什么是3D打印?
3D打印中有哪些几何处理的问题?

刘利刚

中国科学技术大学

http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu


【前言】近几年来,3D打印这个名词从陌生到熟悉,逐渐走向人们的生活和工作中。 但是,仍有不少学生对3D打印不够了解,笔者特撰写本文向我们从事计算机图形学的学生对3D打印技术进行简略的解释。本文的目的不是详细解释3D打印的概念和应用,网上能找到许多这方面的文章。我们的重点在于阐述一下3D打印带给我们从事计算机图形学几何建模与处理的研究工作者的一些问题与机遇。当然,笔者对本文的有些内容的理解也是很有限的,值得进一步的学习和交流。有不当之处,还请读者谅解指正。

【注】有些概念在本文中只是粗略解释,如不清楚,读者可以辅助百度等查询了解到更多信息。


 

一、背景:传统的制造加工工艺 

    我们生活中所使用的物品是如何制造出来的?制造物品的方法和工艺有很多,传统的制造方法可归纳为有以下两种:

    1. 等材制造工艺。比如铸造,是一种金属热加工工艺,是将液体金属(例:铜、铁、铝、锡、铅等)浇铸到与零件形状相适应的空腔(称为铸模,材料可以是砂、金属甚至陶瓷)中,待其冷却凝固后,以获得零件或毛坯的方法。人类在几千年前就掌握了这种制造工艺,比如出土的春秋战国时期的青铜器皿就是通过铸造制造的。

     再比如锻造,是利用锻压机械对金属坯料施加压力,使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的制造工艺。人类在几千年前也掌握了这种制造工艺,就是民间俗称的“打铁”工艺。一般地,由于锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷,优化微观组织结构,锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。

    另一种是冲压,是靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力,使之产生塑性变形或分离,从而获得所需形状和尺寸的工件(冲压件)的成形加工工艺。生活中很多物品,比如汽车的车身、容器的壳体,仪器仪表、家用电器、办公机械、生活器皿等,都是冲压件。冲压和锻造同属塑性加工(或称压力加工),合称锻压。

    由于这些加工工艺在加工物品的过程中,材料只是从一种形式变到另一种形式,材料并没有增加或减少,因此称为等材制造工艺。

    2. 减材制造工艺。一般是指在数控机床上进行零件加工的工艺方法,车铣刨磨是四种基本的加工方式,包括车削加工、铣削加工、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种方式才可完成零件的加工。由于这种加工工艺将多余的材料从工件中削除,被削除的材料是浪费(称为废料)的,因此称为减材制造工艺。

 

二、3D打印并不神秘:它只是一种新型的制造和加工工艺 

    3D打印技术出现在上世纪80年代末至90年代初(也称为快速成型技术),至今也就30年不到的时间。其原理很简单:以3D数字模型文件为输入,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

    形象来讲,普通的打印机是将2D图像或图形数字文件通过墨水输出到纸张上;3D打印机则是将实实在在的原材料(比如金属、陶瓷、塑料、砂等)输出为一薄层(物理上具有一定的厚度),然后不断重复一层层叠加起来,最终变成空间实物。因此,3D打印在输出某一分层时,过程与喷墨打印是相似的。就像盖房子,是通过一块一块砖所累积而成,而3D打印的物品是通过原材料的一粒一粒所累积而成。

    由于3D打印是将材料一层一层堆积而成,因此也称为增材制造工艺。3D打印并不神秘,相对于具有千年的等材制造工艺和具有百年的减材制造工艺,它只是一种制造成型的新工艺,只有30年不到的历史。

 

三、比较:3D打印区别于其他制造工艺有哪些优势和劣势?

    相对于等材制造工艺与减材制造工艺,3D打印具有许多的优势,已有很多文章进行了详细的分析与阐述。笔者认为,相对于传统的制造工艺,3D打印具有如下三个最主要的优势: