什么是3D打印?

　　3D打印中有哪些幾何處理的問題?

　　一、背景：傳統的制造加工工藝

　　我們生活中所使用的物品是如何制造出來的？制造物品的方法和工藝有很多，傳統的制造方法可歸納為有以下兩種：

　　1.等材制造工藝。比如鑄造，是一種金屬熱加工工藝，是將液體金屬（例：銅、鐵、鋁、錫、鉛等）澆鑄到與零件形狀相適應的空腔（稱為鑄模，材料可以是砂、金屬甚至陶瓷）中，待其冷卻凝固后，以獲得零件或毛坯的方法。人類在幾千年前就掌握了這種制造工藝，比如出土的春秋戰國時期的青銅器皿就是通過鑄造制造的。

　　再比如鍛造，是利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產生塑性變形以獲得具有一定機械性能、一定形狀和尺寸鍛件的制造工藝。人類在幾千年前也掌握了這種制造工藝，就是民間俗稱的“打鐵”工藝。一般地，由于鍛造能消除金屬在冶煉過程中產生的鑄態疏松等缺陷，優化微觀組織結構，鍛件的機械性能一般優于同樣材料的鑄件。

　　另一種是沖壓，是靠壓力機和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的工件（沖壓件）的成形加工工藝。生活中很多物品，比如汽車的車身、容器的殼體，儀器儀表、家用電器、辦公機械、生活器皿等，都是沖壓件。沖壓和鍛造同屬塑性加工。

　　由于這些加工工藝在加工物品的過程中，材料只是從一種形式變到另一種形式，材料并沒有增加或減少，因此稱為等材制造工藝。

　　2.減材制造工藝。一般是指在數控機床上進行零件加工的工藝方法，車銑刨磨是四種基本的加工方式，包括車削加工、銑削加工、刨削加工、磨削加工，不同零件所需的加工方式不同，有的零件需使用其中多種方式才可完成零件的加工。由于這種加工工藝將多余的材料從工件中削除，被削除的材料是浪費（稱為廢料）的，因此稱為減材制造工藝。

　　二、3D打印并不神秘：它只是一種新型的制造和加工工藝

　　3D打印技術出現在上世紀80年代末至90年代初（也稱為快速成型技術），至今也就30年不到的時間。其原理很簡單：以3D數字模型文件為輸入，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

　　形象來講，普通的打印機是將2D圖像或圖形數字文件通過墨水輸出到紙張上；3D打印機則是將實實在在的原材料（比如金屬、陶瓷、塑料、砂等）輸出為一薄層（物理上具有一定的厚度），然后不斷重復一層層疊加起來，最終變成空間實物。因此，3D打印在輸出某一分層時，過程與噴墨打印是相似的。就像蓋房子，是通過一塊一塊磚所累積而成，而3D打印的物品是通過原材料的一粒一粒所累積而成。

　　由于3D打印是將材料一層一層堆積而成，因此也稱為增材制造工藝。3D打印并不神秘，相對于具有千年的等材制造工藝和具有百年的減材制造工藝，它只是一種制造成型的新工藝，只有30年不到的歷史。

　　三、比較：3D打印區別于其他制造工藝有哪些優勢和劣勢？

　　相對于等材制造工藝與減材制造工藝，3D打印具有許多的優勢，已有很多文章進行了詳細的分析與闡述。筆者認為，相對于傳統的制造工藝，3D打印具有如下三個最主要的優勢：

　　1.設計空間無限。對于幾何結構復雜物品（比如內部有非常復雜的拓撲結構或空腔結構的物品），傳統的制造工藝是無法進行加工的，需要將物品進行分解分別加工再組裝。而3D打印將物體分解成一層一層的2D區域，因此加工任意復雜的物體都沒有問題，加工精度只是取決于打印機所能輸出的最小材料顆粒。這是3D打印帶給我們最大的優勢，能讓設計者設計任意復雜的幾何形狀，設計空間無限。正是這個優勢，給了我們在幾何設計與優化方面大量需要解決的問題，后面會詳述。

　　2.零技能制造。傳統的制造工藝設備龐大且昂貴，需要較高的技能才能進行操作。而3D打印機（比如FDM3D打印機）小巧而廉價，有些已經進入家庭，使用簡單方便；相對于昂貴的鑄模，3D打印只需要一個數字化文件即可進行成型。因此，通過3D打印，能夠輕松實現產品的個性化設計與定制，大大縮短了產品的研發時間。這個優勢給了我們非機械專業的研究工作者，也能進行相關的幾何、結構、材料等方面的研究，大大加深和拓展了制造中所存在的相關研究問題。

　　3.材料無限組合。多噴頭的3D打印機能夠對多種材料進行組合打印。通過材料的堆疊和組合，打印的物品具有與單一材料所不同的物理和力學的特性。因此，通過不同材料的組合，可以產生性能不同的“新的材料”。這個優勢提供給了我們利用控制材料的分布來控制物品的物理、力學及結構的特性，從而能產生多樣化的物品，增加產品的靈活性。

　　總之，3D打印技術最被看重的三大優勢是加速產品的研發過程、提供個性化和定制產品和增加生產的靈活性。從成型工藝上看3D打印突破了傳統成型方法，無需先行制作模具和機械加工，通過快速自動成型硬件系統與CAD軟件模型結合就能夠制造出各種形狀復雜的產品，這使得產品的設計生產周期大大縮短，生產成本大幅下降。

　　當然，3D打印作為一項年輕的成型工藝，還存在著許多的不足，比如成型時間慢、精度低、材料種類少、無法大批量生產等?，F階段3D打印的實際使用仍屬于快速成型范疇，即為企業在生產正式的產品前提供產品原型的制造，業內也稱作手板。因此，3D打印成型工藝現階段是作為與傳統制造工藝互補的方式存在，要成為主流的生產制造技術還尚需時日。但是要相信，人類對技術的追求是無限的，隨著3D打印設備和打印材料的研發的不斷進步，3D打印技術會越來越被廣泛得到使用。

　　從另一個角度來看，3D打印技術讓制造從工廠走向了家庭，催生了大量的個人設計者（即創客），激發了無限的創意設計的可能。這是筆者認為3D打印技術能帶給我們大眾最大的意義，后面會詳細闡述。

　　四、定位：3D打印的相關領域

　　3D打印是一種新型的快速成型技術，它綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多領域的前沿技術，涉及的領域較多。

　　筆者認為，3D打印作為一種制造工藝(Manufacturing)，最主要涉及有3個方面：

　　1.材料(Material)。即用于3D打印中的材料，包括樹脂、金屬、陶瓷、塑料或天然材料等，這些材料通過堆積形成實在的功能產品。

　　2.設備(Machine)。3D打印設備將材料按照軟件（設計數據和制作數據）的要求實現產品的成型?，F有的3D打印設備有許多種類，稍后會介紹。

　　3.建模(Modeling)。這是3D打印工藝中的軟件部分。包括切片、模型的構建與優化、成型過程控制等。這是3D打印工藝中的軟件部分。

　　筆者在2014年的SiggraphAsia國際會議上做的第一次有關3D打印的教程Course（鏈接）上，提出了3D打印的3M概念，即material,machine,modeling，這就像三條桌腿一樣，共同支撐著manufacturing的桌面及其發展(3M+1M)，缺一不可。

　　如果將3D打印比作做一道菜，材料就是菜的原料，設備就是鍋，而建模則是菜譜和制作方法。建模作為3D打印的“大腦”，在成型過程中起到至關重要的作用，這正是我們從事計算機圖形學和幾何建模的研究工作者的研究工作。因此，計算機圖形學是3D打印中的不可或缺的一個重要研究領域。在計算機圖形學中，近年來出現大量的有關幾何、結構設計與優化的研究論文，筆者也在這方面做了系列的研究工作，后面會詳述。

　　五、3D打印常用材料簡介

　　“巧婦難為無米之炊”，材料是3D打印的物質基礎，是當前制約3D打印發展的瓶頸之一。在3D打印中所使用的材料主要包括工程塑料、橡膠、光敏樹脂、石膏、金屬和陶瓷等，在生物應用領域還有人造骨粉、細胞生物原料等。這些材料都是針對3D打印設備和工藝來研發的，有不同的形態，比如粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。比如，粉末狀3D打印材料的顆粒呈現球形狀，半徑在100微米以下。

　　以下簡單介紹一些常用的3D打印材料（主要來自于Medtec），更詳細的資料可從網上獲取。

　　工程塑料指被用做工業零件或外殼材料的工業用塑料，是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優的塑料。工程塑料是當前應用最廣泛的一類3D打印材料，常見的有ABS類材料、PC類材料、尼龍類材料等。ABS材料是FDM（熔融沉積造型）快速成型工藝常用的熱塑性工程塑料，具有強度高、韌性好、耐沖擊等優點。

　　光敏樹脂即UV樹脂，由聚合物單體與預聚體組成，其中加有光（紫外光）引發劑（或稱為光敏劑）。在一定波長的紫外光（250０～300ｎｍ）照射下能立刻引起聚合反應完成固化。光敏樹脂一般為液態，可用于制作高強度、耐高溫、防水材料。目前，研究光敏材料3D打印技術的主要有美國3Dsystem公司和以色列object公司。常見的光敏樹脂有somosNEXT材料、樹脂somos11122材料、somos19120材料和環氧樹脂。

　　橡膠類材料具備多種級別彈性材料的特征，這些材料所具備的硬度、斷裂伸長率、抗撕裂強度和拉伸強度，使其非常適合于要求防滑或柔軟表面的應用領域。3D打印的橡膠類產品主要有消費類電子產品、醫療設備以及汽車內飾、輪胎、墊片等。

　　金屬材料：在國防領域，歐美發達國家非常重視3D打印技術的發展，不惜投入巨資加以研究，而3D打印金屬零部件一直是研究和應用的重點。3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等。