走近智能制造：3D打印“眾生相”

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

　　這臺(tái)智能3D打印設(shè)備的研發(fā)團(tuán)隊(duì)帶頭人是北京工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院的毋立芳教授，她詳細(xì)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(shí)物的制造方式，實(shí)現(xiàn)過程就是把模型進(jìn)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(diǎn)，最主要的兩點(diǎn)一是增材制造，所以材料浪費(fèi)很少；二是由模型直接到實(shí)物，非常適合個(gè)性化制造。當(dāng)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(tuán)隊(duì)的工作就是針對(duì)如何改善這些問題開展研究的?！?

國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的視覺監(jiān)視下的多自由度FDM 3D打印機(jī)

　　現(xiàn)場(chǎng)正在工作的這臺(tái)設(shè)備便是視覺監(jiān)視下的多自由度FDM 3D打印機(jī)。團(tuán)隊(duì)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(diǎn)打印，精度可以達(dá)到0.1毫米。市面上常見的FDM 3D打印機(jī)是三軸的、單向的，而這臺(tái)設(shè)備多加了2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，可以實(shí)現(xiàn)底面轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，從不同方向進(jìn)行打印，所以稱為‘多自由度’?！?nbsp;

　　據(jù)了解，這臺(tái)視覺監(jiān)視的多自由度3d打印機(jī)不但使用了3個(gè)平移軸和2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸組成的五軸機(jī)械系統(tǒng)，控制打印平臺(tái)平移及旋轉(zhuǎn)，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(dòng)分割為多個(gè)獨(dú)立模塊，每個(gè)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(gè)米老鼠的耳朵部分，如果用傳統(tǒng)的3D打印機(jī)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(fèi)了打印材料和時(shí)間，去除冗余支撐部分時(shí)，還會(huì)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(tái)視覺監(jiān)視的多自由度3D打印機(jī)，便不需要打印支撐部分，通過打印平臺(tái)旋轉(zhuǎn)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(shí)間，”她指著展位上放播放的視頻繼續(xù)說道，“不用擔(dān)心旋轉(zhuǎn)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(cè)并控制平臺(tái)旋轉(zhuǎn)到準(zhǔn)確位置?！?nbsp;

　　國(guó)際先進(jìn)的多源大尺度面曝光3D打印機(jī)

　　團(tuán)隊(duì)成員于淼還為記者介紹了另一種3D打印技術(shù)，“面曝光3D打印采用的是一次成型一個(gè)平面的打印方式，因此速度比較快。原材料為中科院化學(xué)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(guān)，最小成型厚度可以達(dá)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(jī)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(jī)，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?！?nbsp;

　　據(jù)記者了解，打印上圖大尺寸產(chǎn)品，大約需要兩個(gè)小時(shí)。

　　關(guān)于3D打印的應(yīng)用，高屹崧說：“3D打印主要用于個(gè)性化定制、快速原型制造等領(lǐng)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(bǔ)充道：“3D打印是傳統(tǒng)制造工藝的很好的補(bǔ)充，隨著相關(guān)打印工藝的日益成熟，在醫(yī)療健康、創(chuàng)意設(shè)計(jì)、模具制造、航空航天等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。”

便捷易用的桌面3D打印設(shè)備

　　2018年全國(guó)科技活動(dòng)周暨北京科技周活動(dòng)主場(chǎng)還展出了另兩項(xiàng)3D打印相關(guān)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(jī)，位于科技創(chuàng)新“加速度”的科技服務(wù)業(yè)展區(qū)。據(jù)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人秦義坤介紹，這臺(tái)3D打印設(shè)備是創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室的智能硬件產(chǎn)品之一，具有簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，“它不需要連接電腦，直接把程序拷貝在SD卡里便可以使用?！?nbsp;

　　“因?yàn)榇蛴r(shí)設(shè)備會(huì)來回晃動(dòng)，如果結(jié)構(gòu)不夠強(qiáng)，會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)造成誤差，”秦義坤說道，“這臺(tái)設(shè)備采用鈑金的結(jié)構(gòu)，并且選用了方軌，可以達(dá)到0.01毫米的精度?！?

　　據(jù)悉，桌面3D打印機(jī)可應(yīng)用于三維加工、模型制作、模具驗(yàn)證、產(chǎn)品樣機(jī)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(jí)版的桌面3D打印機(jī)，“新款設(shè)備保留了鈑金結(jié)構(gòu)，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(shè)備的售價(jià)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(shè)計(jì)與智造業(yè)務(wù)的北京樂品樂道科技有限公司的產(chǎn)品。據(jù)市場(chǎng)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(xué)校、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)上課使用，可以提升學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力；用法非常簡(jiǎn)單，比如小朋友畫一條魚，只需要給筆充電、加熱放進(jìn)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(jià)格在人民幣兩百元左右。 

　　“打印筆本身沒有技術(shù)壁壘，我們的3D打印筆與市場(chǎng)上同類產(chǎn)品的區(qū)別主要在于增加了工業(yè)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品外觀特別，物廉價(jià)美，十分適合中小學(xué)校教學(xué)課程使用，”3D打印筆設(shè)計(jì)師、樂品樂道負(fù)責(zé)人詹思遠(yuǎn)表示，“這類產(chǎn)品只能使用熔點(diǎn)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(cè)試階段，計(jì)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?！?