打印机发展历史.doc

从雕版印刷到活字印刷，人们在复制知识的道路上迈出了重要一步。文字不再是以“页”为单位，而是转化成了更小的单位“字”。 切斯特卡尔森在1938年发明了静电复印技术，20年后的施乐公司以此为基础开发出商用静电复印机，这可以算是今天激光打印机的鼻祖。在工作前，激光打印机的硒鼓表面会均匀地布上一层电荷。计算机发来的文字或图像会转化成激光束，照射到的电荷会流走，剩下的电荷在经过墨粉盒时会吸引极性相反的墨粉，再把这些墨粉压在带电的打印纸上。最后对纸张加热让墨粉溶化渗入纸张，一张打印件即告完成。 从发明第一台激光打印机到现在的三十年间，这种打印机从当年一组四个柜子组成、往往要用一个单独的房间来摆放的庞然大物变成了今天办公桌上的小盒子。虽然它一般不能打印彩色彩色激光打印机太过昂贵且受到严格控制但是这部分的市场缺口已经被喷墨打印机完美地填充好了。 早在1867年，英国物理学家开尔文男爵就申请了连续喷墨打印机的专利。但是他设想的连续式喷墨打印直到1951年才由西门子的工程师变成现实，到今天，连续式喷墨打印已经成为大型喷绘机的标准技术。在家庭中，则往往使用另外的两种喷墨技术：1978年，惠普和佳能公司的两个研究小组分别独立发明的按需喷墨打印技术。惠普公司的工程师约翰沃特用施加电流时会变形的压电材料覆盖在喷头上，通电就能从喷头里挤出一小滴墨水；而佳能的工程师远藤一郎从一件小事中得到了启发，开始考虑加热打印喷头的可能性。结果我们就有了两种不同原理的按需式喷墨打印机，而且直到今天还是这样。 今天的打印机成本已经低到可以自己在家制作书籍，如果方法得当，质量堪比印刷厂的产品。但是，打印机依然可以有更多的用途：比方说，打印一双拖鞋，或者一把牙刷。 在家中制造小产品是3D打印机的目标。这种可以看做由喷墨打印机脱胎而来的新型制造技术实际上已经有了二十年的历史，已经广泛用于工业设计领域。它可以被视为一系列平面喷墨打印的叠加，墨水喷头不仅能在平面上移动，还能上下运动。于是，在平面上打印一层，用某种方法把固定住，然后打印头升高一点，再打印下一层，周而复始，就可以获得立体的结构。当然，它使用的材料往往是粉末或者粘稠的液体，而把打印材料固化的方式则可能是加热、降温、紫外线，或者激光烧结。技术原理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。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。使用打印机就像打印一封信：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。堆叠薄层的形式有多种多样。有些3D打印机使用“喷墨”的方式。例如，一家名为Objet的以色列3D打印机公司使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质 喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来。另外一家总部位于美国明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一种叫做“熔积成型”的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，然后由喷出的液态粘合剂进行固化。它也可以使用一种叫做“激光烧结”的技术熔铸成指定形状。这也正是德国EOS公司在其叠加工艺制造机上使用的技术。而瑞士的Arcam公司则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒。以上提到的这些仅仅是许多成型方式中的一部分。当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时，介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支 撑物便可形成孔隙。如今可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另 一头柔软。工作步骤3D打印机工作步骤是这样的：先通过计算机建模软件建模，如果你有现成的模型也可以，比如动物模型、人物、或者微缩建筑等等。然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中，进行打印设置后，打印机就可以把它们打印出来，其工作结构分解图如下。3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的，打印原理是一样的。3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型，然后再进行打印输出。3D打印与激光成型技术一样，采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。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。打印过程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。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。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。 用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。制作完成三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），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。有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。3D打印技术对比 3D打印技术实际上是一系列快速原型成型技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。目前市场上的快速成型技术分为3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术等。 3DP技术：采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术，通过将液态连结体铺放在粉末薄层上，以打印横截面数据的方式逐层创建各部件，创建三维实体模型，采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上，模型样品所传递的信息较大。 FDM熔融层积成型技术：FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，直至形成整个实体造型。其成型材料种类多，成型件强度高、精度较高，主要适用于成型小塑料件。 SLA立体平版印刷技术：SLA立体平版印刷技术以光敏树脂为原料，通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。该方法成型速度快，自动化程度高，可成形任意复杂形状，尺寸精度高，主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。 SLS选区激光烧结技术：SLA立体平版印刷技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该方法制造工艺简单，材料选择范围广，成本较低，成型速度快，主要应用于铸造业直接制作快速模具。 DLP激光成型技术：DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。 UV紫外线成型技术：UV紫外线成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似类似，不同的是它利用UV紫外线照射液态光敏树脂，一层一层由下而上堆栈成型，成型的过程中没有噪音产生，在同类技术中成型的精度最高，通常应用于精度要求高的珠宝和手机外壳等行业。 编注：从各3D打印技术的原理、3D打印设备体积及3D打印成本来看，对于个人消费者来说采用FDM熔融层积成型技术的设备是整体成本最低且占用空间最小的，因此我们可以看到目前市面上面向普通消费者销售的3D打印机都是基于FDM熔融层积成型技术的。我们本次测试的闪铸Adventurer3D打印机就是基于该技术的。3D打印，克隆一个你想要的真实的物体 什么是3D打印？举个简单的实例。假如你在虚拟游戏中看到一个喜欢的人物或者宠物，而你又没有办法得到他，如果你有他的三维模型，那么3D打印机可以帮助你实现梦想，给你打印一个与你提供的模型完全一样的人物或者宠物，这就是3D打印机。 3D打印机又叫三维立体打印机，也可以称之为快速成型机，它是用液体或粉状塑料制造物品，能制造从牙刷到凉鞋等许多家庭用品。目前3D打印机在建筑设计、食品制作、微型模型、复杂结构、零配件、趣味模型等领域都已经有了一定的应用。 使用3D打印机，正在打印星战尤达大师模型，可以到达99.9999%的准确度 3D打印原看似复杂，其实很简单 看了很多3D打印的视频和模型，你会被它神奇的克隆能力惊呆了，这太神奇了，完全是神奇的克隆机器嘛。这样的高科技到底是怎么工作的呢？ 说起它的原理，它一点都不复杂，其运作原理和传统打印机工作原理基本相同，也是用喷头一点点“磨”出来的。只不过3D打印它的喷的不是墨水，而是液体或粉末等“打印材料”，利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。 下面我们就以Makerbot公司（这家公司的创始人之一Bre Pettis，曾经是一名普普通通的教师）的3D打印机为例来讲讲3D打印是怎么工作的。Makerbot公司的3D打印机 它的工作这样的。使用CAD软件来创建物品，如果你有现成的模型也可以，比如动物模型、人物、或者微缩建筑等等。然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中，进行打印设置后，打印机就可以把它们打印出来，其工作结构分解图如下。3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的，打印原理是一样的。3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型，然后在进行打印输出。3D打印机的结构解剖和工作原理图 3D打印与激光成型技术一样，采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。 3D打印原理图与实际工作画面截图，它是由无数个横切面一层一层叠加起来的 TIPS:3D打印与普通打印机的区别 无论是3D打印机还是传统打印机，都称为打印机，工作原理基本相同。它们最大的差别就在于耗材不同，普通打印机的耗材是由传统的墨水和纸张组成的，而3D打印机主要是由胶水和粉末组成的，都是经过特殊处理的材料，但是对固化反应速度和模型强度以及分辨率都有很大关系。 3D打印的精度是控制的？ 3D打印机要打印出逼真的3D物体，其中的最重要的是对物体的精度控制，比如细到发丝和纤维的打印。这是怎么做的呢？根据前面讲述的3D打印原理，我们知道3D打印是一层一层进行的。每打一层的厚度0.01毫米，这个厚度基本上人的肉眼很难看出。而且在每层的横切面，3D打印技术能够实现600dpi分辨率（dpi单位代表每英寸所打印的点数或线数，用来表示打印机打印分辨率），这是很高的精度了。我们知道高质量的印刷打印，一般要求是300dpi，这样的精度，即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。所以3D打印机在生产应用方面存在着巨大的潜力，并在珠宝首饰、工业设计、建筑、汽车、航天、医学高领域得到了广泛的应用。 3D打印机几乎可以打印任何复杂的造型3D打印头骨雕像 目前3D打印精度最高的是ProJet UV紫外线成型技术，也是UV紫外线照射液态光敏树脂成型技术。利用UV紫外线照射液态光敏树脂，一层一层由下而上堆栈成型，原理与其他3D打印一样。高精度堆栈成型，无几何形状限制，降低大量的研发成本，缩短产品开发的时间。ProJet系统不需要特别的温湿度控制，成型的过程中也不会有噪音的产生。 3D System公司使用UV紫外线照射液态光敏树脂成型技术开发了ProJet产品系列 延伸阅读：什么是dpi？它和精度有什么关系？ dpi表示分辨率,指每英寸长度上的点数。dpi又可细分为水平分辨率和垂直分辨率,例如一张1英寸1英寸的图片,如果它的水平分辨率是100 dpi,垂直分辨率是50 dpi,那么就是说,它水平每英寸分成100小段,垂直每英寸分成50小段,就像米尺上的一格格那样.这张图总共有10050=5000个格子,这张图片共有5000像素。由于它的水平分辨率和垂直分辨率不相等,所以每个像素是一个微小的长方形。所以dpi表示每英寸长度上的像数数目,其实就是：每英寸长度上的点数“了。每个像素的面积大小由生产工艺决定,工艺越高,每个像素面积越小,每平方英寸屏幕上就能容纳更多的像素,dpi值就越高,图像就越精细,像素小到人眼分辨不出的地步了,图像看起来就跟实际的没有分别了。 下期预告：无所不能的3D打印3D的材料揭秘 3D打印能干什么？从我们吃的食品，穿的衣服、鞋子，坐的汽车，甚至我们的皮肤及人体心脏血管等，3D打印几乎无所不能。这些不同的产品，他们使用的材料是什么？有什么区别？下期我们对3D打印的材质揭秘。 延伸阅读：世界上最小的3D打印机 3D打印机很神奇，由于产品和打印的材料还比较昂贵，目前的应用只在工业、建筑、医学等高端领域。对我们普通消费者来说，最关心的问题是，它到底离我们民用普及还有多远呢？下面我们就来看一台世界最小的3D打印机，或许让大家看到了它的普及并不遥远。 这是维也纳大学的研发小组只花费了1200欧元(约1.1万元人民币)就组装出了这台打印机，由于他们完美的设计，成本被大大降低，打印机大小也比预计的要小得多。 它的外形只有牛奶盒大小(当然我们说的是大盒装的)，重量仅有3.3磅(约1.5公斤)，是世界上最小的3D打印机。世界上最小的3D打印机 这款3D打印机采用了“添加剂制造技术”，其工作原理就是：将合成树脂在受到光线照射时会发生硬化。打印机制造所需的物品时，LED灯亮起，将强烈的光线射入缸中，之后树脂便会凝固成型，接着再往该层上加入新的树脂并照射，这样一层又一层的堆积后，设计的物体就出炉了。用世界上最小3D打印机实现的物品“一夜成名”的校办企业 在史玉升的团队中，蔡道生负责市场化方面的工作，曾担任滨湖机电总经理；尽管他表示正逐渐从公司“淡出”，但目前仍负责这里的日常工作。去年8月，本报曾在3D打印生存记一文中介绍了他的故事；在此之后，史玉升和他又不断接到采访请求：“打电话来的很多，北京的、上海的都有，目前这个东西太热了。” 公司的厂房面积不大，外间摆放着两台即将出售的3D打印机成品，里面的车间则有几台刚刚生产出的打印机正在进行打印测试。厂房的另一侧是办公室和会议室，在这里可以看到一些打印的成品。与记者此前接触过的桌面3D打印机打印出的物品相比，这些由工业级设备打印出的产品外表更光滑、边缘更细腻。 滨湖机电生产基于FDM（熔融层积成型）、SLA（光固化）、SLS（选择性激光烧结）等各种技术的工业级3D打印机。据蔡道生介绍，迄今为止公司已在国内外拥有200多家客户，出售了数百台3D打印机，售价在几十万元至上百万元不等，“铸造行业用得比较多”。他表示，滨湖机电的产品售价约为国外同档次产品的四分之一，“实际使用的成本更低，维护更方便。” 而在众多技术中，华中科大的团队主攻并赖以成名的是SLS，这也是蔡道生本人的研究方向。目前滨湖机电已经研发出了世界上最大的SLS打印机，可打印1.4*1.4*1.4米的物体。蔡道生称他们的产品主要基于自主研发：“国外的东西我们只是通过论文进行一些了解，样机只能看到一些表面的结构，可以说所有的东西都是我们自己做的。”对于几种技术之间的差异，他从应用及市场的角度向记者作了介绍：“SLA（的材料）是液态的，不存在颗粒的东西，因此可以做得很精细；不过它的材料要比SLS贵很多，至少在国内是这样，所以它目前主要用于打印薄壁的、精度要求较高的零件。” “FDM是传统的快速成型技术，批量化生产之后成本可以做得很低，如果它的材料成本能进一步降低，还是有一定的优势的；它最大的缺点是速度慢，因为它的喷头是机械的；此外它还需要浪费材料来做支撑。” “SLS在市场上采用得比较多，因为它和工业结合的很紧密，而且使用的材料最广泛，理论上讲几乎所有的粉末材料几乎都可以打。像铸造行业对精度要求没那么高，SLS打印出来的精度足够了。” 方向不明，中美差距或被拉大 对于3D打印突然间备受关注，蔡道生并未流露出兴奋之情，反而显得忧心忡忡。“关注度高的好处是国家重视、经费多、企业敢使用了，以前很多企业还不敢用这个技术；坏处就是大家会一窝蜂地来做，却不知道下一步往哪里走。” 他预感，中国和美国在3D打印领域的差距会进一步拉大，“三年时间，可能中国就全面落后了，国外的新产品会很有竞争力，而国内那时可能还做不出同类的东西。” 与美国由3D Systems和Stratasys等龙头企业主导不同，中国的3D打印行业目是由清华大学、西安交大、华中科大等高校及校办企业主导。在蔡道生看来，正是这样的产业体系限制了3D打印在中国的发展。“就我了解，国内主流的3D打印专家、学术权威都没有认清方向，资源却掌握在他们手里。” 在学校和企业都有着多年工作经验的蔡道生进一步表示， 3D打印是一个由市场主导的行业，高校不应该成为产业核心：“由国内的大企业来做更合适，学校只能做局部的研究，因为一旦涉及到整体的3D打印设备，就要考虑市场的需求了。实际上，一些实实在在做事的民间企业，甚至是很小的企业，如果有研发队伍，反而能够把把握好方向。” 在这样的大环境下，滨湖机电的发展也受到了一些制约，蔡道生自己感到有些无奈：“如果完全由纯企业来做，是很有生命力的，问题目前和学校结合得非常紧密，我们两边都得考虑。”低成本、高效率是未来趋势 在一些关于3D打印的报道中，几乎一切物体都可以使用该技术生产。但在蔡道生看来，实际生活中很多物品并不需要用到3D打印。“（制作）一些奇形怪状的、体现自己想法的、有纪念意义的东西，只做几件，最好的方法是3D打印，找不到其他的方法。但一个烟灰缸，你去买只要10块钱，用3D打印可能要几百块，这样的东西就不适合用3D打印。” 除了成本，打印速度也是制约3D打印应用的一个重要因素。SLS技术已能够打印金属粉末，但设备与材料成本都较高，并且需要耗费很长的时间，“打塑料要10个小时，打金属就要100个小时。” 他接触过的部分客户对于成本并不敏感，但对效率要求较高，而他则会如实向客户介绍3D打印的应用范围和存在问题。“市场人员应该告诉客户它是做什么用的，适不适合对方的业务；有些企业和代理商只管卖出去就行，不说缺点，从长远来讲这是不负责任的，一些用户买了后发现上当了，以后就再不买了。” 尽管滨湖机电关注的重点仍是工业级产品，但蔡道生相信3D打印终将走向普通用户，不过未来的家用3D打印机会与当下的产品完全不同。“目前几千元的3D打印机只是让人们了解3D打印，绝对不是以后的主打产品，它们的致命缺点就是速度慢、材料消耗较多。”他认为，未来3D打印的发展趋势是设备成本低、材料消耗少、速度快，而且随着设计软件的日益简单、普及化，“你自己有想法马上就可以做出来”。“攒”3D打印机的人 在3D打印被热炒的过程中，前连线杂志主编、撰写过长尾理论、免费等著作的科技作家克里斯安德森离职创业、加入3D打印大军是标志性事件之一。而他的新书创客：新工业革命则让许多关注3D打印的人开始了解“创客”。创客文化走入中国 创客指的是用基于技术的DIY方式来实现自己想法的一类人，他们大多都信奉开源文化，以“创客空间”（Hackerspace）为“据点”进行创作与思维碰撞。著名的移动刷卡器Square的原型便出自创客空间Techshop；在3D打印领域，从纽约创客空间诞生的Makerbot则引领着全球桌面3D打印机的浪潮。 随着互联网的普及，过去几年，创客文化也在中国大陆蔓延，如今北京、上海、成都等城市都有了自己的创客空间。去年四月，国内的创客们在北京举行了“创客嘉年华”，除形形色色的机器人外，由创客们亲手“攒”出的桌面3D打印机也是活动上的一大亮点。 1月30日晚，记者探访了北京创客空间的工作室。它位于中关村电脑卖场旁的一幢写字楼内，靠近电梯口的外间大屋被分隔成几个小的办公区域，分配给不同的项目，里侧的小屋则是一间完整的实验室。两间屋子之间的过道一角放着一个木制的机器人模型，头上顶着写有“创客空间”的牌子。 “有想法的时候就把它做出来” 王盛林的工作台位于大屋的最里侧，他的桌上摆放着一台桌面级3D打印机，“这是2009年做的，那时候还没有创客空间”。24的他是北京创客空间的创始人和负责人，脸上留着络腮胡子，身着一身运动装，散发着理想主义的气息，但说起话来却又不失稳重。 大学期间，他学的是金融专业，却做了很多与专业无关的事情：“做过服装设计、拍过电影，搞过增强现实和多点触摸桌就是100寸的iPad，在乌克兰教过书，去过全球30多个国家我做这些就是觉得很好玩，这是一种生活方式”。 在他看来，创客精神的核心是去实现自己的想法：“中国人有很多想法，可能就是因为没有时间、没有场地、没有同样的一群人去把这些想法实现出来。Square的想法肯定很多人都想过，但为什么都不去做呢？我觉得这是生活方式和文化习惯的问题，所以我就希望有个地方让大家慢慢接受这种生活方式，有想法的时候就把它做出来。” 这个王盛林口中的“公开的实验室”成立于2011年，在这里，创客们以会员形式加入，做着自己喜欢的项目；创客空间则除了提供场地，还能带来投资者、销售渠道等方面的资源。访问其官网可以看到，这里进行过和正在进行中的项目包括3D打印机、3D扫描仪、概念电脑、Android机器人、多点触摸桌、增强现实等；王盛林告诉记者，这里不时还会有移动互联网创业者前来“驻扎”，和创客们共同开发产品。 背景各不相同的创客们相互协作，并通过交流碰撞思想，产生了不少新奇的想法，也推动了项目的发展。王盛林举例说，他们正在开发的一个3D打印机便是受到了一位设计师的启发；而在项目的进行过程中，机械、电子、艺术设计、计算机等背景的员工都是不可缺少的，“有的项目还需要学历史、心理学、社会学的人”。 开源硬件助推个人3D打印机 据王盛林介绍，这里的3D打印机都是在Makerbot公司的开源图纸基础上改进完成的，“快则两个月，慢则半年”，再交由深圳的工厂生产。“Makerbot最初只有三个人，设计出的打印机也很不成型，但他们将图纸发到网上，供世界各地的创客们使用，而创客们也对他们的图纸做了很多改进，并将问题及更新汇总给Makerbot。” 在他看来，开源硬件对于个人打印机的发展起到了很大的推动作用，“它加速了进程，否则仅凭3个人不可能做出如此受欢迎的个人3D打印机，市场上将只有3D Systems那些大公司”。在使用Makerbot的图纸的同时，这里的创客们也提交了一些自己的改进方案，“这样大家就不会做很多重复的研究”。 与开源软件不同，开源硬件没有受到盈利问题的困扰：“牵涉到硬件，必须是去卖的，你不卖别人是没法获取的，所以它天生就具备商业模式。”王盛林透露，目前他们开发的3D打印机已经做出了约100台：“一部分拿去卖，一部分用来办活动，教人们怎么使用、维护3D打印机。”他们的3D打印机大多基于FDM技术，除了针对原型图纸进行优化，他们还力求降低成本；目前他们正在开发一台能打印金属的产品，并已经获得投资：“市场上要100万元以上，我们能做到几万元。” 一段时间的交流之后，记者跟随王盛林来到小屋参观他们刚刚开发完成的一台3D打印机。屋内凌乱地摆放着各种工具、零部件和图纸，两位创客正在紧张的忙碌着：“项目进行时，我们会7*24小时呆在这里。”一张桌子上摆着一台“个头”较高的3D打印机，其独特之处在于它的喷头被固定在三个可在垂直方向移动的吊臂上；在水平方向，三个吊臂可以将喷头移动到平面上的任何一个位置。“很酷吧？传统的3D打印机打直角比较好，打圆效果就差一点；它打圆的效果也很棒，而且速度很快。” 在王盛林看来，个人3D打印机是过去一年3D打印成为全球科技业焦点的重要因素；而在未来，消费级产品也是引爆这个行业的关键：“如果未来出现巨大的变革，肯定跟工业没多大关系，因为和工业有关系的已经出现了30年了；只有面向个人的才是新东西。”3D打印机结构分析 和通常我们见到的打印机一样，3D打印机也是由控制电路、驱动电路、数据处理电路、电源及输入输出模块这几个部分构成。我们在重庆大学自动化学院罗克韦尔实验室将闪铸Adventurer3D打印机拆解开来，对其主要元器件逐个进行分析。 从外观来看，采用FDM熔融层积成型技术面相的个人消费者的3D打印机的结构并不复杂，甚至有点简陋，不过也正是这样的原因才能够将3D打印机的价格从几万甚至几十万美元降低到几千元人民币。目前，消费级的3D打印机主要都由PC电源、主控电路、步进电机及控制电路、高温喷头和工件输出基板这几个部分组成，外面用木板来固定，采用非密闭式铸模平台。我们测试的这款闪铸Adventurer3D打印机相对比较高端，不仅能够通过USB连接线连接电脑进行打印控制，还能够插入储存有3D模型文件的SD卡，通过LCD打印控制界面来进行控制打印。 我们可以看到其核心是一块采用ATmega1280-16AU（16MHz）8位AVR微处理器的主电路板，通过这块主电路板将处理后的3D模型文件转换成X、Y、Z轴和喷头供料的步进电机数据，交给4个步进电机控制电路进行控制，然后让步进电机控制电路控制工件输出基板的X-Y平面移动、喷头的垂直移动和喷头供料的速度，比较精确地让高温喷头将原料（ABS塑料丝）融化后一层一层地喷在工件输出基板上，形成最终的实体模型。 从硬件结构上来说，闪铸Adventurer3D打印机并不复杂，成本也并不是太高，据重庆大学自动化学院副院长林景栋教授介绍其主控制电路成本也就100元左右，一套步进电机和控制电路的成本也在100元左右，可加热的工件输出基板和喷头成本也不是太高。在得知它配备的航嘉磐石355电源售价超过200元后，自动化学院的廖孝勇老师笑着对我们说，这个电源可能是这款打印机里面硬件成本最高的配件。工作中的闪铸Adventurer3D打印机，其X轴和Y轴采用皮带传动，Z轴为精度更高的螺杆传动，左侧的白色塑料丝就是3D打印的原材料原本直径为1.7mm的ABS塑料丝经过温度高达225的高温喷头，喷出直径为0.4mm的细丝步进电机控制高温喷头将融化后的ABS塑料丝喷在110输出基板上，将输出模型的底板固定，然后开始逐层打印闪铸Adventurer3D打印机由主电路板、4个步进电机控制电路板、1个喷头控制电路板构成主电路板采用标准的PC电源接口，所有步进电机控制电路板和喷头控制电路板所需的控制信号都由主电路板发出以ATmega1280-16AU8位AVR微处理器为核心的主电路板单芯片的步进电机控制电路，结构也非常简单实测3D打印机 我们通过一系列模型的实地打印来测试闪铸Adventurer3D打印机的打印效果、精细度、打印时间及工作噪音。首先打印的是结构非常简单的玩具小猪模型，然后打印结构和表面纹理略为复杂的冰激凌模型，最后打印结构和表面纹理相当复杂的雕塑。闪铸Adventurer3D打印机性能参数表特征定位精度0.02mm层厚0.10.5mm打印精度0.2mm垂直构建速度15cm3/h构建尺寸120mm120mm115mm材料材料种类ABSPLA细丝材料颜色12色材料规格直径1.7mm规格打印头数量1个最大温度控制260设备尺寸30cm30cm40cm设备重量8.5kg电源要求220V交流输入，功率350W打印文件格式STL文件操作系统WindowsXPVista7、Linux、MacOX 实际上，采用FDM熔融层积成型技术的3D打印机操作还是非常简单的，导入画好的3D模型（当然，现在网络上也有不少现成的模型文件提供下载），选择合适的大小比例，生成G代码后即可进行打印。由于闪铸Adventurer3D打印机喷头喷出的细丝直径在0.4mm，因此我们在生成G代码时设置层高为0.3mm（追求最高精度的话，可设置为0.1mm）设置不同的填充率进行打印测试。 从打印成品模型来看，打印出的产品和输入的3D模型的吻合度还是非常高的，基本上能够达到打印产品的目的。不过从打印的精细度来看，由于层高为0.3mm，各打印模型的精度并不是特别高，肉眼可见明显的分层，通过这款打印机打印出的模型只适合远观，而不可“亵玩”。对于这类打印机打印出的产品，我们还是建议在模型打印完成后对边沿进行打磨，只有这样才能够进一步提高打印模型的外表面精度。 由于其打印速度为15cm3/h，因此填充率稍高的模型打印时间都会相当长，高度为6.7cm，填充率15的冰激凌打印时间为1小时5分，而高度为8cm，填充率为40的雕塑打印时间长达3小时28分，只有空心的模型玩具猪打印时间最短，22分钟即可打印完成。虽然从打印时间来看，耗时相当长，不过若要通过其他方式来构建模型花的时间可能更长，所以相对来说打印速度还是不错的。 由于闪铸Adventurer3D打印机拥有4个步进电机，采用的还是PC电源，因此其工作噪音相当大，单层打印时，工作噪音在65dB，而一旦喷头在Z轴方向开始移动，噪音就提升到80dB以上，还好Z轴方向的移动要待每一层打印完毕才会发生，否则光是打印噪音就能让用户崩溃。 另外，由于闪铸Adventurer3D打印机采用的时单喷头，无法喷出支撑料，因此在打印某些缺乏支撑的部分会出现镂空或形变，也就是说对于这类打印机来说，并不是什么形状的模型都能够打印的。如果需要打印有缺乏支撑部分的模型必须要使用双喷头的3D打印机，一个喷头喷出铸模材料，而另一个喷头则喷出可溶性的支撑料，再打印结束后，通过溶解液将支撑料溶解，才能得到最终的模型。打印开始前，生成G代码时可选择层高、填充率和进给速度，通过调整这些参数能够部分提高打印精度。高度为8cm的雕塑，预计打印时间长达3小时20分，实际打印时间为3小时28分打印模型前，首先需要打印模型的底板，以保证模型能够稳稳地粘在基板上，否则会因为模型移动而导致大印失败打印完成后，基板会移动到打印机边沿，待基板冷却后模型即可取下打印作品分析实际打印作品空心的玩具猪模型，由于填充率较小，内部缺乏支撑，玩具猪的头部不能封闭，有多个缺口填充率15的冰激凌模型，由于结构比较简单，打印精度要求不高，“蛋筒”部分的菱形纹路和上半部冰激凌的螺旋状层叠比较清楚填充率40的人像雕塑，外观和和模型文件基本吻合，不过由于层高为0.3mm，精细度明显不够，只有通过后期的打磨才能让它的表面变得光滑立体的“电脑报”三个字算是打印难度较低的模型，精度要求也并不太高，打印效果还是相当不错的工业级3D打印机打印作品整体结构相当复杂的模型，必须加注支撑料，否则各悬空部分均无法完成，从打印精度来看，其精细程度明显超过我们测试的闪铸Adventurer3D打印机这种消费级3D打印机整体结构非常复杂的模型，需要大量的支撑料，而且对精度要求极高，从实际效果来看，这至少是数十万元级的工业级3D打印机打印出来的产品，目前个人用的消费级3D打印机完全无法打印这类模型工程师总结王宇消费级3D打印未成熟 从我们测试闪铸Adventurer3D打印机这款消费级3D打印机来看，这类3D打印机打印能够打印外形不是特别复杂的模型，但耗时较长，模型精细化程度相对较低，只能满足部分个人设计师和模型爱好者的使用需求，并不能真正达到精细化制造的水平。当然，其售价不高，打印耗材的成本也比较低，打印模型还是比较方便的，如果对模型的精度要求不高，或者有能力通过后期的手工打磨来提升模型精度，那么这样的消费级3D打印机不失为一个选择。对于动手能力不强的普通用户来说，由于并不具备购买工业级高精度3D打印机的条件，要想获得高精度的打印模型，要么付费让专业的3D打印机构帮你打印模型，要么等待技术的发展带来成本更低，精度更高的消费级3D打印机。3D打印带来的制造业革命还很遥远 3D打印机从上个世纪80年代发展到今天，走过了20多年，目前的技术确实能够实现高精度的3D打印，不过对于这种大众梦想中的高精度打印来说，设备成本和材料的成本非常高，远远超出了个人用户能够承受的范围。所以，即便我们看到有人通过3D打印机制造了枪支（还用不了多久），有人通过3D打印机打出了汽车，但那至少是通过DLP激光成型技术或UV紫外线成型技术来实现了，而这种技术还不是个人用户玩得起的。 从3D打印技术的前景来看，3D打印确实有非常好的应用前景，我们甚至看到有科学家在尝试通过3D打印机复制皮肤和血管组织来修复人体创伤，不过对于普通用户和制造业来说，3D打印的大规模产业化时机还没有成熟。虽然现在航空业和汽车制造业在部分地采用3D打印技术，但其成本依然居高不下，还不能一统制造业的“江湖”。 传闻中3D打印带来的制造业革命，离我们还有相当长的一段距离。秀出你的3D打印梦想 8月24日，我们在微博上开展了“秀出你的3D打印梦想，电脑报帮你实现”的活动，一周来我们收到了200多个打印梦想，由于技术和设备精度有限，很抱歉我们不能满足所有读者的心愿，下面我们将部分读者的3D打印梦想展示出来，随机抽取的3名“梦想成真”的读者名单我们将在微博上公布，敬请留意。读者易燃易爆易碎品说：“打印我错过的电脑报。”多么忠实的读者啊，不过按电脑报的体积来看，再加上需要先打印固定在基板上的底板，为了让我们的读者看清楚，还得打印立体的字，估计一份电脑报得打个把月，而且打出来的“纸”和“文字”都是白色的，貌似你还是购买我们的合订本靠谱一点。读者温熙霖说：“我想打印一个水晶工艺品（其实我还没想好要什么工艺品）。”这个我们的打印原料是ABS塑料，你想多了，要不然我们打印的雕塑送给你行不？读者Snow闪狐说：“打印一个床上电脑桌好吧，其实我更想打印一个别墅住进去。”从现有的设备来看，床上电脑桌只能打袖珍的，因为我们能打的尺寸最大为120mm120mm115mm，至于别墅，实心或半实心的大概也可以，同样因为尺寸问题，抱歉你没法住进去。读者TC小林子说：“要个什么呢？还是简单一点的，来一个马克杯吧！比较容易实现！”确实是很容易实现的，不过这个被子不是陶瓷的，是塑料的哟。读者微薄阳光2010说：“打印一个ATM取款机给媳妇。”巴掌大的可以吗？读者陈二恩说：“缺个枕套。你帮我打个枕套或者枕巾吧。要厚的哦。”可以，不过有点硬，不知道会不会硌到你的头？读者Touch_Pro_2说：“打印一堆3D打印机，然后卖掉，循环下去就是世界首富了。”子又生孙，孙又生子，子又有子，子又有孙，子子孙孙无穷匮也3D systems和Stratasys，在3D打印领域，两个不得不提的名字，它们争斗了近30年，它们的故事演绎着一个行业的发展轨迹。 3D systems和Stratasys这两家成立于上世纪80年代末的分别根据自己的3D打印技术专利推出了商业化的3D打印机，并通过不断创新和吸收新技术引领3D打印的发展。20多年来，两家公司在3D打印市场上持续上演着双雄争霸，直至今天也未分胜负。3D systems历史股价Stratasys历史股价发明家间的技术PK 3D Systems的创始人查尔斯胡尔（Charles W. Hull）称得上是一位发明家，现年73岁的他已经获得了60多项专利，其中最著名的当属为3D打印技术的普及铺平道路的“立体平板印刷（stereolithography）”。 1982年，在紫外线设备生产商UVP担任副总裁的胡尔试图将光学技术应用于快速成型领域。他尝试将一种可被紫外光固化的液态感光树脂放在一个大容器中，并在容器里放置一个可上下移动的升降平台，用来承载打印出的物体。升降平台最初与液体上表面平行，容器上方的紫外激光器射出的紫外线照射到液体表面指定的位置，将液体固话，即完成一层物体的打印；随后升降平台向下移动一层的高度通常是0.05-0.15毫米随后紫外激光器用同样的方法打印另一层物体；随着升降平台的不断下移，一层一层的物体被打印出来，并最终“累积”三维物体；从液体中将物体取出，并去除掉将其固定在升降平台上的支持物，便可以得到和在电脑中的CAD模型相同的真实物体。 胡尔的方法对于当时的快速成型工艺是一个巨大的突破。一方面，它加快了制造物品的速度，体积较小、构造相对简单的物品能在几小时内就可打印完成；另一方面，打印物品的体积也得到了提升，大多数立体平板印刷打印机能打出505060厘米的部件，有的机器则能打印出高达2米的物体。 1986年3月，胡尔为这项技术申请了专利，随后他从UVP离开，成立了3D Systems公司，致力于将该技术商业化。为了让机器能够更加精确地将CAD模型打印成实物，胡尔又研发了著名的STL文件格式。它将CAD模型进行三角化处理，用许多散乱无序的三角形的小平面来表示三维物体。如今它已是CAD/CAM系统接口文件格式的工业标准之一，甚至被许多竞争对手采用。 不过，立体平板印刷也有自己的缺陷。由于采用紫外光对物体进行固化，这项技术所使用的材料有一定的局限，而且无论是机器本身还是光固化材料都价格高昂，这使的基于该技术的快速成型与3D打印技术的普及速度受到了限制。与此同时，另一项同类技术的出现也对3D Systems公司造成了一定的冲击。 上世纪80年代中期，身为传感器制造商IDEA的联合创始人和销售副总裁的斯科特克伦普（Scott Crump）在测试产品的设计时遇到了难题通过CAD设计的模型很难被转化成真实的样品。为解决这一问题，克伦普决定采用添加制造技术设计一个能快速生产模型的机器。与立体平板印刷使用的光固化材料不同，克伦普