什么是三维(3D)打印技术?

　　术语“3D打印”和“添加层制造”指的是用计算机数据自动生成一个完整对象的过程。 这项技术已经在许多行业中使用，比如：交通、医疗、军事和教育。用途包括建立概念模型，功能原型，工厂工具(如模具)，甚至制造成品(如飞机内部组件)。航空航天和医疗行业专门开发了先进的3D打印技术应用。3D打印有时也被称为“快速成型”，但这个词并不包括目前所有使用的技术。3D打印中使用的材料包括树脂、塑料，在某些情况下：金属。

　　最早的方法：立体光刻 – 在20世纪80年代末左右已经出现，但使用非常有限，原因有两个：一、使用的化学物质有毒;二、成型的模型容易破碎。自打那时开始，其他技术陆续出现，包括熔化沉积成型(FDM)技术。FDM在20世纪90年代初推出，铺设产品级热塑性超薄层，生产出相对耐用的模型。

　　随着3D打印技术的进步，系统可靠性和模型质量也不断提高，因此得到了普遍应用。与此同时，价格也快速降低，以至于小企业也买得起某些系统。在2011的年度报告中，沃勒斯联盟预测：到2015年，3D制造系统的全球年销售量将达到15000台，比 2010年的数量增加一倍以上。低价位专业系统将是这一增长的大部分。

　　在FDM技术中，用户视窗(Windows)网络或工作站上的打印机软件接受计算机辅助设计(CAD)数据，用主流的3D文件格式，比如.stl、.wrl、.ply和.sfx文件。有些产品也接受CT和MRI诊断数据、蛋白质成型数据和数字化3D扫描。该软件的工作就像纸张打印机的驱动程序，将数据发送到3D打印机的打印头，告诉在哪里铺设材料。

　　塑料建模材料的细丝和可溶的支撑材料被加热到半液体状态，强力挤压通过尖嘴，用极薄的层精确沉积。(FDM层的厚度范围从0.127 毫米至0.330毫米，取决于系统。)

　　打印头在XY坐标协同移动，如同一台两坐标的数控机床，成型基座沿Z轴向下移动，这样模型在其支撑材料上自下而上成型。

　　3D打印的模型在与支撑材料(棕色)分离后完成

　　支撑材料(此页照片中的棕色部分)在制造模型时，支撑悬垂的部分，这就可以制造复杂模型 -- 甚至具有嵌套的结构和含有多部件的装配 –都能 被3D打印出来。当打印作业完成后，除去支撑材料，模型就制造完成了。如果需要的话，可以用油漆或其他流程完成最终的成品。

　　有些3D打印机足够小，非常精致，可以作为部门，甚至个人隔间内的办公设备。比较而言，大型快速的原型系统通常位于公司的中心，由一个专家团队管理运营。非常便宜的3D打印机可以作为家用电器设备，现在已经投入市场，可为业余爱好者尝鲜。这些机器非常迷人，不乏爱好者，但有别于专业的设备，制成的模型颗粒度较大，尺寸不够精准，材料不够稳定，比较缺乏耐久性。

　　经济性和易用性确保了市场不断增长的趋势，也为众多的设计师和工程师带来了专业的3D打印技术。在数小时里把一张CAD图纸变成一个真正的三维实体，这种期望正在改变企业对待设计过程的观念。因为这个过程可以更快，更有效，成本更低。

　　使用3D打印加快设计过程

　　在设计阶段，产品停留的时间越长，进入市场的时间也越晚，这意味着公司丢失了潜在利润。到市场时间的考量，被认为是2008年产品设计和开发者所面临的最重要的常见问题。据调查，原型本身的延迟耽误了17%的新产品发布。

　　随着将新产品迅速推向市场，会带来越来越多的压力，在概念设计阶段，公司就需要做出快速而准确的决定。材料选择、制造工艺和设计水平，这些决定会成为总体成本的大部分因素。通过加快产品的试制，3D打印技术可以优化设计流程，以获得最大的潜在收益。

　　例如，格里克(Graco)公司为特殊厂商制造专用的纹理喷漆设备。公司的工程师使用3D打印试验各种喷枪与喷嘴的组合，制造出具有完美喷射模式和喷射量的机器。由此推出的新纹理喷射枪就是基于ABS塑料用3D打印的功能原型。Graco公司的估计，3D打印技术帮助公司减少了高达75%的开发时间。

　　从闪亮的概念到成功的产品，这条道路上充满着艰辛。格雷格·史蒂文斯和詹姆斯·伯利在他们经常被引用的研究分析新产品开发“3000不成熟的想法= 1商业成功”的报告中说，一个成功的创新，也需要125个小项目、四个主要开发项目和1.7的商业产品发布。3D打印可以加快企业决定一个概念是否值得开发的过程。

　　3D打印与其他方法生成原型节省时间的比较

　　每一个例子都基于一个真正的客户实践。

　　虽然外包3D打印可能会在质量上与内部打印的3D模型相同，Graco公司的例子说明了在公司自己机器上投资的好处。在有限的时间里，能够有更快的反复过程，工程师可以更快地看到设计变化所产生的结果。内部3D打印可以消除由于外包服务而造成的各种推迟原因(如：运输延迟)。现在已有租赁系统服务，但公司最后会发现，在内部打印模型花的钱与外包的成本一样多。

　　用3D打印进行更有效设计

　　3D打印可以增加新产品成功的机会，因为有更全面的设计评估和迭代过程。

　　在南非的约翰内斯堡有家工业设计公司，设计师创新和测试一种新的水池清洗器电机，在低流量、有过滤器时工作的很好。高转矩电机的设计是使用办公室3D打印不断迭代优化的结果。在功能测试阶段，有30个3D打印原型，在全球各地的水池清洗中工作。其结果是为公司客户诞生一种新型水池清洗器。根据设计师的介绍，电机的创新离不开3D打印的贡献。

　　成功的产品设计需要对很多信息进行复审。设计团队内部的3D打印机，可以更早地利用他人提供的反馈对概念进行复审。与工程实施、市场营销和质量控制人员的有效合作可以使设计人员在整个设计过程中不断调整和测试。

　　在医疗系统，医疗设备设计师用3D打印原型测试想法，降低最终使用部件的数量。

　　用迭代优化的方法要有更快的周期，这是不延长设计过程的唯一方法。在航空航天、汽车、工业设计和教育领域的3D打印用户，当从传统方法转换成3D打印时，原型制作的速度提高了43%到96%。传统的成型方法包括：注塑成型、数控加工、金属加工和2D激光切割。在某些情况下，机加工车间需要的时间是导致原型制作放缓的重要因素。

　　3D打印经济性的趋势导致了有更多的分散设备，例如部门或单独的小隔间，加快设计周期的机会成倍增加。

　　更多原型迭代的优化设计过程，可使产品失败的风险降到最低。由于3D打印可以制造出很好特征细节和经受严格测试的模型，设计人员能够对自己的工作更有信心。此外，数据的完整性和安全性在竞争激烈的环境中是最重要的。与值得信赖的供应商共享机密的STL文件一般是安全的，而内部具有3D打印机，可以消除泄露知识产权的担心。

　　尽早进行需要的更改节省了时间和金钱。比起其他方法，3D打印模型可以给产品设计师和工程师，在设计过程的早期就有了透彻的理解，最大限度地减少风险，避免问题被忽视，而到发现已经为时已晚。

　　阿瑟斯特(Acist)医疗系统公司为心脏科医生和放射科医生设计和制造了对比注射设备。该公司在功能测试、固定装置和最终组件中使用了3D打印件。在复杂的组件中，工程师在加工零件、电路板和集成电路周围尽可能地使用3D打印的塑料部件。在显示单元部分，工程师把部件数量从15个减少至7个，因为3D打印的能力帮助评估复杂的几何形状。该公司还在客户设置、工作设计上的问题并结合实际客户的反馈意见测试3D打印的功能，然后再提交到大规模工具。

　　采用3D打印降低产品设计成本

　　一个专业3D打印系统的购置成本已经低至10,000美元，这可能会使知道3D制作系统价格的工程师和设计师大吃一惊。现在的年运行成本也比较低，部分原因是因为不需要专门设施和特殊专家使用3D打印机。租赁市场可以排除由于成本限制而不能购买3D打印机的障碍。其他考虑因素是打印机的维护和材料成本，这会根据使用条件的不同而异。对3D打印系统进行评估时，要考虑设施的要求、运行系统需要的专门知识、精确性、耐用性、模型的尺寸、可用的材料、速度，当然还有成本。

　　用户期望的应用将帮助用户选择最好的系统，但许多用户报告发现购置的3D打印系统与用途不符。例如，购买打印功能原型的系统可能更适合制造工具。

　　利普特隆(Leptron)是用于执法、军事和民用遥控直升机的开发商，工程师们使用3D打印机来设计、测试和制造一种微型侦查无人机-- RDASS 4。

　　RDASS 4具有8个模块化机身组件，不同组合后可用于不同用途。复杂无人机的设计和测试需要承受迫降，采用一种迭代的方法，其中有200个设计变更，包括结构加固和空气动力学改进。内部3D打印减少了RDASS 4中60%以上的注塑成型开发成本。此外， 3D打印的无人机已在市场有6个月的良好开端，该项目在商业上极有前途。

　　3D打印提供了在大量设计迭代中极具成本效益的方式，并在整个开发过程中的关键开始阶段能获得及时反馈。快速改进形状、配合和功能的能力大大减少了生产成本和上市时间。这为那些把3D打印作为设计过程一部分的公司，建立了一个独有的竞争优势。

　　低成本将继续扩大3D打印的市场，特别是在中小型企业和学校。 这些打印机的速度、一致性、精确性和低成本将帮助企业缩短产品进入市场的时间，保持竞争优势。