在2018年全国科技活动周暨北京科技周活动主场，科技创新“惠民生”的智造生活展区，一台正在工作的3D打印设备引起许多观众围观。
图为北京工业大学展品：视觉监视下的多自由度FDM 3D打印机。
这台智能3D打印设备的研发团队带头人是北京工业大学信息与通信工程学院的毋立芳教授，她详细讲解道：“3D打印又称增材制造，是一种由三维模型直接得到实物的制造方式，实现过程就是把模型进行分层，然后逐层累积打印完成产品制造。3D打印有不少优点，最主要的两点一是增材制造，所以材料浪费很少；二是由模型直接到实物，非常适合个性化制造。当然，它也存在一些问题，比如打印速度慢、打印质量不稳定、制造成本高、打印方向单一，等等，我们团队的工作就是针对如何改善这些问题开展研究的。”
国内领先的视觉监视下的多自由度FDM 3D打印机
现场正在工作的这台设备便是视觉监视下的多自由度FDM 3D打印机。团队成员高屹崧告诉记者：“它将PLA塑料丝热融，通过喷嘴挤出，逐点打印，精度可以达到0.1毫米。市面上常见的FDM 3D打印机是三轴的、单向的，而这台设备多加了2个旋转轴，可以实现底面转台转动，从不同方向进行打印，所以称为‘多自由度’。”
图为视觉监视下的多自由度FDM 3D打印机的五轴机械系统在打印中控制平移和旋转。
据了解，这台视觉监视的多自由度3d打印机不但使用了3个平移轴和2个旋转轴组成的五轴机械系统，控制打印平台平移及旋转，还与自主研发的模型分割算法以及路径规划算法相配合，把模型自动分割为多个独立模块，每个模块打印方向可以不同、也无需支撑，并以广度优先的原则规划出各模块的最优打印顺序。
毋立芳教授拿起展位上3D打印生成的米老鼠头部作比划，“你看这个米老鼠的耳朵部分，如果用传统的3D打印机打印，需要在耳朵悬空的地方加上支撑，等于说得先多打印出支撑的那一部分、最后还得把它去掉，不仅浪费了打印材料和时间，去除冗余支撑部分时，还会造成表面粗糙的问题，这样打印质量就下降了。而如果采用这台视觉监视的多自由度3D打印机，便不需要打印支撑部分，通过打印平台旋转及平移，便可以在合适的地方继续打印米老鼠的耳朵部分了，自然就节省了材料，也缩短了打印时间，”她指着展位上放播放的视频继续说道，“不用担心旋转的精度问题，我们为它配上了同样自主研发创新的伪双目视觉视觉监视系统，可以检测并控制平台旋转到准确位置。”
图为多自由度FDM 3D打印机打印出的部分产品。
国际先进的多源大尺度面曝光3D打印机
团队成员于淼还为记者介绍了另一种3D打印技术，“面曝光3D打印采用的是一次成型一个平面的打印方式，因此速度比较快。原材料为中科院化学所自主研发的光敏树脂，空间精度和投影光源的分辨率有关，最小成型厚度可以达到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，单光源能打印的物体尺寸比较有限，就采用市面上常用DLP投影光源的打印机来说，目前最大可曝光平面是140毫米*110毫米。”
图为多源大尺度面曝光3D打印机打印出的部分产品。
“我们研发出了多源大尺度面曝光3D打印机，可以解决打印物体尺寸受限的问题，”毋立芳教授自豪地说，“光源组合可以形成更大成型平面，并且通过我们自主研发的图像处理算法保证成型平面的光照均匀度，从而保证成型精度以及打印质量。目前，也采用市面上常见DLP光源的话，通过两光源组合，可打印的最大尺寸为140毫米*210毫米。我们正在研发四光源组合，理论上来说，通过更多光源组合，可以打印更大尺寸物体。”
图为多源大尺度面曝光3D打印机打印出的大尺寸产品与普通产品的比较。
据记者了解，打印上图大尺寸产品，大约需要两个小时。
关于3D打印的应用，高屹崧说：“3D打印主要用于个性化定制、快速原型制造等领域，能够打印出一些传统制模无法制造的模型，比如空心的模型，并不适合大批量生产。”毋立芳教授补充道：“3D打印是传统制造工艺的很好的补充，随着相关打印工艺的日益成熟，在医疗健康、创意设计、模具制造、航空航天等领域有很好的应用前景。”
便捷易用的桌面3D打印设备
2018年全国科技活动周暨北京科技周活动主场还展出了另两项3D打印相关产品。一是创客基地科技孵化器（北京）有限公司的桌面3D打印机，位于科技创新“加速度”的科技服务业展区。据实验室负责人秦义坤介绍，这台3D打印设备是创客实验室的智能硬件产品之一，具有简单易用的特点，“它不需要连接电脑，直接把程序拷贝在SD卡里便可以使用。”
图为创客实验室的MZF200桌面3D打印机。
“因为打印时设备会来回晃动，如果结构不够强，会因为振动造成误差，”秦义坤说道，“这台设备采用钣金的结构，并且选用了方轨，可以达到0.01毫米的精度。”
据悉，桌面3D打印机可应用于三维加工、模型制作、模具验证、产品样机制作等，主要采用的是PLA塑料——“这是一种由玉米淀粉萃取的环保材料，是可以降解的。”
图为升级版桌面3D打印机和上面的触摸屏。
他还为记者介绍了升级版的桌面3D打印机，“新款设备保留了钣金结构，但增加了一块3寸触摸屏，中文显示，使用起来非常方便。”
据记者了解，新款设备的售价比展区陈列的旧款大约提高了人民币2000元左右。
开启想象创造的3D打印笔
另外，科技创新“惠民生”的创意生活展区还有一支充满童趣的3D打印笔，是从事工业设计与智造业务的北京乐品乐道科技有限公司的产品。据市场总监谢婷介绍，利用PLA、ABS塑料，3D打印笔可以在任何表面“书写”，挤出热融的塑料，然后在空气中迅速冷却，最后固化成稳定的状态。“它主要适合中小学校、培训机构上课使用，可以提升学生的创造力和想象力；用法非常简单，比如小朋友画一条鱼，只需要给笔充电、加热放进的材料就可以了，画出来的就直接是材料冷却成型的立体的鱼。”
据记者了解，一套3D打印笔、材料加上课程的价格在人民币两百元左右。
图为3D打印笔及所使用材料。
“打印笔本身没有技术壁垒，我们的3D打印笔与市场上同类产品的区别主要在于增加了工业设计，产品外观特别，物廉价美，十分适合中小学校教学课程使用，”3D打印笔设计师、乐品乐道负责人詹思远表示，“这类产品只能使用熔点低的材料，且存在温度控制方面的缺陷，无法大量普及。我们目前正在研发低温3D打印笔，现处于测试阶段，计划年底推出，希望更新换代后的产品能够避免出现烫伤小朋友等安全隐患。”
作者：夏青
