角洲式3D打印机,能打印最大直径4英尺(1.2米),最大高度10英尺(3.0米)的物体。与其他3D打印机不同,它采用塑料球为原料,而不是塑料细丝。[64]还有一种大型3D打印机,名称为“大面积增量制造”(BAAM)。其目的在于快速打印体积较大的物体。Cincinnati 公司在2014年生产出的一款BAAM打印机打印速度为一般3D打印机的200到500倍。Lockheed Martin公司研发中的BAMM打印机旨在打印航天航空专用的长条状物体(最长可达100英尺/30米)。 生产应用 三维打印使得生产单个物品与批量生产几乎一样便宜,这就削弱了规模经济。它对社会影响的深远程度可能同1750年的蒸汽机,1450年的印刷机和1950年的晶体管一样,没人能轻易预料。它迅速发展着,对每个相关领域都产生着巨大的影响。 —— 《经济学人》,2011年2月10日,领袖篇 增量制造技术的应用始于20世纪80年代,涵盖产品开发,数据可视化,快速成型和特殊产品制造领域。在90年代增量制造技术在生产领域(分批生产、大量生产和分布式制造)的应用有了进一步发展。21世纪早期增量生产在工业生产的金属加工领域[67]也第一次达到了前所未有的规模。21世纪初,增量制造相关器械销量大幅增加,价格大幅下降。咨询公司Wohlers Associates称,2012年3D打印机和3D打印服务在全球的价值为22亿美元,比2011年增加29%。增量制造技术同时也派生出许多应用服务,涵盖建筑、工程建造(AEC)、工业设计、汽车、航空[70]、军事、工程学、口腔和医药工业、生物科技(人体)、时尚、鞋类、珠宝、眼镜、教务、地理信息系统、饮食等领域。 由3D打印制作的全彩微型人头模型(FaceGen出品)

  2013年班加罗尔3D打印机生产商打印展览 增量技术最早应用于工具生产。其中最早的增量技术应用之一就是快速成型制模法,旨在减少制作新部件新设备模型的时间与开销,因为原先采用的减量制造法速度慢而且昂贵。随着增量制造技术的日趋成熟,在商界的存在感日益增强,它常以新颖的甚至有时难以预料的方式渗入生产终端。原先减量技术独霸一方的领域渐渐的也出现了增量技术的身影,在有些应用中,增量技术甚至可以获取更高的利润。 分布式制造 增量制造与云计算技术结合,使系统或地理上的分散化生产成为可能。一些企业已经在进行此类分布式制造,有些还提供为3D打印商与客户牵线的服务。 一些公司提供官网3D模型的在线D打印服务,服务对象既可以是公司,也可以是个人。3D打印设计图可以邮寄给客户或到提供商处自取。 大规模定制 3D打印公司提供定制化服务,客户只需使用简单的网页定制软件即可定制特殊的3D物体。例如,消费者可以在线设计手机套。诺基亚推出了其手机的3D设计图,消费者可以据此设计打印自己的手机套。 快速制造 快速生产引入了可用于最终生产的原料,从而使直接生产零部件成品成为可能。3D打印给快速生产带来的一个好处就是可以降低少量零部件的生产成本。 快速生产是一种新型生产法,许多任务序还处在设想中。3D打印技术正在进入快速生产领域,并被视为,用一篇2009年的专家报告的话说,更高级的技术。目前最有希望实现的是选择性激光烧结( SLS)和直接金属激光烧结( DMLS)技术和其他一些基础较好的快速制模法的应用。但是即使到了2006年,这些技术大部分仍然处于构思阶段,想要真正被作用到实际生产中,前方仍有很多障碍。 快速成型 20世纪80年代早期工业打印机就已经存在,并广泛地应用于快速成型和学术研究当中。这种打印机体积较大,使用特殊的金属粉末,铸模媒介(沙粒等),塑料,纸张和墨盒,应用于大学和商业机构的快速成型实践当中。 研究 3D打印因其能制作专业化、定制的几何形状而对研究实验室特别有用。2012年英国格拉斯哥大学的一项概念验证研究显示3D打印技术可以用来辅助生产化合物。他们首先打印出反应容器,接着用打印机将反应物注入容器当中进行反应。他们生产出了新的化合物,证实了该过程的有效性,但目前这一技术还未进行针对性推广。 食品 康奈尔创新机器实验室称Hydrocolloid Printing牌3D打印机可以进行定制食物的生产。3D食物打印机正在研发过程中,可以把巧克力、糖果、意大利面条、比萨饼等食物一层一层地“挤”出来。 格拉斯哥大学的Leroy Cronin教授在一篇TED演讲中提到,未来可能利用化学物质作为3D打印机的“墨水”,进而生产药物。电子设备 工业应用 在20世纪80年代初以来,工业的3D打印机已经存在,并已广泛用于快速成型设计和研究目的。这些通常是较大的机器,使用专有的金属粉末,铸造介质(如沙子),塑料或磁带,并用于许多快速原型使用的大学和商业公司。制造工业用3D打印机的公司包括Renishaw,Objet Geometries, Stratasys,3D System和Z Corporation公司。 服装 3D打印逐渐应用到服装领域,时装设计师们也会使用3D打印的比基尼泳衣,鞋子和裙装进行时装设计构思。耐克在2012年为美国球员设计的Vapor Laser 的制模和生产中,就利用了3D打印技术,同样的,还有New Balance利用3D技术进行运动员专用跑鞋的私人定制生产。 3D打印研发公司正在研究可投放市场的眼镜,拥有受欢迎的样式,配以定制化的全套产品(除了镜片以外)。但随着快速制模的发展,镜片的定制也逐渐成为可能。 汽车 2014年年初,瑞典超级跑车生产商柯尼赛格发布了新车One:1,其中使用了许多3D打印的零部件。在柯尼赛格生产的汽车中,One:1拥有3D打印的测镜内零件,风道,钛排气部件,和全套的涡轮增压器组装线。 美国公司Local Motors与橡树岭国家实验室,以及Cincinnati公司正在合作研发大型的增量制造系统组装整车车体。 Local Motors公司还计划2014年9月在国际生产科技展上在观众面前现场打印汽车:“汽车底盘和车身由纤维加强的热塑性塑料制成,没有动力传送系统,车轮和车闸重量不足450磅,全车总共也只有40个零部件,并且随着每次改进,零部件的数量会越变越少。” Urbee是世界第一辆使用了3D打印技术的汽车(车身和车窗是3D打印的),它由美国工程公司Kor Ecologic和斯特塔西公司(3D打印机Stratasys的生产商)共同制造,融合了多重技术,外观很有未来主义的风格。 飞机 2015年5月,空中客车公司宣布其最新机种空中客车A350 XWB包括超过1000的部件由3D打印制造。 建筑 直到近年来,建筑模型是由手工建造,并且常常花费很长的时间。因此,建筑师经常被迫向他们的客户展示自己项目的绘图。据Erik Kinipper说,客户通常会需要从空间各个可能的角度查看产品来得到一个清晰的印象以做出明智的决定。为了在很短的时间内得到这些比例模型给客户,建筑师和建筑公司往往依靠3D打印。使用3D打印技术,这些企业可以减少50%到80%的生产时间,做出比加工件轻60%且坚固的比例模型。[98]这样,设计和模型就只受人的想象力限制了。 3D打印技术对精度、速度和材料质量的改进已经为3D打印从建模过程的用途转型到制造策略打开了新的大门。南加州大学Behrokh Khoshnevis博士的研究结果可以用3D打印机在24小时内建造一座房子。这个过程叫做轮廓工艺(Contour Crafting)。Khoshnevis、Russell、Kwon与Bukkapatnam将轮廓工艺定义为采用计算机控制系统反复地放下材料层(如混凝土)的一种增量制造过程。 Bushey也讨论了Khoshnevis的配备可以喷出混凝土的喷嘴并可以基于电脑图案建造房屋的机器人。轮廓工艺技术在建造整体结构和子部件的自动化方面有很大的潜力。使用这个过程,设计可能各不相同的一座房子或房屋集群,可以单次运行自动建造,并将所有电力、水暖、空调管道嵌入。 此外,Sinterhab项目正在研究利用3D打印技术,以月球表层土为基底建造月球基底。为了替换传统的以粘合剂粘合月球表层土,科学家正在尝试使用微波烧结技术将月球表层土砌成坚硬的建材。 类似的研究和计划可以降低建筑成本,并研究用于地球以外的栖息地。 历史建筑的纪录过去常以图面或照片等平面信息纪录,新宝彩票:现代因科技发展而有3D扫描技术可较精准地将历史建筑数字化进行数字典藏,而以此为基础之数据除可妥善保存外,亦可直接或经处理后成为3D数字模型,现在通过3D打印机可将原本仅存在数字世界中的数据实体化,数字化的制造过程更可将人为的误差降到最低,免除过去建筑模入的人为意识或变更产生与实体不符之状况。 电动汽车与发电机 电机(汽车和发电机)的磁核需要提前加工好的特殊的一层层堆叠的薄电铁片,片与片之间互相隔绝以减少型心铁的损耗。有些3D打印要求所用核心材料的性状(如材料密度,非结晶性,毫微结晶原子结构,材料分离性等)在生产过程中保持不变。这种打印要求或许只能采用不改变核心材料性质的混合3D打印技术,例如烧结,熔合,沉积等。非结晶金属薄丝层与层之间互相隔绝,如果能对其进行较好的处理,能减少最多80%的电器核心磨损。即使是著名的3D打印“层压物生产”(LOM)法,也只有在刻印凹槽以固定通电线圈的过程中,或生产后续工序中(例如为了使物体表面平整,同时提高材料的组装密度而对有气隙的表面进行碾压)减少对非结晶物体非结晶结构的破坏,才可能达到减少磨损的效果。 在与美国能源部Arpa-E(先进研究工程机构-能量)计划签约后,一只来自联合科研中心的研究人员小组自2014年开始研究使用增量技术生产30千瓦特的感应电动机,尝试使用不含稀土磁体的电动机技术使其在每分钟0到12,000转的速度下,保持30至50千瓦特的持续电力。 武器 2012年,一个位于美国的“分布式防御组织”(Defense Distributed)计划设计一种实用型塑料枪,只要使用3D打印机就可以进行下载和复制生产。 该组织还设计了一种可以3D打印出来的650发AR-15型来复下机匣和30发M16弹匣。AR-15有多个机匣(上下各一个),但被序列化上传的部分受法律管制(在这个例子中指AR-15的下机匣),所以2013年5月在分布式防御组织成功用3D打印机设计生产出了塑料枪后不久,美国国务院就要求他们将相关文件从网站上撤下。 3D打印使普通消费者也能接触到数控机床的生产过程,因此有人提出质疑,担心对其对相关管制效果的不良影响。 2014年,日本人由友井村成为世界上第一个因3D打印而被判刑的人。[114]他在网站上上传了构造图和制作视频,被判刑两年。警方在他家里发现至少两支可开火。 医药 3D打印已经被应用到生产移植器官和器械等医疗领域。目前成功的案例有一位英国病人移植的钛骨盆,一位比利时病人移植的钛下颌和一个美国婴儿移植的塑料气管夹板。助听科和牙科在未来有望成为3D打印技术的最大使用领域。 2014年3月,斯温席海港的外科医生使用3D打印材料对一位车祸受重伤的汽车驾驶员的面部进行了修复。针对关节炎和癌症损伤器官的移植,相关的3D打印研究正在进行中。 医疗器械 一个年仅5岁的英国小女孩,出生时左手五指发育不完全。2014年10月,她成为了第一个在3D打印技术的帮助下获得“人工手”的孩子。这个人工手基于这个女孩父母提供的塑胶模型制作。负责设计工作的是总部位于美国的开源设计组织E-nable。该组织下的志愿者们一直在做着主要针对儿童的弥补性组织的设计和生产工作。 3D打印的义肢也被用于受伤动物的治疗上。2013年,3D打印技术帮助一只瘸腿鸭恢复了行走的能力。2014年,一只没有前肢的吉娃娃装上了3D打印的安全带和轮子。[122]3D打印的寄居蟹壳则让寄居蟹过上了新房子里的生活。 生物打印 截至2012年,生物科技公司和学界就一直在研究3D生物打印技术在组织工程中的应用,也就是说,用喷墨技术来生产身体组织和器官。设想是,活细胞在凝胶媒介或糖基中一层一层地沉积,慢慢地组成诸如脉管系统的三维组织。 第一个3D组织打印系统出现于2009年,运用NovoGen生物打印技术为基础。由此出现了一些相关术语,例如组织打印、生物打印、肢体打印、计算机辅助组织工程,等等。3D打印在整修外科软组织生产方面的应用潜力还在研究当中。 2013年,中国科学家开始使用活体3D打印人耳,肝脏和肾脏。使用活细胞替换塑料,用特殊3D打印机生产人体器官的实验也获得成功。杭州电子科技大学的研究人员发明了自己的3D打印机Regenovo,含义是是“3D生物打印机”,用于完成较为复杂的生产工作。据Regenovo研发者之一徐民根称,该打印机一个小时内可以生产一个迷你肝脏样本或4/5英尺的人耳软骨样本。他还预测未来十到二十年后,就有可能能够打印功能齐全的器官了。 同年,比利时哈赛尔大学的研究人员成功地为一位83岁的比利时妇女打印出了新的颌骨。 电脑和机器人 3D打印技术可以用来制造笔记本电脑和台式电脑,例子有Novena和VIA OpenBook标准笔记本机箱。即可以购买Novena主板用在打印的VIA OpenBook机箱中。 开源机器人使用3D打印机构建的。Double Robotics授权获取他们的技术(开放SDK)。 另外,3&DBot是一个有轮子的Arduino3D打印机机器人[136]而ODOI是3D打印的类人机器人。 太空 2014年9月,SpaceX公司将首批零重力3D打印机交付到国际空间站(ISS)。2014年12月19日,NASA通过电子邮件把套筒扳手的CAD图纸发送给了国际空间站上的宇航员,他们之后用3D打印机打印了这个工具。太空中的应用使得可以就地打印破损的零件或工具,而不是用火箭为太空任务把提前制作好的物品带到月球、火星或其他人类群落。欧洲航天局计划在2015年6月运送新的便携船载3D打印机(简称POP3D)到国际空间站,使其成为太空中第二个3D打印机。2013年底,台湾的国立交通大学前瞻火箭研究中心利用3D打印技术印制APPL-9火箭外壳,大幅降低火箭外壳成本,并使火箭内部设备的拆装及测试更加容易。 社会文化应用 2005年,随着开源的RepRap和FabHome项目的启动,一个迅速发展壮大中的针对3D打印爱好者和家用功能的市场正在形成。目前几乎所有的家用3D打印机都借鉴了现有的RepRap项目以及其他相关的开源软件项目的技术。一项研究表明,在分布式制造下,可以大规模制造3D打印机,帮助消费者节省日常用品的花销。例如,消费者可以在家直接将下载好的3D模型打印出来,而不用去商店购买工厂通过注塑成型技术生产出来的产品(例如量杯或漏斗)。 艺术 2005年,有关3D打印在艺术领域中的运用的研究逐渐出现在学术期刊中。[144] 2007年,在一篇发表在《华尔街日报》和《时代周刊》上的文章的影响下,媒体将一件3D打印作品列为“年度最有影响力的100件设计”之一。2011年伦敦设计节上由Murray Moss 代为展出的一件以3D打印为主题的展品被收藏在维多利亚与艾伯特博物馆(V&A)中。该展品名称为:《工业革命2.0:物质世界的新实现》。 图中为3D打印的限量版首饰。这串项链的原材料为玻璃纤维填充的染色尼龙。把材料串起来的挂绳同材料本身一样,也是3D打印出来的。

  3D打印机制作的花模型 在2013年11月和2014年举办的伦敦的3DPrintshow中透露出了3D打印的一些最近的进展。艺术展区展示了塑料和金属3D打印的艺术品。Joshua Harker、Davide Prete、Sophie Kahn、Helena Lukasova、Foteini Setaki等一些艺术家展示了如何用3D打印改变审美和艺术的过程。展览的一个部分聚焦于用3D打印推进医疗领域的途径。这些进展的基本主题是这些打印机可以用来创造满足每个人具体需求的部件。这使得过程更安全、更高效。这些进步之一是使用3D打印机来做出模仿骨骼的支撑作用的铸件。这些定制装配的铸件是开放的,可以允许佩戴者瘙痒以及清洗受损区域。开放的结构也可以打开通风。最棒的特点之一是这些铸件可以回收制成更多铸件。 3D打印在定制礼品行业越来越流行,产品如个性化手机套和娃娃, 以及3D打印的巧克力。 3D扫描技术可以应用到真实物体的复制中,比传统的制模技术价格便宜,难度低,可操作性好。传统技术对物体进行复制操作难度大,而一些珍贵易碎文物的复制要求避免与制模材料的直接接触以防止对文物表面的伤害,操作难度就更大了。 批判性制作指的是能将科技与社会联系起来的富有成效的创新活动。这种活动旨在弥合创新科技与理论探索之间的鸿沟。 最早的提出者是多伦多大学信息技术学院助理教授,同时也是批判新制作实验室主管的Matt Ratto。Ratto认为批判性制作的一个主要目标就是通过物质上的科技发展,来补充和拓展批判性思维,最终使我们对科技的切身体验与理论分析再次联通。批判性制作的重点在于开放性设计,除了3D打印技术外,还包括其他数码软硬件。当说到批判性制作,人们通常会想到精美的设计作品。 通讯 波导管,耦合器,可曲波导管等兆赫兹设备已经可以利用3D打印的增量层次技术进行生产,这是传统组装工艺做不到的。商务专业版EDEN打印机能够打印最小100微米的物体,经金或其他金属DC溅射后组装成为兆赫兹等离子激光设备。 家用 2012年,家用3D打印流传在一些3D爱好者中,在家电中的实际应用较少。已经制造出来的有钟表[157]和家用木具齿轮。3D打印还可以进行装饰品的生产。相关网站上还有关于抓背扒,挂衣钩,门把手等的相关3D打印信息。 开放资源的FabHome项目已经开发出了普用型的3D打印机,已经被应用于科研领域,进行化合物合成。还有些新型3D技术还在实验阶段,所以一开始没有立即投入生产。 该打印机可以使用任何可以从注射器中挤出的液体或浆糊作为原料。这一应用的开发者还在开发相关的工业和家庭用途,能使用户远程生产药物或家用化学品。 3D打印渐渐应用到日常生活中,很多孩子很小就能接触到相关产品。随着发展与不断创新,3D打印技术在家庭中的应用会越来越多。 一个学生在一份课程作业中设计了OpenReflex单反相机,可与3D打印配套使用。 教育研究 3D打印,特别是开源的RepRap 3D打印机最近也应用到教学当中。3D打印让学生可以不再使用昂贵的用传统减量方法制作的模型,而是利用3D技术直接设计和打印模型。这种课堂环境可以让学生学习和使用3D打印的新应用。例如RepRaps已被用作教学移动机器人平台。 一些学者声称,RepRap 3D打印机为STEM教育提供了一个前所未有的“变革”。这种说法的证据既来自学生在教室中快速成型的低成本,也来自搭建开源实验室的科学设备开源硬件设计的低成本。学生在课堂上学习3D应用的相关知识,开发3D打印的应用潜力,在这个过程中同时学习工程,设计,和建筑的相关知识。化石,历史文物的复制也可以通过3D打印完成,避免了对珍贵文物可能造成的损伤。对制图设计有兴趣的学生还可以将复杂的部件组装成完整的模型。3D打印为地形图的绘制提供了新视角。学生物的学生通过3D模型可以更好的学习观察人体内部器官和其他生物标本。学化学的学生则可以观察分子的3D模型,分析化合物间的关系。 Kostakis等人在最近的一篇论文中谈到,3D打印和设计能够提升孩童的认知和创造力,帮助他们更好的适应当今的互联信息化社会. 3D打印在未来还可能应用于开放资源的科学仪器的生产中. 环境 在巴林群岛,3D打印已经投入大规模的使用,以类似砂岩的材料作为原料,生产珊瑚形状的结构,吸引珊瑚虫再次繁殖生产,来弥补已经被破坏的珊瑚礁。这些结构比用来制造人工鱼礁的其他结构更加自然的形状,并且与混凝土不同,pH值呈非酸非碱的中性。 特性材料 供消费者使用的3D打印引进了3D打印机专用材料。例如,用丝状物质模仿木质品的外观和质地。此外,注入式碳纤维等新科技应用到打印塑料当中,可减轻塑料重量,提高强度。新结构材料不断研发出来的同时,3D打印可直接使用已有的式样。

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