三维打印机范文（精选9篇）
三维打印机 第1篇
三维打印叠加制作技术, 是一种基于加成制造原理的自由成型技术, 而承载这种打印技术的终端设备, 就是我们常说的3D打印机。
起源于20世纪80年代后期的这项技术[1], 从本世纪初期开始, 它所属的不同类型的机种销售量正在逐年扩大, 价格也从原来的数十万美元到了现今的几百美元。随着今天三维打印技术的迅速发展, 它的各种机型的开发历程以及对社会的影响, 正逐渐进入到学术界的研究视野。
1 三维打印机的发展历程
三维打印机是实现三维打印成型技术的必备机电设备[2], 它是采用不同类型的喷头操控技术和材料配送方法, 使预计打印的物体按照计算机辅助三维制作软件的设计模型, 一层层地叠加于机体工作台上, 逐渐堆积成所设计的形体[4]。这项技术从问世以来就一直备受瞩目, 现根据三维打印机的三个研发时间段, 将它的各种类型进行发展历程上的分类 (如图1) 。
自从三维打印技术诞生伊始, 就出现了喷墨黏粉式三维打印机和熔融挤压式三维打印机, 这两种不同打印方式的三维打印机, 构成了最初传统型的三维打印机型[3,4,5]。步入新世纪以来, 各类特种型的三维打印机开始成为了新闻焦点和大众媒体的新宠, 在这之中包括压电喷墨式、气动式、电动式、电流体动力喷射式和混合式三维打印机以及它们所衍生的其它形式的三维打印机机种。目前正在发展中的普及型大众三维打印机, 已经开始在工业设计领域、商品检验试验环节、学校教学研究以及日常办公家用等方面崭露头角。
2 三维打印机的类型
2.1 传统型三维打印机
出现在20世纪90年代初期的传统型三维打印机, 包括喷墨黏粉式三维打印机和熔融挤压式三维打印机两种打印机种。
传统的喷墨黏粉式三维打印机, 一般采用可再分散性乳胶粉等水性热熔材料, 作为打印产品的黏结剂, 机体采用热泡式喷头或是压电式喷头, 喷头的工作原理如图2所示, 首先通过机体对打印喷头内的水性热熔材料加热, 然后机体喷腔内的材料所形成的气泡产生的压力, 迫使机体开始以5~12 m/s的速度喷撒液态黏粉, 并以叠加不断循环的方式逐层打印, 气泡消失后下降活塞, 水性热熔材料在10~20μs内补入喷头[7], 以至于最终完成打印的器物。
传统的喷墨黏粉式三维打印机的打印精确度偏低, 不能打印较大的器物。针对这些缺点, 熔融挤压式三维打印机略有提升, 这种三维打印机采用2个熔融挤压式喷头, 一个用于沉积打印支撑材料, 一个用于沉积打印成型材料, 机体利用辊轮式送丝并挤压喷吐材料, 这类机型同样属于研发型机种, 目前很多普及型小型桌面3D打印机都能够完成这类机种的工作。
2.2 特种型三维打印机
现今各类特种型的三维打印机成为三维技术备受瞩目的关键, 其中压电喷墨式三维打印机根据其所使用的压电喷头的逆压电效应分为容积式、拍击式和开关式三大种类。
气动式三维打印机利用调压装置与空气导管的操控将此类喷头分为气动活塞式、气动膜片式、气动雾化式、气动注射式、气动直驱式五大种类 (图1) ;电动式三维打印机根据其常采用的喷头类型分为电动微注射器式三维打印机和电磁阀控制式三维打印机两种大的类型 (图1) ;基于电流体动力学原理的电流体动力喷射式三维打印机, 简称喷射式三维打印机, 这种打印机近年来得到很大的发展, 并形成电喷印、电纺丝、电喷涂三种喷印方式 (表1) 。
近年来, 相关的三维打印机生产及研发单位为了扩大产品打印的空间, 大胆地将几种材料以及喷印形式不同的喷头混合使用, 构成了现在一些专业的科研企业出现的混合式三维打印机。
2.3 普及型三维打印机
自从20世纪末, 三维打印技术诞生之初, 一些从事三维打印机研发的单位, 就把推广三维打印机到千千万万的普通家庭确立为这项技术的主要研究方向之一。当传统型三维打印机开始崭露头角, 三维打印机小型化、简便化的理念就接踵而来[6]。普及型的三维打印机正是在这种研究理念下诞生的, 它多选用塑料喷印材料, 外型美观, 结构紧凑, 操作简便, 原料供应方便, 价格适中。非常适合在普通办公场所及家庭使用。但由于对打印器物的精确度以及打印时间的效率要求, 普及型三维打印机的三维打印成形件大多尺寸较小。这类打印机也俗称小型3D桌面打印机 (图3) 。
3 三维打印影响下的行业多维化趋势
3.1 三维打印对三维软件技术的整合
三维打印技术的普及离不开开放式的三维制作软件, 在三维打印软件技术应用领域, 许多小型3D桌面型打印机的操作系统已经开始与使用范围较广的三维制作软件进行技术上的整合。
器物数字化是实现三维打印的第一步, 从2012年三维打印技术引燃大众的热情开始, 许多大型三维软件开发商开始着手研制操作流程更加便捷的三维打印机配套操作平台, 此时的三维软件设计呈现出了一往无前的强烈发展趋势:组建CAD操作式服务平台, 简化软件复杂的任务流程, 可随时进行修改的结构以及外观指令, 强大的数据整理功能, 编辑和管理步骤更加灵活, 3D建模速度不断提升, 综合这些内容就构成了今天三维打印机软件发展设计的主流方向。更为关键的是, 在软件系统平台化的同时[10], 三维打印机硬件生产厂商开始与之整合, 从而不难判断出, 这无疑是新的三维打印软件诞生的开端。
3.2 三维打印对材料标准化的影响
三维打印材料的性能决定着三维打印机的使用范围, 就目前来说, 三维打印机推广的最大阻碍就是三维打印材料的开发速度。三维打印机根据其机型的种类大致将材料分为金属材料、塑胶材料、生物材料以及复合材料这四种类型;根据三维材料的外形主要分为粉状材料、线状材料、胶状材料三个大的种类。
三维打印技术的发展很大程度上受制于三维打印材料的性能[9], 目前从事专业的三维打印材料研制与开发的公司还不多, 材料的标准化程度也不高。相信在不久的将来, 针对三维打印材料的要求会越来越细, 材料的性能要求也会越来越高。
3.3 三维打印对工商行业的刺激
普及型的三维打印机自从开创了小型化、易用化、价格低廉化的先河之后, 三维打印技术的神秘面纱开始被世人所揭示。现今常见的小型3D桌面打印机一方面向着更加高精尖的专业领域方向发展, 一方面也向着购置成本与运行成本低廉化的目标前进。
根据现今三维技术研发和推广的速度, 不难想象普及型的三维打印机将会成为未来社区、公司、单位的必备器械, 一旦此愿景达成, 现今的社会工商业模式将受到从未有过的冲击。举例说明:根据三维打印机技术种类的分别以及不同的产品需求, 将消费者分配到不同的打印服务市场, 在这里, 如果消费者需要日常产品, 完全可以使用家用或社区专属的三维打印机完成制作, 如果消费者需要的是汽车零件或是其它不常用的产品, 则需要通过互联网使用更加精密的三维打印设备进行制造。这种需求层次造成了目前方兴未艾的三维打印技术已经带有煽动第三次工业革命新浪潮的趋势了。
4 结论
现今各类型的三维打印机, 已经非常适合制作各种生活及生产中使用的器物, 其制作出的器物结构及其器物自身的机械、电子、物理、化学及生物学特性, 也都在各类用户的实际生活生产的需求中得到了印证。
由于三维打印机显著的机体特性已经被社会所认可, 这同时也标示着科技创新的内在规律性[8]。相信在不久的将来, 三维打印的应用领域必将再次迅猛扩展, 直至进入每一户家庭。进一步巩固三维打印机技术发展的进程, 实现普及三维打印技术的加速推广, 是改变人类日常生活甚至是社会结构的一次重大工业革命的前奏。
摘要：介绍了三维打印的发展历程及各型三维打印机的性能特点。按照三维打印机的发展时段, 可分为传统型三维打印机、特种型三维打印机和普及型三维打印机这三种大的类型。由于三维打印机具备现代工业的技术特点, 在三维软件技术整合方面、三维打印材料标准化应用方面以及对传统行业的刺激等方面都呈现出显著的影响作用。
关键词：3D打印,三维打印机,机型种类,影响作用
参考文献
[1]刘欣灵.3D打印机及其工作原理[J].网络与信息, 2012 (2) :30.
[2]黄浩.3D打印的五个趋势[J].中国信息化, 2013 (2) :24-25.
[3]王雪莹.3D打印技术与产业发展及前景分析[J].中国高新技术企业, 2012 (26) :3-5.
[4]王瑞玲.3D打印机设计的初步分析[J].电子制作, 2013 (11) :28-29.
[5]王运赣, 王宣, 孙健.三维打印自由成形[M].北京:机械工业出版社, 2012:7-72.
[6]袁晓东, 孙建华, 金秋春, 等.双开门3D打印机:中国, ZL201320599338.4[P].2014-05-14.
[7]刘厚才, 莫健华, 刘海涛.三维打印快速成型技术及其应用[J].机械科学与技术, 2008, 27 (9) :1184-1186, 1190.
[8]张占仓.论创新驱动发展战略与青年人才的特殊作用[J].河南科学, 2014 (1) :88-93.
[9]Yang S F, Julian R.Adry powder jet printer for dispensing and combinatorial research[J].Powder Technology, 2004 (142) :219-222.
三维打印技术应用研究 第2篇
【关键词】三维打印；数字雕刻；计算机辅助设计与制造
一、什么是三维打印技术
三维打印机在过去通常又被称为“快速成型机”。它通过对电脑中三维软件的识别，进行STL（三角网格格式）转换，再结合切层软件确定摆放方位和切层路径，并进行切层工作和相关支撑材料的构造。最后使用喷头将固态的线型成型材料加热成半熔融状态之后挤出来，和支撑材料自下而上，一次一层的构铸成最终实体。它的工作步骤是这样的：使用CAD软件来创建物品，然后通过SD卡或者USB传输到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，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。它的工作步骤是这样的：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。
二、三维打印技术的工作方式
1..激光烧结法。使用大功率激光束把粉末加热到“烧结温度”，从而把它与基体烧结在一起。最终完成零件的成型过程。目前工业应用此法成型的材料有热塑料，聚合碳化物、尼龙、蜡等等。
2.喷射微粒法。使用喷咀，喷射出小熔滴，小熔滴射到基体上，冷却后就形成新的一层材料，如此一层层喷射，一层层增长，最终形成所需的形状。喷射微粒制造现在已有两家公司制造出了这种设备，美国的preceptionsystem Inc公司所生产的原型机，可以喷射蜡微滴，以制作精密蜡模。
3..三维喷射粘结法。此法综合了“选择性激光烧结”及“喷射微滴”这两种三维打印法的特点。微型喷头喷射粘有粘结剂的微粒到需要粘结的地方，逐层喷射直到整个零件坯完成为止。这样的零件坯还要在120℃的温度下热处理2h，取出后去掉未粘结的粉末，还要在1000～1500℃的温度下焙烧以保证零件达到足够的机械及耐热强度。这种方法是由美国麻省理工大学开发的，主要用于制造陶瓷铸模，铸芯（用于失蜡铸造）及多孔陶瓷坯（再用液态金属渗浸后形成金属陶瓷复合物零件）。
4.熔化沉积法。这种方法是通过XY控制的加热头来送出熔化的材料于基体或已固化的材料上，由于底层材料较冷，从而使熔化的材料沉积固化。这样逐层，逐带生成出所需要的零件。采用的材料可以是热塑性材料，也可以是金属带或丝。
三、三维打印技术的材料
1.金属粉末3DP快速成形。金属粉末三维打印成形的研究主要集中在成形工艺参数控制与优化、制件后处理强化工艺改进等方面，其目的是解决制件的精度和强度偏低问题。
2.陶瓷粉末3DP快速成形。新型陶瓷结构材料由于具有高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温等优异性能而被广泛使用，但是其本身硬而脆的特性使其普通加工成形异常困难。
3.型砂3DP快速铸型。目前铸造技术及设备的柔性相对较差，通常需要采用多种工艺流程，使用多种装置、工具、模具和夹具，需要一个较长的周期来制造铸型或零件原型。铸件的结构和尺寸的改变将会直接影响铸型的设计、制造、装配等长而复杂的工艺过程。随着高新技术的不断发展和市场需求的个性化和多样化，铸造企业必须掌握灵活性强、市场响应速度快、可小批量生产而不明显增加产品成本的砂型近净成形技术。因此，3DP快速成形工艺在铸造领域得到广泛的应用。
四、三维打印的应用领域
1.有助于设计成品的验证。三维打印技术，能在设计过程中将样件或模型制造出来，评审就一目了然，比图形更清楚，更直观。这样可在早期发现设计差错，避免由于设计差错而造成制造工艺装备的浪费。
2.有利于并行工程的应用。三维打印技术从CAD到CAM可以直接连线或通过简单的接口就能实现。各个生产部门和生产过程可以共享信息，并行进行。工艺规程和工序设计都降低到最小程度，不需要决定工序的先后次序及复杂的加工路线，从而为并行工程创造了最好条件。
3.模具制造领域的应用。与数控加工技术相比，三维打印技术能更快，更容易地设计并制造出各种复杂的模具，并大大提高生产效率和产品质量。
4.适合于小批量或复杂形状的工件生产。只要提供CAD模型，就可以制造出相应的原型，这种方法特别适合制造很小或很薄的零件。正是由于它具有这种快速、高效和多能的特点，这项技术才成为90年代人们关注的焦点，并正迅速得到发展。
【参考文献】
[1]杨继全，三维打印设计与制造科学出版社，2015年4月
三维打印技术及其在医疗领域的应用 第3篇
三维打印 (Three-Dimensional Printing, 3D打印) , 也称添加制造 (Additive Manufacturing, AM) , 是新兴的一种快速成型技术, 它采用分层加工、迭加成形等形式, 即通过逐层增加材料 (包括液体、粉材、线材或块材等) 来生成3D实体, 被认为是制造领域的一次重大突破, 也被众多国内外媒体和行内人士誉为“第三次工业革命的重要生产工具”[1]。20 世纪90 年代3D打印由美国麻省理工学院 (MIT) 首次发明, 过去常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型, 现不仅适用于传统制造领域, 而且还被成功地运用到了医学与生物医学工程中。随着技术的高速发展和研究的不断深入, 3D打印在珠宝、鞋类、建筑、工程和施工、汽车、航空航天、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域均有所应用[2,3,4]。本文拟对3D打印技术的原理、发展现状, 及其在医疗领域的应用等进行概述, 并对其前景进行前瞻性展望, 探究其中的热点问题。
1 3D打印的原理
3D打印以3D建模为前提, 综合了数字建模、机电控制、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的技术, 通过CAD等矢量建模软件将建立的3D模型进行分割, 即将模型分割成一层一层的薄片, 薄片的厚度一般为几十微米到几百微米不等[5]。软件完成分割工序后, 3D打印机即可进行喷墨打印, 在一层胶水一层粉末的交替下, 实体模型将会被粘结起来, “打印”完成后, 需要对打印的模型进行固化处理、剥离、打磨、钻孔、电镀等模型修整的后处理程序, 最终得到表面光滑的“高分辨率”的模型。
3D打印中的材料不仅限于砂型材料, 还有弹性伸缩、高性能复合、熔模铸造等其他材料[6,7]可供选择, 随着科学技术的发展, 现阶段的3D打印的材料逐渐扩展到金属、塑料、陶瓷、细胞组织和高分子聚合物等方面[8]。近期, 3D Systems公司发布了一种名为Accura Cast Pro的新材料, 该种材料可用于制作熔模铸造模型;同期, Solidscape公司也发布了一种可使蜡模铸造铸模更耐用的新型材料 —plus CAST ;Objet公司也发布了一种类ABS的数字材料以及一种名为Vero Clear的清晰透明材料。目前已能够在0.01 mm的单层厚度上实现600dpid精细分辨率, 即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印[9]。然而受打印原理的限制, 打印速度也相应有所降低, 目前较先进的产品可实现25 mm/h高度的垂直速率, 约为早期产品的10 倍, 而且可以利用有色胶水实现彩色打印, 色彩深度高达24 位[10]。
2 3D打印的发展现状
2.1 发展历程
早期的3D打印例子发生在20 世纪80 年代。1984 年Charles Hull研发了使用激光加热和合并树脂层创造一个三维物体的新方法[11]。时隔两年, 他取得专利并开发了3D系统, 同时开发出“立体光刻设备”, 被认为是有史以来第一台3D打印机, 3D打印技术也由此被称为“立体光刻”技术。1987 年, DTM公司 (现BF Goodrich公司的附属公司) 开发了选择性激光烧结技术[12], 并在1990 年代逐步实现商业化。
1995 年麻省理工学院创造了“三维打印”术语, 当时的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson修改了喷墨打印机方案, 把墨水挤压在纸张上的方案变为把约束溶剂挤压到粉末床的方案, 并申请了专利, 带动了现代3D打印企业Z公司 (Bredt和Anderson创立) 和Ex One公司的高速发展[13]。1996 年开始有更多的3D打印机投放进市场, 但只用于工业。2008 年Rep Rap3D打印机的销售实现了自我复制功能和免费软件许可证下载的功能。
2.2 发展现状
经过30 多年的发展, 3D打印技术有了迅猛且显著的发展, 从全球范围来看, 美国和欧洲纷纷制定发展战略, 投入资金, 加大研发力量并推进3D打印产业化[14]。作为全球3D打印技术和应用的领导者, 美国总统奥巴马在2012 年3 月9 日提出发展美国振兴制造业计划, 拨款3000 万美元, 在俄亥俄州建立国家3D打印制造业创新研究所 (NAMII) , 旨在复兴美国制造业, 并计划第一步投入5 亿美元用于3D打印, 以确保美国制造业不会继续转移到中国和印度, 确保未来的制造业就业岗位重新返回美国。除欧美外, 其他国家也在不断加强3D打印技术的研发及应用。2000 年底以色列的Object Geometries公司推出了基于3D Ink-Jet与光固化工艺的3D打印机Quadra[15];德国Nanoscribe Gmb H公司也于今年发布了一款迄今为止最高速的纳米级别微型3D打印机-Photonic Professional GT, 能制作纳米级别的微型结构, 以最高的分辨率, 打印出小于人发丝直径的三维物体;澳大利亚近期制定了金属3D打印技术路线;南非正在扶持基于激光的大型3D打印机器的开发;日本着力推动3D打印技术的推广应用[16]。
3 技术应用
据《Wohlers Report 2011》显示, 3D打印技术正逐步成为最有生命力的先进制造技术之一, 全球3D打印技术产值在1988~2010 年间保持着26.2% 的年均增速, 2011 年3D打印产业的市场产值为17 亿美元, 预计到2016 年产业总产值将达到31 亿美元。如今3D打印技术的应用已经涉及到很多领域。
3.1 医疗领域
3.1.1 医疗领域的新技术
在医学上, 采用3D打印不仅可以解决普通手术和外科整形手术中[17,18,19,20]部位模型参照的问题, 而且还可以用实验室培养出来的细胞介质打印出一个真正的人体组织或人体器官, 或用糖物质混合物打印出一个完整的血管组织, 这些组织或器官不仅具有良好的弹性和人体相容性 (极大地减少排斥的可能性) , 还能够用于替换坏死的血管, 与人造器官结合。随着科学技术的进步, 科学工作者们纷纷对打印技术进行了改良, 如徐涛等将人类羊膜液衍生干细胞 (h AFSCs) 、犬平滑肌细胞 (d SMCs) 、牛主动脉内皮细胞 (b ECs) 分别与混合离子交联剂氯化钙 (Ca Cl2) 混合后, 加载到独立的墨盒并用修改后的热喷墨打印机打印[21]。这三种类型的细胞被逐层传递到位于打印机下的胶原海藻酸钠复合材料的预定位置。研究结果表明多细胞类型的三维异构构造通过交联剂在异质结构中可保持其活力和正常的增殖率、表型表达和生理功能, 且体内有足够的血管化生物打印的结构都可以存活并成为功能性组织, 由此开发出了一种用于制造多种类型细胞的复杂组织结构的通用方法。
组织工程技术有望解决器官移植的危机。然而, 组装血管化的3D软组织仍是一个巨大的挑战。Vladimir Mironov等定义的器官打印为3D活人体器官组织工程提供了一种解决方案[22]。器官打印包括三个连续步骤:预处理或器官“蓝图”的形成;处理或实际器官打印;后处理或器官的调节, 加速器官成熟。由此研制了打印凝胶剂、单细胞和细胞团块的细胞打印机, 通过层层依次放置固化的薄膜层的热可逆凝胶“打印纸”, 结合发育生物学与工程法创建了一种新的快速成型三维器官打印技术, 大大加快和优化了组织和器官的组装。
Makoto Nakamura等使用一个静电驱动喷墨系统, 将制备好的牛血管内皮细胞悬浮在培养基内, 使细胞悬液作为“墨水”喷到“磁盘”上, 通过显微观察, 发现每个喷射点的细胞的数量取决于细胞悬浮液的浓度和选择的喷射频率, 由此阐述了一种生物相容性喷墨头的使用方法与微喷处理活细胞的可行性调查[23], 这种活细胞的微观技术对组织工程学发展起到了促进作用。
激光打印基于激光诱导转移, 是一种生物材料或活细胞在定义良好的模式下产生的新型生物制造技术。在目前的研究中, 皮肤细胞线 (成纤维细胞/ 角质细胞) 和人骨髓间充质干细胞 (h MSC) 以其在人类皮肤再生和干细胞治疗领域有巨大的发展潜力而被用于激光打印实验。为评价激光诱导转移在细胞生存率、增值和凋亡活性的影响, Lothar Koch等对其进行了修改评估和统计, 实验证明:细胞在转移过程中皮肤细胞存活率为 (98%±1%) , 人骨髓间充质干细胞 (h MSC) 存活率为 (90%±10%) 。所有类型的细胞在激光诱导转移后仍保持其增殖能力, 且皮肤细胞和人骨髓间充质干细胞没有表现出细胞凋亡的增长或DNA的破碎。此外, 通过荧光激活细胞分选 (FACS) 分析证明人骨髓间充质干细胞 (h MSC) 可保持其细胞表型。此项研究还表明激光诱导转移是一个利用计算机把不同细胞拼接完好并定位得当的技术, 在未来体外生成的组织替代品中具有广阔的应用前景[24]。
3.1.2 3D打印在医疗领域临床应用实例
据英国《每日邮报》2012 年2 月6 日报道, 世界上首例由3D打印技术制作的人工下颌骨移植手术于当年6月在荷兰进行, 接受移植的病人是名患有骨髓炎的83 岁女性。术后她的恢复状况良好, 新的下颌骨并未影响她的语言表达和进食能力[25]。
Paulo Bartolo等研究人员首次用3D打印机打印出胚胎干细胞, 打印24 h后, 95% 以上细胞仍然存活, 打印过程未杀死细胞, 3 天后, 仍有超过89% 细胞存活[26];AS Levey等阐述了利用3D打印机“打印”活体肾脏技术[27];康奈尔大学的研究人员利用快速旋转的3D相机拍摄数名儿童现有耳朵的三维信息, 将其数据输入计算机, 再将模子中注入特殊的胶原蛋白凝胶, 3 个月后, 模子内出现一个具有柔韧性的人造外耳, 其功能和外表均与正常人耳相似[28];Kozakiewicz M等回顾性分析13 例 (13 只眼) 行三维眶底重建钛网植入手术的复合性眼眶骨折患者的临床资料, 证明三维眶底重建钛网具有良好的生物相容性, 采用三维眶底重建钛网治疗复合性眼眶骨折, 可有效恢复眼眶容积, 矫正眼球内陷和下移, 改善眼球运动[29,30,31];土耳其科学技术研究理事会的拉兹奥卢博士表示通过“快速原型设计和电脑辅助高速生产”项目, 从患者身上取出一块皮肤样本, 能够复制出人类皮肤的组织骨架, 及时治疗创伤部位, 且预计两年内能够实现临床运用[32]。
3.2 其他领域
英国研究人员2013 年4 月4 日在《科学》杂志上发表报告称, 他们利用特制3D打印机打印出了类似生物组织的材料, 其质地与大脑和脂肪组织相似, 可做出类似肌肉样活动的折叠动作, 且具备像神经元那样的通信网络结构, 可用于修复或增强衰竭的器官, 可避免一些用干细胞等方式制造活体组织而引发的问题;英国布里斯托“欧洲宇航英国分部”采用3D打印技术[33], 一次即打印出了车轮、链条、轴承等原来需要由多个零件组装而成的部件, 制造出了世界上第一辆3D打印自行车—“空气单车”, 开创了工业产品个性化定制的全新时代, 让工业产品的制造变得如同游戏一般简单;除此之外, 采用“逐层打印, 层层叠加”的3D打印技术, 还可以制造出具有特殊外型或复杂内部结构的药品, 从而控制药剂的释放过程[34], 让人体内的药物吸收过程更为合理。
如今3D打印技术日臻完善, 不仅可以打印大、小件物品, 还已冲击到传统的建筑[35]、考古、航空航天和环境保护等[36]行业。如2011 年3 月, materialse公司打印出一个微细的工厂模型, 植物燃气公司Linde AG的微缩工厂模型被完全逼真的打印制作出来;考古研究上可以通过立体扫描、粉末叠加来复原文物、修复残片;航空航天方面, 3D打印只需要更少的材料和步骤就能完全简化生产, 将产品推向市场, 降低生产成本;在环境保护上, 3D打印可通过缩减或消除复杂的批量生产零部件的供应链, 最终产品的碳排放量将会被进一步降低, 也可以减少生产过程中有毒化学物质的使用;时尚产业方面, 3D打印能满足越来越个性化、定制化的时尚产业, 使得设计师能更容易满足消费者的需求。更令人意想不到的是, 一位受美国太空总署 (NASA) 资助的美国工程师, 正在尝试设计3D食物打印机, 如果机器设计成功, 不仅能为长途太空提供食物, 在未来地球人类过多引发资源不足时, 也能直接印出食物喂饱大众。
4 发展趋势
3D打印虽然日新月异, 但是仍处于成长过程, 由于其生产成本过高, 可使用的材料的范围窄、品种少、精度和速度还有待提高等因素限制[37], 目前主要用于个性化的单件生产。根据目前的资料分析, 目前中国3D打印技术面临诸多挑战, 总体处于新兴技术的产业化初级阶段, 需与传统的制造技术形成互补, 共同推进制造业的产业化发展。未来3D打印必定是颠覆性技术, 美国哈佛商学院教授Clayton M. Christensen提出的颠覆式创新理论 (Clayton Christensen's Disruptive Innovation Theory) 表明, 3D打印已抓住市场的特殊需求, 进入边缘应用领域, 终将给工业生产和经济组织模式带来颠覆式的改变。
3D打印技术的应用迄今被局限于Niche Market (利基市场, 即高度专门化的需求市场) 和细分市场, 如医疗或模具。但根据Clayton M. Christensen的理论, 颠覆性技术会持续发展, 终将以“农村包围城市”的低成本满足较高端市场的需要[38]。尽管3D打印主要适用于小批量生产, 但是其打印的产品以更轻便、更坚固、定制化、直接组装成型等优点, 远远优于传统制造业产品, 即3D打印相对于传统制造方式的另一个颠覆性特征是:单台机器能创建各种完全不同的产品。不难想象, 未来的工厂可以用同一个车间的3D打印机既制造茶杯, 又制造汽车零部件和量身定制的医疗产品。
5 结语
先临三维打造3D打印全产业链 第4篇
挂牌时间：2014年7月
年度募资总额（万元）
2014年10500
2015年1870
2016年14570
先临三维（830978）是中国最早布局3D打印全产业链的公司，打通了从核心基础技术到3D打印设备产品，再到云平台和服务的所有环节。其拥有10多款自主的三维扫描与3D打印设备产品，包括桌面3D扫描仪、工业高精度3D扫描仪、桌面3D打印机、生物材料与细胞3D打印机和激光3D打印机等。
作为一家以技术为核心的公司，2013年至2015年，先临三维总计投入1亿元资金用于技术研发和收购。截至2015年底，公司共有已授权和申请中的专利45项。505名员工中，研发技术人员多达230人。
先临三维主要服务于三大领域。在工业制造领域，以提供区域专业3D打印服务中心综合解决方案为突破口，服务中心既服务于广大工业企业和“创客”，同时也带动工业三维扫描和3D打印设备的销售。在教学创意消费领域，其以学校3D打印创新教室为突破口，向学校提供3D打印创新教室综合解决方案，同时通过搭建3D数据网络云平台，带动家庭购买消费。在生物医疗领域，则提供齿科数字化综合解决方案及生物材料和细胞3D打印综合解决方案。
截至目前，先临三维已在杭州、南京、上海等地开设了三维数字化与3D打印服务中心，并正在建设更多的线下服务中心，以提供更贴近客户需求的服务模式。同时，公司也积极建设线上3D打印云平台（3D客网+3D造网），连接消费者、设计者、厂商和服务提供商。
随着前期研发成果的转化和商业模式的快速复制，先临三维自主核心技术产品增长较快，在工业、医疗和教育消费领域都实现了快速增长。2015年度，公司营业收入19026.49万元，同比增长64.81%；与此同时，随着生态系统的逐步建成和生态效应逐渐显现，同年毛利率提高4.61%至38.74%，归属母公司股东净利润达1183.03万元，同比增长90.40%。
三维打印机 第5篇
目前, 随着三维人脸重建系统的研究, 已经取得了许多的成果, 三维人脸系统建模采用有效的手段和方法, 可以通过激光扫描仪等获取人脸特征点, 从而实现人脸图像重建。通过立体摄像机、三维数字化仪等激光扫描设备获取人脸的几何形状数据, 可以实现较高的人脸建模, 人脸模型逼真, 能够满足某些场合的特殊需求, 但是在合成多个形态各异的人脸时, 必须对多个人脸进行扫描, 效率非常低。因此, 本文详细地分析单张正面照片信息, 采用基于ASM算法的脸部特征点识别算法, 重建三维人脸头像, 并且采用个性化、交互式编辑技术, 实现3D打印。
2 三维人脸重建及个性化打印系统功能分析
对三维人脸重建及个性化打印系统进行认真的分析可知, 其系统主要功能包括以下几个方面, 分别是基于ASM算法识别特征点、结合主动形状模型重构三维人脸、生成完整的头像三维模型、打印输出三维头像等四个部分, 具体内容及工作内容及流程如下所述。
2.1 基于ASM算法识别特征点
基于ASM算法可以有效地识别图像数据中人脸的特征点, 该功能模块主要包括两个关键阶段, 具体内容如下:第一个阶段是模型建立过程也就是对图像数据进行训练的过程, 在此阶段, 需要对对象形状进行手工标定, 虽然比较费时, 但是可以得到模型中各个参数的统计数据, 参数之间的相互关系也比较明确。第二阶段为图像拟合规程也就是对所给图像的匹配过程, 其匹配度是根据模型上点的局部灰度信息来确定的, 利用形状中每个点的局部纹理模型进行搜索, 是一个迭代、收敛的过程。当收敛至实际的对象形状上时, 也就达到了模型的最佳匹配。
2.2 重构三维人脸模型
根据基于ASM算法识别的特征点结果, 可以重构三维人脸模型。重构三维人脸模型也主要包括两节关键阶段, 具体内容如下:第一阶段为基于径向基函数的三维人脸重构。把三维模型坐标系统和利用二维照片中提取的特征点得到的特征点空间坐标系统统一起来, 然后对模型进行整体放缩, 使得两个坐标系统中模型具有相同的高度、宽度和深度。根据所有网格顶点的新位置, 经过径向基函数调整得到初步模型结果。第二阶段为对于得到的初步模型进行二次平滑。
2.3 个性化编辑三维头像模型
个性化编辑三维头像模型可以有效地基于已经重建的三维人脸模型, 使用数据库中已经设计好的各种头像模板, 采用用户、系统交互的模式, 个性化编辑三维头像模型, 生成完整的头像的模型。
2.4 打印三维头像模型
对于3D打印机输入文件格式问题, 我们可以把其他的3D格式转成stl格式就解决可以了, 例如可以下载一些转换软件来转换, 也可以使用该格式的3D软件保存为stl, 打印输出三维头像。
3 关键方法探讨
单照片三维头像建模及个性化打印系统采用主动形状模型识别人脸目标, 可以建立相关的模型, 并且可以在主动形状模型执行过程中设置不同的参数, 便于调节形状和姿态, 达到最优化人脸模型, 并且根据预先设计的头像中的构建, 根据用户交互方式, 个性化编辑头像模型, 生成完整的三维头像模型, 采用3D打印技术个性化打印3D模型。
3.1 单照片三维头像建模方法
本文在三维头像建模过程中, 人脸特征识别采用主动形状模型 (ASM) 方法。主动形状模型利用人机交互方式, 可以提取目标脸型的轮廓边界点的集合, 统计样本的模型, 同时根据训练样本建立局部灰度模型, 接着使用主成分分析方法, 获取模型变化的最优模式, 最后检测图像的形状模型, 以达到最佳匹配。ASM算法通常包括两个阶段, 模型训练和图像搜索。ASM模型可以定义一个能量函数, 通过调整能量模型参数, 最小化能量函数, 可以不断调整模型的初始形状, 从而匹配用户期望的形状。
3.2 个性化打印方法
随着打印技术的快速发展, 目前已经进入了3D打印时代。3D打印又被许多研究者称为添加制造技术、增材制造技术和增量制造技术。目前, 3D打印涉及的技术集成了很多种技术, 其主要包括CAD建模、接口软件设计、精密机械、激光打印、数控测量等, 3D打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一, 越来越受到工业界和投资界的关注。目前, 3D打印技术虽然得到了研究和使用, 但是依然没有厂商或者研究者将三维头像建模与3D打印技术相互结合, 利用单照片功能, 实现三维头像个性化打印。本文在三维头像建模过程中, 使用个性化交互模式编辑三维头像, 并且将编辑后的结果重新按照起来, 3D打印技术可以将其更加完美地应用到个性化打印过程中, 实现了技术突破, 并且能够具有很强的产业发展环境。
4 结束语
单照片三维头像建模与个性化打印系统开发实现过程中, 采用了先进的ASM算法, 该算法能够有效地、准确地识别人的脸部特征, 并且对其进行定位, 实现三维人脸重建。基于重建结果, 软件可以对三维人像进行个性化的编辑, 实现脸型、发型、皮肤和眼睛等添加和修饰, 并且连接3D打印机, 能够打印出个性化的三维头像。未来研究过程中, 将单照片三维头像建模与个性化打印系统进行产业化, 肯定能够创造更多的利润。
摘要：随着模型重建、3D打印技术的快速发展, 其已经在动画电影、游戏设计、虚拟现实、航空航天、医疗诊断等领域得到了广泛的普及和应用。本文详细地分析了三维人脸建模、打印的国内外研究现状, 归纳了前人的研究成果及存在的不足, 提出基于ASM算法实现人脸特征点和三维人脸模型重建, 使用数据库中已经设计的完整头像采用用户和系统交互, 个性化编辑三维头像模型, 生成一个完整的头像的模型。基于3D打印技术进行交互式、个性化编辑和打印, 具有重要的作用和意义。
关键词：人脸模型重建,ASM算法,特征点,3D打印
参考文献
[1]郭哲, 张艳宁, 林增刚.多信息融合的多姿态三维人脸面部五官标志点定位方法[J].计算机学报, 2012 (01) :163-172.
[2]韩玉峰, 王小林.一种基于改进的ASM的人脸特征点定位方法[J].计算机科学, 2013 (04) .
三维打印机 第6篇
AutoCAD作为一款绘图软件, 在各行各业中得到了广泛的应用。该软件具有完善的图形绘制和编辑功能, 可以采用多种方式进行二次开发或用户定制, 可以进行多种图形格式的转换, 具有较强的数据交换能力, 支持多种硬件设备, 支持多种操作平台等功能 , 具有通用性、易用性的特点。目前, 在高等院校的《机械制图》课程教学中, 几乎都含有一定学时的AutoCAD教学, 利用AutoCAD不仅可以绘制平面图形, 也可以进行三维实体的创建。在很多三维绘图软件中, 如solideWorks、SolideEdge、UG等都具有从三维实体生成二维图形的功能, AutoCAD软件同样也具有这样的功能。
1 基于AutoCAD实现三维实体到二维图形的打印输出
为了能说明清楚操作方法和步骤, 下面将以一实际任务为例来说明。具体要求如下:打开图1所示在AutoCAD中所创建的实体, 将其在布局中以多个视口打印输出, 打印效果为该实体的三视图和轴测图, 比例为1:1, 打印在A3图幅上, 如图2所示。操作步骤和技巧如下:
(1) 单击绘图区下方的标签【布局1】, 显示如图3所示。
(2) 在该视口细实线边框上单击, 选中该视口, 利用【删除】命令将该视口删除掉, 如图4所示。
(3) 对【布局1】进行页面设置, 使其对应图幅大小为A3。
选择菜单【文件】︱【页面设置管理器】命令, 在打开如图5所示【页面设置管理器】对话框, 选择【布局1】单击。
对话框中进行相应设置
单击【修改】按钮, 打开【页面设置-布局1】对话框, 选择打印机, 按照如图6所示设置打印区域、打印比例等。
单击【确定】按钮, 退出【页面设置-布局1】对话框, 单击【页面设置管理器】对话框下方的【关闭】按钮, 退出该对话框。
(4) 创建4个视口, 且为“布满”方式, 结果如图7所示。
(5) 将对应视口分别设置为主视、俯视、左视和西南等轴测。
将左上角视口设置为主视。①在左上角视口内双击, 使其成为一个浮动视口;②利用【主视】命令将左上角视口以主视显示。结果如图8所示。
用同样的方法将左下角视口设置为俯视, 右上角视口设置为左视, 右下角视口设置为西南等轴测, 结果如图9所示。
(6) 选择菜单【格式】︱【线型】命令, 打开【线型管理器】对话框, 加载Hidden线型, 如图10所示, 单击【确定】按钮, 退出该对话框。
注意:如果此时不加载hidden线型, 也可以在以后将PH开头图层的线型自己设为hidden或其它的虚线。
(7) 在各视口中分别创建轮廓。
将左上方视口置为当前浮动视口, 调用【轮廓】命令创建主视方向的轮廓。【轮廓】命令常用打开方法:
选择菜单【绘图】∣【建模】︱【设置】︱【轮廓】命令
命令行提示:
用同样方法, 在左下方视口中创建俯视轮廓, 在右上方视口中创建左视轮廓。
将右下方视口置为当前浮动视口, 利用【视图】命令把UCS变为与当前视图平行。
用1) 2) 同样方法运行【轮廓】命令, 在右下方视口中创建轴测轮廓。
在图幅外任意处双击鼠标左键, 即进入图纸空间。
(8) 关闭实体所在图层, 结果如图11所示。
(9) 选择主视、俯视、左视3个视口 (单击各视口的边框) , 然后执行【对象特性】命令, 在【特性】选项列表中修改【注释比例】、【标准比例】均为【1:1】, 【显示锁定】选择【是】, 结果如图12所示。
(10) 利用Ltscale命令修改线型比例因子为30, 从而使虚线能够正常显示出来, 结果如图13所示。
(11) 执行【图层特性管理器】命令, 在打开的【图层特性管理器】对话框, 如图14所示, 可以看到多出以“PH-***”和“PV-***”的格式命名的8个图层来, 其中PH开头的以hidden线型为图层线型, 这是虚线所在的图层, PV开头的是粗实线即轮廓线所在的图层。将PV开头的图层线宽设置为0.5mm。
(12) 关闭视口边框和轴测图虚线所在图层, 结果如图15所示。
(13) 将点画线所在图层置为当前层, 为各视图添加点画线, 结果如图16所示。
注意:
(1) 除给三视图添加点画线外, 如果还要继续为三视图添加尺寸, 只要设置好文字样式和尺寸样式, 按照在模型空间尺寸标注的方法操作即可, 如图17所示。
(2) 通过对实体创建轮廓所得到的各视图, 在模型空间中并不在一个平面上, 因此要为视图添加点画线和尺寸只能在图纸空间中进行。
2结束语
计算机辅助设计 (CAD) 技术自20世纪50年代问世以来, 至今已经广泛应用于工程设计和工程建设等各个领域。二维CAD系统对设计领域带来冲击, 在二维CAD环境下, 计算机系统能帮助设计者绘图, 减轻了设计者手工尺规绘图的负担。但是, 采用二维CAD设计绘图, 设计者头脑中首先要有完整、明确的产品构思, 才能在此基础上画出设计图样, 否则设计构思是表达不出来的。二维CAD环境下, 设计与表达方式也没有发生根本改变, 仍然是二维图样表达三维物体。随着计算机技术的飞速发展, 特别是三维设计软件的普及, 使三维实体设计受到了企业的欢迎, 越来越多的企业直接应用三维设计, 实现了机械产品设计方法的变革。传统的《机械制图》教学就是基于二维图形表达的, 这种方式必将随着设计方法的变革而变革, 开辟三维机械制图将成为发展的必然趋势。
摘要：从计算机绘图软件AutoCAD2008出发, 通过举例说明了如何利用AutoCAD实现三维实体到二维平面图形的打印输出, 旨在培养学生的三维建模和创新能力, 以及为开辟三维机械制图作铺垫。
关键词：机械制图,AutoCAD,三维实体,二维图形,打印输出
参考文献
三维打印机 第7篇
关键词：三维打印,制造技术,发展前景
一、什么是三维打印
三维打印又称3D打印, 是快速成型技术的统称最初是由Charles W.Hull发明, 他所发明的技术称之为SLA (立体平板印刷技术) 。称之为打印机是因为三维打印机借用了普通二维打印机的概念, 传统打印机用碳粉或墨水 (油性、水性) 等打印材料利用相应技术如静电通过喷嘴将其印制在不同介质上形成人们能够辨识的二维平面图案。而三维打印机侧突破了传统二维打印机只能在平面物质上进行打印的限制, 在垂直方向上将专用的打印材料一层一层堆积起来, 从而形成三维物品。
确切的说三维打印利用了分层制造的工艺思路, 例如以FDM (熔融沉积成型技术) 技术打印机来说, 在进行打印生产过程中打印机利用专用数据接口将事先制作的具有三维几何数据的STL文件按照其自身所携带的高度信息离散为打印机能够打印的二维分层数据单元, 并根据模型轮廓安排打印材料的具体配比, 之后通过喷嘴将融化了的丝状的热熔性材料其按照分层数据喷出, 经过不断地层层叠加在一起最终形成具有三维尺度的实体产物。
在现今流行的三维打印机除了FDM和SLA以外, 还有存在众多其他种类的打印技术, MIT推出的3DP技术 (3D打印技术) , 以外还陆续出现了SLS (选择性激光结烧技术) DLP激光成型技术UV紫外线成型技术等数十种打印技术。这些技术具有不同的特点和优势。而三维打印的也早已开始应用在很多行业中, 并且正在改变着我们的生活。
二、三维打印的优势
虽然现今打印机在打印速度, 打印尺寸等方面还有很大的发展余地, 但是三维打印具有无可匹敌的优势。
从生产原理来讲, 三维打印突破了以往传统制造业利用车床对材料进行的冼抛, 切削等工序的束缚而直接将产品整体制造出来, 这种加工方式能够加工以往无法生产的高难度部件。而且产品的物理性大大优于传统产品。
从性能来讲, 以第一代SLA技术打印机为例, 它能够以0.05-0.15MM的高度来打印液态感光树脂。2011年OBJET公司生产出具有最高仅有16μm打印层厚的打印机。而3D Systems则生产出具有在0.1MM厚度上雕刻出600DPI分辨率的机型, 并能够达到25mm的垂直打印速度以及24位色的彩色打印效果。
从生产难度上来说, 三维打印机更易于使用, 因为他与电脑直接连接, 所生产的物品就是软件中建立的模型, 因此传统生产过程中所需要的大量熟练工人在三维打印生产中则可以省略。
而且三维打印机非常灵活, 打印规模可大可小, 不仅仅适用于大规模工业化生产还适用于小型产品加工, 甚至在家庭环境中生产。MAKERBOT公司就推出了很多专为小型产品加工的家用三维打印机。
三、三维打印对于室内设计的应用价值
1.定制性
对于一个特定的室内空间来讲, 室内设计不仅仅要合理规划它的空间布置, 还要创造出独特的设计韵味, 这就需要使用相应的材料制作出符合空间功能与风格的造型。除了对室内空间进行基础的功能性装修以外, 也需要从后期家具、配饰等软装方面配合整体设计方案。因此说一个优秀的室内设计作品不仅仅是满足基本空间功能的需要更要从心理层面上满足人们的情感需求, 迎合人们创造属于自身独特审美风格的需求, 而这种需求是对每一个空间界面进行设计和一个个具体的装饰品来逐步构建完成的, 如果不能通过市场上已经存在的产品来满足那么就必须通过定制方式来完成。例如巴塞罗那椅便是密斯凡德罗为配合巴塞罗那世博会德国馆而专门设计的, 当椅子处于展馆空间中时, 简洁的直线条空间衬托出椅子本身优美的曲线感, 而其本身也为整个空间增加了装饰感与设计感, 因此与建筑之间相得益彰。
为了迎合种种定制需求, 现在的市场中已经存在着很多专门接受定制加工的生产厂商和销售商, 例如专门为某些餐饮酒店专门加工特殊尺寸的桌椅板凳或是为娱乐场所加工特别的墙面装饰造型, 也有按照客户提供的图案生产玻璃甚至壁纸等, 但是从目前看来这种定制生产还处在一个比较基础的层次上, 因为这些定制加工只能在已有的产品中进行简单的尺寸修改, 或简单改变表面材料的色彩或图案, 很少有能力生产具有全新造型的产品, 这一方面是因为加工工厂并不具备独立设计的能力, 但更深层的原因是很多特殊造型具有很高的艺术水准, 常常针对某一特殊空间专门设计的, 并不一定普遍适用。
以墙体界面来说, 如果设计师需要使用更加特别的手法来构建界面立体造型, 就需要定制特殊的装饰构件来实现。简单的造型可以聘请专业的技工在施工现场进行加工, 但如果有些造型无法现场加工则必须指定专门的加工工厂生产。由于客观因素的影响, 即便是现场加工的简单造型在施工过程中也会存在各种潜在问题, 这其中既有工人水平参差不齐, 对于施工工艺的掌握程度难以完美完成设计方案的可能, 也有受制于实际加工工艺无法表现出设计方案造型的可能性。对于复杂的造型, 即便专门委托加工工厂来生产, 也面临着加工造价过高的问题, 设计方和施工方往往付出大量时间以及经济成本得不偿失, 因此在很多情况下, 室内设计师是带着镣铐跳舞, 创意与实际施工问题之间的妥协从一定程度上始终阻碍着优秀的设计作品的诞生。
而三维打印技术的出现则大大降低了这方面的问题。由于三维打印从制造过程上完美解决了计算机虚拟模型与实体模型加工之间的鸿沟, 使得其所加工的产品从三维模型完成建模的那一刻起不需要人手的干预就能够自动生产出来。也就是说设计师只要能够建出计算机模型, 那么产品就能够产出来。虽然目前三维软件的种类繁多, 且学习三维软件的使用需要一定的技巧, 但三维软件毕竟是一个面向大众的工具, 很多非专业人士也能够掌握, 况且专业设计师普遍具有各类三维软件学习的经历, 因此人们不用花费太多精力便可以独立制作出所需的装饰造型甚至家具, 饰品。这对于设计师来说无疑是一件完美的工具。更有利的消息是目前三维打印机已经不仅仅局限于使用传统的塑料材质, 而是扩展到了更广阔的范围内, 例如木材, 陶瓷等等相当多的材料都已经成为三维打印机的打印材料。
2.使室内设计活动更加普及
传统的室内设计行为通常发生在专业设计师的身上, 因为室内设计师具有专业背景, 一般来说他们对于色彩、造型、空间、
礼品包装的绿色设计研究
尹丹 (四川工商职业技术学院设计艺术系四川都江堰611800)
摘要:现代社会的物质文明极大丰富, 人们在享受物质同时也在追求着精神上的不断满足, 人们通过礼品的馈赠来达成情感的沟通。礼品包装作为传递和承载人们情感的媒介, 起着举足轻重的作用。20世纪90年代, 崇尚自然、原始、健康的“绿色包装”观念开始深入人心。我们必须将绿色设计理念引入礼品包装设计中, 使其不仅能传情达意, 增强礼品的内涵, 体现馈赠文化, 还能成为包装领域里, 为绿色、为环保做出积极贡献的一分子。
关键词:礼品包装;绿色包装;材料;结构
引言
在当下, 无论是哪个设计领域都受到绿色设计思潮的冲击, 无论是设计师还是广大的消费群都已逐步认识到人与自然需要和谐的发展关系, 礼品包装作为包装行业里的特殊一分子, 也应有属于自己的社会责任, 我们必须顺应时代需求, 将绿色包装设计理念引入到我们的礼品包装设计中去。
随着人们对生态环境问题的关注, “发展绿色包装”, 搞好“环境保护”已成为世界各国政府和包装企业愈加重视的一个问题。礼品包装设计的发展方向也不例外地向“绿色包装”趋势发展, 这就客观要求礼品包装的设计需按照生态循环和保护环境的目的进行再设计。我们做这样的研究和分析, 有助于让礼品包装向更科学更健康的方向发展。
一、绿色包装设计的兴起
(一) 绿色包装设计的概念
绿色包装因为其特征是包装能够被重复使用或再生, 在整个生命周期对人类健康和生态环境都不会造成公害, 属于可持续发展的包装形式, 所以通常也被称为环保包装, 有些地方也将它称作环境之友或者无公害包装。它是以天然植物和有关矿物质为原料研制成的能被降解腐化的适度包装。
(二) 绿色包装设计的基本原则
绿色包装设计理念里包括保护环境和节约资源两方面的含义。保护环境是前提和核心, 也是最终目的。节约资源是方式方法, 资源被节约, 包装废弃物就能有效减少, 从而达到保护环境的目的。这两者之间相辅相成, 缺一不可。
研究绿色包装设计, 首先要了解绿色包装的基本原则, 国际上公认的3R、1D原则具有典型的绿色特征。
1. Reduce——实行包装减量化, 这是国际上发展绿色包装设计的首选措施。
绿色包装应纠正过大、过度的包装方法, 节省耗
灯光等方面具有独到的见解和深厚的设计经验。
但是我们也要看到, 虽然委托方没有独立设计的能力或相关资质, 但是设计行为是人类有意识的行为, 设计活动贯穿于人类的整个发展史, 人们对于美好的事物有天然的追求。因此设计行为不是设计师特有的技能而是人们普遍具有的能力。从历史上来看室内设计是画家, 艺术工作者, 设计师的专利, 这是因为他们具有专业的绘图技能和大量的设计机会实践自己的设计理念, 委托方需要他们帮助自己完成设计, 因此要求设计师提供尽可能符合真实状态的设计效果图以便能够更真切的体会到设计的整体方案。但是从表现手段来讲, 效果图只能通过某个角度来反映设计效果, 并不能全面反映设计的内容, 因此不论效果图制作的多么真实、漂亮, 总会让人无法直观感受到设计的总体方案。三维打印机的出现则从一定程度上避免了效果图不够直观的问题, 由于模型具有高度的直观性因此可以消解委托方和设计方对于设计方材, 有效使用包装空间,
2. Reuse, Recycle——可重复利用或回收再生。
产品用完, 包装能重复循环使用或能回收后制成再生制品。
3. Degradable——可降解腐化。
废弃的包装物最终不能使用或再生之后置于大自然中, 短期内业可以自行完全降解腐化, 养田沃土, 或者还可以通过焚烧, 让最终燃烧物融入土壤中改善土地质量, 达到再利用的目的, 对环境不造成任何污染。目前, 能利用生物或光来降解的包装材料受到多个国家的重视和追捧。
除了3R和1D原则, 绿色包装材料还应对人体和生物不会产生任何的毒害后果。世界各国对哪些产品的包装材料不能含有毒物质或有毒物质的含量的标准都作了相关的明确的规定。
产品包装具有从设计——选材——生产——销售——消费——抛弃的“生命历程”, 设计是第一步, 通过绿色包装设计提供设计理念和形式, 可延长包装的生命周期。现在“生命周期分析法 (Life Cycle Analysis) ”也是国际上流行的绿色包装评价原则。“生命周期分析法”对绿色包装设计提出了最高的要求, 即包装产品的整个周期包含原材料的提取、生产加工、运输、销售、使用、废弃、回收直至最终处理的全过程都不能对环境和人体造成污染。
二、礼品包装实现“绿色”理念设计
基于当下礼品包装的发展现状及存在的突出的“过度包装”的问题, 绿色包装的思潮也必须引入到礼品包装的设计领域里。让各种类型的礼品包装, 既能符合礼品的各种特征, 满足礼品包装的各种需求, 同时也能满足“绿色设计”需要, 认真思索可持续发展的问题, 积极响应国家节能减排要求, 贯彻环保低碳。
(一) 设计需符合礼品包装的需求
1.礼品包装的特征需求
礼品包装不同于其他普通包装的设计, 它有属于它的一些典型特征:
(1) 高档性
礼品不同于其他普通产品的地方在于它所需要承担的功能不同。高档的礼品选择既能体现赠送者的身份, 还能表现受赠者的尊贵和让受赠者感到被重视。而最能体现礼品的高档性的是包装材料。要凸显礼品包装的高档性, 如何选择正确有效的材料尤为重要。我们要明确一点:材料本身的高档与否不能决定礼品包装的档次。价格昂贵的包装材料用得不合适, 也可能会让人觉得俗气甚至产生反感, 而价位低廉的包装材料用好了也会形成个性和
案沟通的障碍, 进一步降低设计的难度, 因此可以将设计的难度进一步降低, 打将会大大有助于室内设计方案的进行。
而同时, 对于一些有能力制作三维模型的委托方, 他们也可以通过三维打印机来制作出体现自己设计想法的模型, 通过这种方式和设计者之间进行有效的交流, 也能够快速直观地表达自己的想法和意愿。
四、总结
三维打印机 第8篇
三维打印技术因其近年来的爆炸式增长成为被大众了解的一种快速成型技术。“3D打印”是我们日常的说法,其正式的名称应为“快速成型制造技术”。3D打印技术就是根据所需或者现实物体的立体模型数据,利用成型制造机器通过组成原料叠加的方式,最终完成所需零件或实物模具的制造,达到缩短周期和缩减成本的功效。该技术基于数字化的三维模型,通过切片仿真和路径规划工艺及数控加工技术,能够快速制造出三维实体,在科学研究、原型验证、文物保护、建筑设计、制造、医疗、食品、艺术等诸多行业应用广泛[1]。
三维快速成型软件系统是3D打印的关键系统之一,是连接三维设计软件系统和三维打印硬件系统(3D打印机)的桥梁,是三维打印质量保证的关键之一。现有的各种三维打印机基本上都缺乏强有力的成型软件系统,从而导致大量的三维模型无法成功打印出来,也常常使得三维打印非常耗费材料,打印周期也比较长。这严重阻碍三维打印机的普及。
本项目研发的三维快速成型软件系统能够将设计好的三维模型转换成为可打印的三维模型,从三维模型自动生成相应的三维打印代码,从而驱动三维打印硬件系统工作,最终实现减少打印材料耗费,降低三维打印成本,提升三维打印效率。
1 三维打印快速成型技术的工作原理及特点
三维打印快速成型系统是基于离散或堆积制造灵感的快速成型技术,其所可以采用的原材料包括陶瓷、石膏、金属和塑料的粉末等,而其成型重点是配备符合要求的粘接剂和原材料粉末。
三维打印快速成型技术的工作原理是:工作时,铺粉机器在制作台上平铺一层粉末材料,打印喷头按照成型工件的截面信息,在水平面上沿横轴和竖轴方面运动,同时控制粘接剂的喷射量,粘接剂进入粉材的微孔中使其粘合,形成工件的截面轮廓。第一层成型完成后,成型电机牵动工作台下降一层高度,进行下一层的铺粉和粘接,循环往复,直到最后一层的铺粉和粘接的完成,最终形成三维制件。
三维打印快速成型采用喷头喷射粘剂逐层成型,是最具工业先进性的技术之一,具有以下特点[2]:(1)体现了三维打印快速成型技术的一大优势即一定程度上融合了设计和制造;(2)使复杂模型的直接制造成为可能,不受工件的形状与结构的约束即高度柔性的体现;(3)三维打印技术充分体现快速,自动,精确,直接地将设计转换成真实的产品模型,缩短新产品的开发周期,降低研发成本。
2 系统开发技术基础
2.1 图形应用软件系统
本三维快速成型软件系统利用Open GL重构模型,利用Visual Basic2012实现人机交互工作,利用轨迹球算法实现Open GL模型在鼠标移动时模型随之旋转[3]。轨迹球的实现方法中最根本的技术就是利用一个四阶矩阵与模型矩阵进行相乘,产生模型新数即为经过轨迹球操作后的模型坐标位置。
本软件系统利用Pro/E的二次开发工具Pro/Tool Kit,针对VC的编程环境下通过对3D模型切片链接库的研发,利用在Pro/E的整体软件集成下验证运行,得到3D模型的切片分布数据,同时也获得了每一层切片的二维边界精确数据和相关拓扑结构。另外,按照要求通用化数据的实现,我们规划设计了标准化的数据文件来记录所获取的分层数据和对应的拓扑结构的数据接口,方便使用者自行开发相应的渲染软件及其他控制程序。
整体利用Pro/Tool Kit和VC++6.0程序来编程分层切片动态链接库程序。在Pro/E2001的环境中,授权加载该应用程序完成后,即可对已获得的3D实物几何模型分层切片时,可以使用鼠标来点击程序框中菜单栏中的Choose Data项,然后打开该目录下的导航式子菜单Choice,选中它并进行切片方式和渲染方式设置完成后,再点击Finish按钮即可完成对所选3D模型的分层切片,最终呈现的切片图形如图1所示。
2.2 基于仿真分析的支撑材料规划方法
三维打印制造过程中形成下小上大的形状的一般方法是在下层提供上层形体的支撑。支撑结构要求能够承担上层结构的重力影响,且在打印完成后,能够容易进行除去。目前尚未有一款切片器能够比较完美地处理支撑问题,而支撑问题是目前普通用户可有效使用的三维打印领域面临的最大的软件技术问题之一[4]。
支撑问题的科学本质在于预测上方结构的塌陷可能性,并在可能塌陷的部分打印形成支撑材料,以阻止塌陷或悬空的形成。然而,真实打印过程中的情况是非常复杂的,材料和打印环境的温度、湿度、工作状态和历史误差累计都可能对塌陷存在影响。目前,所有的预测都基于单向或单指标(例如倾斜角)的非反馈预测,即对物体的几何进行分析,对倾角过大的部分进行支撑。由于指标的单一化,可能形成过度支撑(预测算法“不自信”)和欠支撑(预测算法“过度自信”)的情况。而衡量是否需要支撑的因素事实上是多种多样的,是需要进行进一步的仿真得到的。现基于打印仿真,在数字空间分析打印当时的各部分的物理状态,更真实地还原塌陷和悬空情况,考虑更多因素地预测和计算支撑方向和支撑单元尺寸,从而更精准地完成支撑材料的规划。
3 关键技术的设计和实现
三维快速成型软件系统是将存在于计算机当中的“虚拟物体”转变成为现实世界当中“真实物体”,是将用户设计的三维模型转换为三维打印机硬件控制指令的关键软件,是检验产品可生成性、提高生成效率和稳定性的核心技术。三维切片工艺软件的科学本质是对数字空间中的三维模型利用若干水平面进行切割(类似于CT切片),然后对每一个切面进行轮廓提取和加工路径进行规划。因此,解决三维切片问题实际上是对若干复杂的几何问题进行研究。
整体分析基于连续性和基于拓扑机构的优缺点,考虑切片进行的过程,我们提出一种基于Z坐标的分层切片算法。该算法的基本思路:因为生成和读取全部三角形面片的拓扑信息耗时巨大,考虑将STL文件数据中各三角形面片中的Z坐标标注并按要求排序。当开始切片时根据所切平面的高度Zh确定对应分层所有面片计算,对于同一分层三角形建立相应的拓扑关系库,建立对应的层面、层线、层点的关系链结构。根据读取STL文件数据,分析本身的连续性特点,通过每一分层三角形面片之间的拓扑关系获得交线。
3.1 三角形的连续性
据几何学知识所知,三角形是一个平面凸多边形的特例,其自身具有三种连续性特征,包括区域连续性,扫描线连续性和边的连续性。三角形自身是平面单连通凸域,区域连续性是显而易见的。扫描线的连续性是指一条扫描线与一个三角形相交,其交线必然由扫描线和三角形的两边交点的连线构成。另边的连续性则可通过与三角形相交的两层面间的线段的递推关系演绎所得。
3.2 基于Z坐标分层算法
基于Z坐标算法是为标注三角形面片间的拓扑关系而建立一种链表数据结构,当读入STL文件所有三角形面片各顶点的Z坐标,标记ID后按由小到大排序,分层切片时由分层高度Zh=Zmin开始分层求得所需目标三角形分层。在求交线计算中利用面片之间的连续性分次求得,最终把求交依次得到的交线连接形成一个闭合的轮廓线。基于Z坐标分层算法的流程描述如图2所示。
整体流程步骤简述:
(1)所有三角形层数据由STL文件读取,其顶点Z坐标记录并标记ID号。
(2)按标注的Z坐标所属三角形分层按从小到大进行排序。
(3)以Z轴为方向从小到大开始切片,按切片的Zh高度来确定求交线的三角形面片集合。
(4)以分层高度增加单位△Z,任选一三角形面片求交,再依照连续性找到下一个集合中的三角形,循环切片并最终得到一个闭合轮廓线。
(5)三角形分层结束的限制条件为循环步骤(3)和(4)直到Zh高度超过所有三角形Z坐标的Zmax。切片算法单元三角形拓扑信息定义数据结构如图3:
假设三角形STL切片文件内共存储有N个三角形面片,则在基于模型拓扑结构的算法中存储这N个三角形面片的拓扑信息需要的存储空间为64N,按照基于Z坐标的思想存储所需的存储空间为28N。两种算法不同读取结构信息的存储对比曲线如图4所示。
如上图所示可以看出只读取Z坐标及指针链表信息的数据结构可大大降低内存的占用。建立新的数据结构,在保证连续性分层思想的同时,既可节省分层时间也可节省分层时内存的占用量。
4 结束语
本文分析探讨了三维快速成型软件系统的原理特点,从系统实用性推广角度阐述如何自动将普通三维模型转换成可打印的三维模型,提高转换稳定性,减少打印材料耗费,降低成本提升效率。另深层意义在于为广大普通大众用户提供三维快速设计成型系统,将高深的设计与制造技术带给普通用户,而且朝着将工业制造模式向普通用户制造模式方向努力,进一步提高人类的自主能力,值得推广。
参考文献
[1]王运赣.快速成形技术[M].武汉:华中理工大学出版社,1999.
[2]刘道远.快速成形中数据处理软件的研究与实现[D].华侨大学,2000.
[3]宫法明,李海生,杨钦,等.基于Open GL的STL文件浏览器的设计与实现[J].计算机工程与应用,2002,6(2).
三维打印机 第9篇
将增材制造 (3D打印) 技术融入三维建模实训教学环节中, 将学生设计的三维模型, 通过增材制造 (3D打印) 技术将虚拟变成实物, 让“机械工程学”及“设计学”专业的学生在三维建模实训中接触了解“新技术, 新材料, 新工艺技术内容”, 与当前主流技术相衔接, 促进不同学科间的学术交流与互补发展, 从而为培养一批“艺术”加“技术”的复合型专业技术型人才打下基础。1研究思路和方法及研究步骤在三维建模实训课程中引入增材制造 (3D打印) 技术的应用研究与实践, 将如图1所示的线路图为流程。
(1) 本教学重实践应用, 针对相关专业的学生, 借鉴国外相关课程进行教学, 在三维建模实训课程后期导入3D打印技术, 选取有创意性作品。
(2) 将虚拟三维模型通过3D打印机转换成实物, 让学生掌握3D打印机应用技术。培养学生创新意识, 让学生与时俱进掌握新技术的应用技能。
(3) 实训过程中, 以班级为单位分成若干小组, 以团队形式内部推选创意的三维建模作品, 进行实体打印。
(4) 在打印过程中, 介绍3D打印机工作原理及操作步骤。通过实物打印过程, 让学生掌握3D打印技术的应用, 并对设计的产品进行分析处理到再设计。
2 教学成效
2.1 机械设计制造及其自动化专业
(1) 机械专业学生掌握3D打印机的工作原理, 对其结构特点有深一步的认识, 对3D打印机可以进行相关参数的设置, 具有综合应用能力。
(2) 3D打印技术与机械设计制造及其自动化专业的CAD/CAM技术有效结合, 学生在技术层面多掌握一门新的应用型技术, 将机械设计零件实物化。
(3) 应用3D打印技术制造所设计的产品, 掌握对增材制造技术的应用与实践。学生在实训课中将自己设计出来的三维模型通过3D打印机制作出来, 将虚拟产品变成实物, 增强学生课堂互动, 激发创新思维, 提升创造力, 培养自主创新人才。
2.2 艺术设计专业
(1) 艺术设计出来的产品具有一定的创新及实用性。学生掌握设计创作的专业技能和方法, 成为具有一定工业设计修养和审美能力的复合型人才。
(2) 通过3D打印技术, 将设计产品实物化, 并进行有效分析再创造。让学生掌握新技术, 在后期工作中多降低设计后的加工成本, 有效利用应用型技术解决实际问题, 开发新产品, 将“产”“学”“研”在校内有机结合。
2.3 学科间交流
(1) 两专业学生对所设计的三维建模作品进行处理、分析及优化, 通过增材制造技术将其实物呈现。结合专业间特点及当今市场需求, 进行创新设计或改进。艺术设计专业学生了解3D打印机基本工作原理, 使用3D打印机制作设计的产品, 并对机械专业设计的模型结合“工艺美“”进行分析处理。
(2) 促使学科间互补, 部分学生满足“艺术”加“技术”的复合型专业技术型人才要求, 设计的作品可以参加相关比赛。例如, 对机械设备的内部结构及外形进行处理, 设计并制作出作品的模型。例如:机床外形及机构再次设计、3D打印机设计与制作、汽车外形设计等。
3 教学分析
(1) 培养学生利用三维软件设计出有创造性、实用性、符合打印的三维模型。针对已有的机械设备进行优化处理再创新。具体的, 机械专业针对对机械结构方面, 艺术设计针对外形优化。
(2) 教学中, 将三维建模实训中引入增材制造 (3D打印) 技术的研究, 将3D打印技术与当前的教学计划对接, 做到知识上的连贯性。
(3) 新技术的应用是为了使应用型本科学生更好得与世界接轨, 也是为了将增材制造 (3D打印) 技术在应用型本科教学计划研究做铺垫, 是学生就业及社会发展的需要, 从而做到产学研相结合, 推动国内研发与应用同步发展。
(4) 在传统设计前提下快速融入新技术, 应用并推广增材制造 (3D打印技术) 在艺术设计领域的工业设计。“技术”与“艺术”的结合, 必将为未来的“中国制造2025”做出贡献。
(5) 两学科间的三维建模软件, 寻找通用格式交流使用, 相互审阅, 对彼此专业的特长起到互补作用, 将各自的学科特色相结合, 将技术融合、学科融合, 从而走国际化应用型人才的培养模式。
摘要：以“中国制造2025”为需求, 以德国“工业4.0”发展为导向, 参照“美国工业互联网”, 结合实践教学协调发展的国际化教学要求, 以应用型“技术”加“艺术”为人才培养目标, 将增材制造 (3D打印) 技术融入三维建模课程的实训教学环节中, 将学生设计作品由虚拟变成实物, 实现“设计”与“制造”的贯通, 为综合应用型技术人才的培养提供有效途径。
关键词：增材制造,实训教学,3D打印,艺术设计
参考文献
[1]Berman, Barry.3-D Printing:The New Industrial Revolution[J].Business Horizons, 2012, 55 (2) :155-162.
[2]Dolphin, Jake.3D Printing-Piracy or Opportunity?[J].Keeping Good Companies, 2012, 64 (5) :300-303.
[3]陈燕和.中国3D打印研究 (1993-2014) [J].现代情报, 2015, 35 (6) :86-89.
[4]吴亚辉, 张英琦.多层次开放型先进制造技术训练模式的探索与实践[J].实验室科学, 2014 (5) :196-199.