电脑报 - 新算法出现,3D打印机更上一层楼

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  【电脑报在线】无论在哪种形式的媒体上,从不缺乏3D打印的新闻,从人体器官打印到建筑打印,再到飞机梁骨打印,3D打印这个黑科技,正在改变着一切

  无论在哪种形式的媒体上,从不缺乏3D打印的新闻,从人体器官打印到建筑打印,再到飞机梁骨打印,3D打印这个黑科技,正在改变着一切。但回到现实生活中,对于3D打印机、打印服务和产品,却是难得一见。3D打印颇有点叫好不叫座的感觉,那么不愠不火的3D打印,何时才能普及呢?最近出现的“FBS振动补偿”新算法让人看到了希望。

新算法出现,3D打印机更上一层楼 - 后花园网文 - 科技新闻

  新算法出现,3D打印快速发展

  前不久,美国密歇根大学机械工程系助理教授Chinedum Okwudire的智能与可持续自动化研究实验室(SSARL)开发出了一种名为“FBS振动补偿”的新算法,在不需要升级硬件的情况下,可以将桌面级FDM(熔融沉积)3D打印机的打印速度提高1倍,同时对提高打印质量也有较大的帮助。

  那么“FBS振动补偿”算法是怎么做到不需要增加硬件,就可实现速度和质量的双提升了?我们知道,3D打印有光固化、数字光处理和熔融沉积等多种方式,而在民用领域,熔融沉积是最为常见的方法,其工作原理是将熔融后的打印材料,通过喷嘴快速喷射到预定位置,在经过一层层的熔融材料堆积后,所需要的打印实物也就形成了,但这样快速喷射物质流,会使得打印主体产生一定幅度的振动,而喷射时的反作用力,同样会让喷头产生振动和移位。这样就带来两个问题:首先,设备需要复位喷头才能继续打印,这样就导致了打印速度降低,其次会影响到喷射物质的定位,这就直接影响到了打印介质的定位,从而影响打印精度,甚至造成打印失败。尤其是低端3D打印机,由于市场定位与价格的限制,打印机不可能使用高精度、高强度的机械结构,这样振动对打印速度、精度的影响将加倍提升。这不仅可能导致打印失败,也让不少3D打印机在硬件性能成倍提升后,实际打印速度和打印精度并没有得到相应的提升。

  而开发出的FBS算法正是为了补偿振动对打印速度和精度造成的影响。该算法在打印前,首先预测该次打印时所发生的振动对喷头和打印样品产生的影响,从而得到喷头和样品的偏移差,此时打印机喷头并不进行复位操作,而是根据计算出来的偏移量,就近寻找是否有需要打印的打印点,并调整打印机进行相应的运动。这样不仅可以就近进行相应的打印,同时尽可能让本次打印形成的振动方向与上次打印相反,以最大程度抵消振动,这样可以尽可能减小多次振动堆积造成的打印精度误差。

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  未使用FBS算法导致的打印失败(左)与使用FBS算法缩短一半时间后的成功打印品(右)

  经过多次打印的实践证明,在使用FBS算法后,不仅可以大大降低3D打印的失败几率,还能提高打印精度。比如,使用FBS算法后的3D打印机,将美国国会大厦模型的打印时间由原来的4小时降低到2小时,而且打印精度提高,打印成功率也提升了。

  在日常生活中,多数人关注的是新产品硬件性能的提升,那么在3D打印机上,一个算法的进步为什么会引起我们的特别关注呢?实际上,在一个新产品问世并引起关注,随后进行的往往是硬件厂商的投入,专用芯片、专属解决方案和专业配套产品等,在较长一段时间内,都是推动这一产品进步的主要动力。但在这一时期,由于解决方案和实现方法的差异化,以及硬件性能的不足,很难用算法来对产品进行优化。只有在经过市场的淘汰和优选、产品的实现方式趋同后,并在硬件方式出现瓶颈时,算法优化才可能发挥出应有的优势。因此,优化算法的提出和实现,往往是一个产品开始步入成熟稳定期标志,在这一阶段,产品架构稳定、软硬件结合将推动产品性能有较大突破。而FBS算法的出现,在一定程度上意味着3D打印机将在近些年步入成熟稳定的发展时期。

  3D打印机在高端应用领域大展神威

  那么,目前3D打印机在哪些领域正在发挥重大作用呢?熟悉军事领域的朋友都知道,我国最新的歼-20在机身主框架制造上,已经使用了3D打印的钛合金构件,这让歼-20的主框架在重量与强度上达到了最佳平衡。而在医疗领域,3D打印也越来越重要,在实验室已经打印出骨骼、器官、皮肤、血管等各种人体器官。

  如果说这些进步离我们还比较远,难以亲身体验到的话,那么3D打印的牙齿实际上已经开始进入普及阶段,在不少牙科诊所中,已经可以安装使用3D打印的假牙、植牙或人造牙。凭借打印时的高精度和为用户量身定做,3D打印假牙在安装后,极大地减少了二次修整、牙齿间咬合不良等传统假牙容易出现的常见问题,同时,3D打印假牙还可以打印牙根,让假牙整体嵌入原有牙床,这不仅让假牙的坚固程度与仿真度大大提高,还能避免假牙安装时,牙床萎缩对邻近牙齿产生的不良影响。

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  3D打印的战斗机主框架结构

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  3D打印的带牙根的假牙

  在军事和医疗这种“不差钱”的领域中大展神威,说明了3D打印机的强项与缺陷,其强项就是在精度和强度上,3D打印已经超越了传统的加工方式,尤其在那些需要高度定制、个体差异性大或加工精度极大且影响最终效果的领域,3D打印已经进入了实用阶段。而缺点就是一个字贵,因此,目前3D打印机在“不差钱”的领域首先投入实用。

  3D打印机民用,突破口在哪里

  尽管市场上千元级的民用3D打印机已层出不穷,但其总体拥有量较小。而在应用层面,大多只是打印一些模型、手板、动画人物等,实用意义较小。为什么会出现这一情况呢?除了目前民用打印机普遍只能以FDM(熔融沉积)方式打印塑料材料,导致其实际应用领域相当有限外,打印成本高更是不可回避的因素,而3D打印成本不仅体现在其耗材成本达到每公斤数十元,更关键的是,3D打印速度慢,导致打印一件小产品往往也需要花费数小时,如此一来,每件产品上所分摊的人工和设备成本都很高。再加上3D打印出的产品往往不是最终产品,尤其在模型、手板上,往往需要二次加工,比如进行着色等,这就增加了3D打印的成本,而从业者的水平,也会对最终成品产生一定的影响。这样过高的成本会在一定程度上扼杀民用领域对于3D打印的需求,打个比方,例如修理时缺少了一个齿轮,尽管理论上可以用3D打印机打印个齿轮来轻松解决问题,但如果一个齿轮的价格超过了整个设备,那打印就毫无意义了。

  那么,3D打印的民用突破口在哪里呢?在现阶段,民用普及金属打印的难度还比较高,FDM(熔融沉积)塑料打印,在相当长的时间里依旧是民用3D打印的主流。而提速和降价,依旧是推动3D打印机在民用领域发展的主要手段,相比而言,提速对降低成本、扩大市场的影响,要远大于降价,此时“FBS振动补偿”算法的出现, 其实也可以看成民用3D打印机在软件上的努力。

  小结:未来3D打印要与产业深度融合才有发展机会

  可以说,目前3D打印机已经开始在高端市场或研究领域出现了少量应用。但3D打印要大规模应用在生产线上,还面临着极大的问题。即便3D打印技术快速发展,其打印速度和成本,在未来很长一段时间内,都无法与传统工艺相抗衡,这对于现阶段以极大规模生产同样产品的现代工业而言,3D打印的个性化定制打印的优势无从发挥,缺点却很致命,因此可以说,3D打印在现阶段还难以大规模进入产业流水线。

  不过差异化经营、定制化产品是3D打印的优势,3D打印的可随时定制和改变输出的优势让它在一些领域可得到很好的应用,这也成为3D打印切入工业化生产的最好的契机。在这种情况下,3D打印如何与产业深度融合,为定制产品服务,就成为3D打印机发展的新机遇。

  套用一句老话,3D打印的“前途是美好的,道路是曲折的”,虽然3D打印在军工、医疗领域方面小有斩获,但切入主流的产业和民用领域,目前难度还很高。也许在以往,我们更多的是等待硬件的突破,但FBS算法的出现,虽然不能说解决应用问题,但至少让我们看到,3D打印机进入了一个软硬件结合、全面发展的新阶段。

  

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