3D打印世界.doc

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创
意
建
模

2017.9.3 杭州大关中学 0571-56252996
STEM课程探究

第一课时 3D打印世界

学习目标
了解3D打印原理
了解3D打印简史
了解3D打印的作用

一、 3D打印原理

图1-1

1.3D打印的含义：3d是three-dimensional的缩写，也就是三维图形。一维是直线，比如时间；二维是平面，比如字。
我们平时用的打印机，就是打印二维的图形。打印头左右移动（一维），然后，进纸器前后移动（二维），就打出平面的字来了。
如果我们打完一个字后，再重复打一次，字就有了厚度，也就成为了三维图形，这就是3D打印。

2.3D打印的材料：小强：没有，字糊了！你骗我。

对不起，忘记告诉你，3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的固体原材料。常用的原料有ABS树脂、PLA（再生塑料, 聚乳酸，英文名称Polylactic acid）。PLA是使用可再生的植物资源（如玉米）中提取出的淀粉原料制成，具有良好的生物可降解性，是公认的环境友好材料。

当然，金属、普通塑料、食物、水泥等等，都可以做3D打印机的“墨水”。这些材料是固体，在打印头中加热变成液体，挤出，在空气中迅速冷却，又变成固体，所以是有厚度的。一层层的堆积，就形成了3D打印。
其实，现实生活中早就有了3D打印，比如在生日蛋糕上用巧克力写字，比如易熔枪，玻璃胶枪。唯一不同的，它们是由人脑而不是电脑控制的。

图1-2

二、3D打印简史
1984年，Charles Hull在一家公司工作时产生了3D打印的想法。这家公司用紫外线使桌面涂料快速固化，他想，何不直接用这些材料来制造立体的东西？于是他将这种用瞬间固化的液体“打印”物体的技术取名为stereolithography（光固化，简称SLA），这就是3D打印的起源。
1988年，Scott Crump发明了另外一种3D打印技术——热熔解积压成形（简称FDM），利用蜡、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体。这是目前普及率最高的技术。
1989年，C．R．Dechard博士发明了选区激光烧结技术（简称SLS），利用高强度激光将尼龙、蜡、ABS、金属和陶瓷等材料的粉末烤结成形。
1993年，麻省理工大学教授EmanuaI Sachs创造了一种三维打印技术（简称3DP），将金属、陶瓷的粉末通过粘接剂粘在一起成形。
1995年，麻省理工大学的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson把约束溶剂挤压到粉末床，从而实现了3D打印。
1996年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation分别推出了自己的产品，第一次使用了“3D打印机”的称谓。
2005年，Z Croooration推出了世界上第一台高精度彩色3D打印机——SpeCTRum 2510。同一年，英国巴恩大学的Adrian Bowyer发起了开源3D打印机项目RepRap，目标是通过3D打印机本身，来制造出另一台3D打印机。

2008年，第—个基于RepRap的3D打印机发布，代号为“Darwin”，它的理念是：机器最终能自我复制，目前，它能够打印自身50%元件。这是一个了不起的打印机！因为，它是开源的！正因为有了它，中国的3D打印才可能在极短的时间里，迅速兴起。当前使用的3D打印机，大多都是这种类型。
2010年11月，第一台用巨型3D打印机打印出整个身躯的轿车面世。
2011年8月，世界上第一架3D打印飞机由英国南安营敦大学的工程师创建完成。
2011年9月，维也纳科技大学开发出了更小、更轻、更便宜的3D打印机，这个微型3D打印机仅重1.5kg。
2012年3月，维也纳大学的研究人员宣布他们利用二光子平板印刷技术突破了3D打印的最小极限，并展示了一辆长度不到0.3mm的赛车模型。
2012年7月，比利时的international Univers CollegeLeuven的一个研究小组测试了一辆几乎完全用3D打印机打印出的小型赛车，其车速达到了140千米／小时。
2012年12月，美国分布式防御组织成功测试了3D打印的枪支弹夹。
……

杭州市大关中学STEM中心 图2-1

三、3D打印有什么用
那么，3D打印到底有什么用呢？我们都知道，尽管日常生活中用到的物品千种万种，但是它们无非两种来源：手工制作或工业化生产。
手工制作一次只能做一件，效率低，且不可复制，每一件都是独一无二的，比如价格昂贵的字画，比如妈妈织的温暖的毛衣。
工业化生产，不仅产量大而且便宜。便宜是因为工业化生产有模具，咔嚓一下就做一个。但是，模具的成本相当高，少则几万，多则几百万，因此只适合大规模生产。如果有些东西你可能只需要一个或几个，那就不需要去开价格昂贵的模具。此时，3D打印的优势就显现出来了。
3D打印的好处是：你只管设计，它负责实现，它的应用领域相当广泛：
个性化：我要打印一件礼品送给女朋友。
工业设计：快速成形，不用开模。
医疗：我要打印一只耳朵。
食品：我要打印一个汉堡。
住房：我要打印一幢房子。
教学：我要打印一件教具。
我要打印一件衣服，我要打印一架飞机，我要打印一个零件，我要打印一件雕塑作品，我要打印一个玩具，我要打印一把枪（犯法），我要打印一个人（不许打人！）……
3D打印非常适合个性化的事物。总有一天，你的衣食住行全都是你打印出来的。

图3-1

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