走近智能制造：3D打印“眾生相”

在2018年全國科技活動周暨北京科技周活動主場，科技創(chuàng)新“惠民生”的智造生活展區(qū)，一臺正在工作的3D打印設備引起許多觀眾圍觀。

　　這臺智能3D打印設備的研發(fā)團隊帶頭人是北京工業(yè)大學信息與通信工程學院的毋立芳教授，她詳細講解道：“3D打印又稱增材制造，是一種由三維模型直接得到實物的制造方式，實現(xiàn)過程就是把模型進行分層，然后逐層累積打印完成產(chǎn)品制造。3D打印有不少優(yōu)點，最主要的兩點一是增材制造，所以材料浪費很少；二是由模型直接到實物，非常適合個性化制造。當然，它也存在一些問題，比如打印速度慢、打印質(zhì)量不穩(wěn)定、制造成本高、打印方向單一，等等，我們團隊的工作就是針對如何改善這些問題開展研究的。”

國內(nèi)領先的視覺監(jiān)視下的多自由度FDM 3D打印機

　　現(xiàn)場正在工作的這臺設備便是視覺監(jiān)視下的多自由度FDM 3D打印機。團隊成員高屹崧告訴記者：“它將PLA塑料絲熱融，通過噴嘴擠出，逐點打印，精度可以達到0.1毫米。市面上常見的FDM 3D打印機是三軸的、單向的，而這臺設備多加了2個旋轉軸，可以實現(xiàn)底面轉臺轉動，從不同方向進行打印，所以稱為‘多自由度’。” 

　　據(jù)了解，這臺視覺監(jiān)視的多自由度3d打印機不但使用了3個平移軸和2個旋轉軸組成的五軸機械系統(tǒng)，控制打印平臺平移及旋轉，還與自主研發(fā)的模型分割算法以及路徑規(guī)劃算法相配合，把模型自動分割為多個獨立模塊，每個模塊打印方向可以不同、也無需支撐，并以廣度優(yōu)先的原則規(guī)劃出各模塊的最優(yōu)打印順序。

　　毋立芳教授拿起展位上3D打印生成的米老鼠頭部作比劃，“你看這個米老鼠的耳朵部分，如果用傳統(tǒng)的3D打印機打印，需要在耳朵懸空的地方加上支撐，等于說得先多打印出支撐的那一部分、最后還得把它去掉，不僅浪費了打印材料和時間，去除冗余支撐部分時，還會造成表面粗糙的問題，這樣打印質(zhì)量就下降了。而如果采用這臺視覺監(jiān)視的多自由度3D打印機，便不需要打印支撐部分，通過打印平臺旋轉及平移，便可以在合適的地方繼續(xù)打印米老鼠的耳朵部分了，自然就節(jié)省了材料，也縮短了打印時間，”她指著展位上放播放的視頻繼續(xù)說道，“不用擔心旋轉的精度問題，我們?yōu)樗渖狭送瑯幼灾餮邪l(fā)創(chuàng)新的偽雙目視覺視覺監(jiān)視系統(tǒng)，可以檢測并控制平臺旋轉到準確位置?！?nbsp;

　　國際先進的多源大尺度面曝光3D打印機

　　團隊成員于淼還為記者介紹了另一種3D打印技術，“面曝光3D打印采用的是一次成型一個平面的打印方式，因此速度比較快。原材料為中科院化學所自主研發(fā)的光敏樹脂，空間精度和投影光源的分辨率有關，最小成型厚度可以達到0.02毫米。但受DLP投影光源中的核心部件DMD芯片以及成型速度要求，單光源能打印的物體尺寸比較有限，就采用市面上常用DLP投影光源的打印機來說，目前最大可曝光平面是140毫米*110毫米?！?
　　“我們研發(fā)出了多源大尺度面曝光3D打印機，可以解決打印物體尺寸受限的問題，”毋立芳教授自豪地說，“光源組合可以形成更大成型平面，并且通過我們自主研發(fā)的圖像處理算法保證成型平面的光照均勻度，從而保證成型精度以及打印質(zhì)量。目前，也采用市面上常見DLP光源的話，通過兩光源組合，可打印的最大尺寸為140毫米*210毫米。我們正在研發(fā)四光源組合，理論上來說，通過更多光源組合，可以打印更大尺寸物體。” 

　　據(jù)記者了解，打印上圖大尺寸產(chǎn)品，大約需要兩個小時。

　　關于3D打印的應用，高屹崧說：“3D打印主要用于個性化定制、快速原型制造等領域，能夠打印出一些傳統(tǒng)制模無法制造的模型，比如空心的模型，并不適合大批量生產(chǎn)。”毋立芳教授補充道：“3D打印是傳統(tǒng)制造工藝的很好的補充，隨著相關打印工藝的日益成熟，在醫(yī)療健康、創(chuàng)意設計、模具制造、航空航天等領域有很好的應用前景?！?

便捷易用的桌面3D打印設備

　　2018年全國科技活動周暨北京科技周活動主場還展出了另兩項3D打印相關產(chǎn)品。一是創(chuàng)客基地科技孵化器（北京）有限公司的桌面3D打印機，位于科技創(chuàng)新“加速度”的科技服務業(yè)展區(qū)。據(jù)實驗室負責人秦義坤介紹，這臺3D打印設備是創(chuàng)客實驗室的智能硬件產(chǎn)品之一，具有簡單易用的特點，“它不需要連接電腦，直接把程序拷貝在SD卡里便可以使用。” 

　　“因為打印時設備會來回晃動，如果結構不夠強，會因為振動造成誤差，”秦義坤說道，“這臺設備采用鈑金的結構，并且選用了方軌，可以達到0.01毫米的精度。”

　　據(jù)悉，桌面3D打印機可應用于三維加工、模型制作、模具驗證、產(chǎn)品樣機制作等，主要采用的是PLA塑料——“這是一種由玉米淀粉萃取的環(huán)保材料，是可以降解的。”

　　他還為記者介紹了升級版的桌面3D打印機，“新款設備保留了鈑金結構，但增加了一塊3寸觸摸屏，中文顯示，使用起來非常方便。”

　　據(jù)記者了解，新款設備的售價比展區(qū)陳列的舊款大約提高了人民幣2000元左右。

開啟想象創(chuàng)造的3D打印筆

　　另外，科技創(chuàng)新“惠民生”的創(chuàng)意生活展區(qū)還有一支充滿童趣的3D打印筆，是從事工業(yè)設計與智造業(yè)務的北京樂品樂道科技有限公司的產(chǎn)品。據(jù)市場總監(jiān)謝婷介紹，利用PLA、ABS塑料，3D打印筆可以在任何表面“書寫”，擠出熱融的塑料，然后在空氣中迅速冷卻，最后固化成穩(wěn)定的狀態(tài)?！八饕m合中小學校、培訓機構上課使用，可以提升學生的創(chuàng)造力和想象力；用法非常簡單，比如小朋友畫一條魚，只需要給筆充電、加熱放進的材料就可以了，畫出來的就直接是材料冷卻成型的立體的魚。”

　　據(jù)記者了解，一套3D打印筆、材料加上課程的價格在人民幣兩百元左右。 

　　“打印筆本身沒有技術壁壘，我們的3D打印筆與市場上同類產(chǎn)品的區(qū)別主要在于增加了工業(yè)設計，產(chǎn)品外觀特別，物廉價美，十分適合中小學校教學課程使用，”3D打印筆設計師、樂品樂道負責人詹思遠表示，“這類產(chǎn)品只能使用熔點低的材料，且存在溫度控制方面的缺陷，無法大量普及。我們目前正在研發(fā)低溫3D打印筆，現(xiàn)處于測試階段，計劃年底推出，希望更新?lián)Q代后的產(chǎn)品能夠避免出現(xiàn)燙傷小朋友等安全隱患?！?