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耗材决定能力边界——3D打印技术原理

3D打印技术在原理上并不复杂。与传统制造业在材料上做减法不同,它奉行的是加法守则。要打印一个东西,你首先要有一张3D立体图,配套的软件会把这张图上的物体进行一系列数字切片,并将切片信息传送到打印机,打印喷头立刻启动,根据切片信息,一层层极薄地堆叠出立体物件。

在这一核心“秘笈”指导下,不同打印机有不同的流派打法,而使用的“墨水”则是其中的关键。

在北京北五环外永丰科技园的北京计算中心,一台售价160万元人民币的Objet3D打印机,已经在这里服务一年有余。这台双缸洗衣机大小的银灰色打印机,使用光敏树脂耗材,这是一种遇紫外线照射会立刻变硬的特殊材料,另外一种支撑材料也必不可少。在电脑的三维数据图像的控制下,打印机的六个喷头以16微米的厚度,一层层喷出液态材料,物体的部分使用光敏树脂,其余部分则喷出填充材料,每喷一层,就进行一次紫外线照射,液态材料随即变硬。

打印完成后,最初从打印机肚子里拿出的是一个立方体,需要再给它洗个澡,冲去填充材料,打印的东西就“水落石出”了。

Stratasys公司使用的则是一种叫做“熔积成型”的技术,整个流程是将一根粗的塑料绳,在喷头内熔化液体,一层层沉积塑料纤维成型。还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质,最常用的是石膏粉,粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层,然后由喷头喷出的液态粘合剂进行固化,或者用“激光烧结”,熔铸成指定形状。

耗材的扩展,决定了3D打印机的能力边界。

受到耗材的限制,3D打印最初的应用主要局限在样品制作。汽车零部件制造商或齿科医生在完成一个产品设计时,往往需要用一台3D打印机在几个小时内打印出其设计的产品,反复修改后再投入到规模化的生产线制造,这种样品制作方式相比传统的模型制作极大地节约了时间和材料成本。

随着可供打印使用的耗材的不断拓展,3D打印也逐渐具备了制作成品的可能。这是3D打印技术一个质的飞跃,这种变化在最近两年才逐步发生。2011年,钛合金和不锈钢材料的使用,使波音公司开始用这种技术直接打印飞机机翼,当然这种打印机的体型和价格都在另一个层级上。

目前,仅Objet一家公司已经可以使用14种基本材料并在此基础上混搭出107种材料,两种材料的混搭使用、上色也已经是现实。这些材料的价格便宜的几百块(人民币)一公斤,最贵的要4万元左右。

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