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3D技术应用

发布时间:2017-06-10   来源:科技软硬件  作者:综合处   阅读次数:  【字体 】   打印

    3D技术是推进工业化与信息化“两化”融合的发动机,是促进产业升级和自主创新的推动力,是工业界与文化创意产业广泛应用的基础性、战略性工具技术,嵌入到了现代工业与文化创意产业的整个流程,包括工业设计、 工程设计、 模具设计、数控编程、仿真分析、虚拟现实、展览展示、影视动漫、地产宣传片、3D立体画、电子楼书、教育训练等,是各国争夺行业至高点的竞争焦点。
    经过多年的快速发展与广泛应用,当前3D技术得到了显著的成熟与普及;一个以3D取代2D、“立体”取代“平面”、“虚拟”模拟“现实”的3D浪朝正在各个领域迅猛掀起。
    3D技术的应用普及,有面向影视动画、 动漫、游戏等视觉表现类的文化艺术类产品的开发和制作,有面向汽车、飞机、家电、家具等实物物质产品的设计和生产,也有面向人与环境交互的虚拟现实的仿真和摸拟等。具体讲包括:3D软件行业、3D硬件行业、数字娱乐行业、 制造业、 建筑业、 虚拟现实、地理信息GIS、3D互联网等等。
    统计表明,在现代工业产品开发生产过程中,70%错误在设计阶段已经产生,而80%的错误往往在生产或是更后续的阶段才被发现并进行修正。3D的突出优势在于能最大化的对产品进行仿真设计和用户沟通,尽可能早地将错误和需求变更解决在设计阶段,使产品开发周期缩短、生产成本降低,提升企业市场竞争优势。
    在西方发达国家,3D已成为产品设计、制造、管理、市场、服务、消费等的创新基础和新的竞争高地,而掌握最前沿3D技术,也为他们把控产业链、获取巨额利润提供了依托。当前全球近80%的飞机与50%的汽车都是使用法国达索系统的3D软件设计制造,欧特克更是在3D数字娱乐等众多领域引领全球创新走向。
    欲善其事,先利其器。作为信息化条件下新的基本“语言”、“工具”和“平台”,3D技术的研发与应用关系着中国产业结构的提升,以及在下一波世界竞争中占据怎样的位置。没有3D技术与人才的支撑,产业升级、自主创新、 文化软实力打造等将无从做起,“ 中国创造”将成为一句空话。把3D技术渗透到 工业化与信息化“ 两化融合”的实践中,渗透到文化创意产业创新发展的实践中,渗透到新一代创新型实用人才培养的实践中,渗透到持续推动自主创新的进程中,不仅是技术能力建设,更是国家创新能力与 文化软实力建设 上台阶的重要基础。
    3D打印技术,是以 计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用 激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同,3D打印将三维实体变为若干个二维平面,通过对材料处理并逐层叠加进行生产,大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。
立体印刷品具有图片新颖,极强的视觉冲击力等特点,从而达到醒目且过目不忘的效果;是当前一种图像表现形式。本产品是一种 印刷品的延伸品,因而凡印刷品适用的范围,本产品匀适用;同时又具有广告和防伪功效。
    立体眼镜不仅仅用于观看3D电影,还有非常刺激的3D游戏,很多游戏开发商所制作出的大型3D游戏需要的立体眼镜和我们平时看一些普通的3D电影的眼镜是不一样的,这种立体眼镜的技术原理要复杂的多。
    用于PC显卡的3D眼镜必须要有适配的显示器和处理器才行,所以这样的立体眼镜不仅是价格不菲,技术也很到位,对于普通人(只看看电影的)来说非专业的3D 游戏玩家或者爱好者,这样的装备用不到的。
    3D 全息投影是一种利用干涉和衍射原理记录并再现物体 真实的三维图像,是一种无需配戴眼镜的3D技术,观众可以看到立体的虚拟人物。这项技术在一些博物馆应用较多。3S动漫正是以这种全新的事物改变着人们对那些传统舞台的声光电技术的审美态度。适用范围产品展览、汽车服装发布会、舞台节目、互动、酒吧娱乐、场所互动投影等。3D全息立体投影设备不是利用数码技术实现的,而是投影设备将不同角度影像投影至进口的MP 全息投影膜上,让你看不到不属于你自身角度的其他图像,因而实现了真正的3D全息立体影像。
    3D游戏就是三维游戏,既是在游戏中使用3D模型来制作人物、场景等物体。使玩家可以在游戏中体会到长宽高三种度量,让玩家可以360度旋转视角,从各个角度来进行游戏。这大大增加的游戏的自由度、趣味度及真实性。目前3D游戏已经成为了时下最主流的游戏类型。当前也出现了一种2D+3D的伪3D,也被成为2.5D的技术,其实就是通过2D与3D技术的结合来满足不同需求的客户。但由于3D模型的面数及复杂程度等问题,3D游戏对于显卡运算能力要求远远高于2D游戏。因此很多3D游戏都需要较高配置的独立显卡来完成流程精彩的3D游戏体验。此外在画面的精细度方面也较2D游戏有所欠缺。

    一、3D打印机应用领域
  “上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”,其实3D打印技术并非新兴产物。3D打印机技术在成长发展时期一直被少数人所关注和使用,但技术的改变让3D打印成为了目前世界上最令人关注的技术之一并不为过,甚至有人称3D打印将会是第四次工业革命的起点。
中国首家3D打印体验馆的一幕。房间里的灯罩、鞋、玩具、人像等人们所能看到的一切摆件,都非工业流水线或手工制作而成,而全部出自一部机器――3D打印机。那么,3D打印真能颠覆传统制造业?
    3D打印机的应用对象可以是任何行业,只要这些行业需要模型和原型。3D打印机需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。
    1、航天和国防。
    GE中国研发中心的工程师们仍在埋头研究3D打印技术。就在这之前,他们刚刚用3D打印机成功“打印”出了航空发动机的重要零部件。与传统制造相比,这一技术将使该零件成本缩减30%、制造周期缩短40%。来不及庆祝这一喜人成果,他们就又匆匆踏上了新的征程。鲜为人知的是,他们已经“秘密”研发3D打印技术十年之久了。
    2、 医疗行业。一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染,因此换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨,这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。
     3、文物保护。博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害,同时复制品也能将艺术或文物的影响传递给更多更远的人。史密森尼博物馆就因为原始的托马斯·杰弗逊要放在弗吉尼亚州展览,所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。
     4、建筑设计。在建筑业里,工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型,这种方法快速、成本低、环保,同时制作精美。完全合乎设计者的要求,同时又能节省大量材料。
    5、 制造业。制造业也需要很多3D打印产品,因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产,所以制造业利用3D技术能带来很多好处,甚至连质量控制都不再是个问题。6、 食品产业。没错,就是“打印”食品。研究人员已经开
始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来,很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。当然,到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。
    二、3D打印成品案例
    3D打印照相馆。只需要10分钟的3D扫描,等待几小时,就可以得到实体人像。运用3D打印照相技术,打印人偶纪念品。
    3D打印枪。前不久,一则全球首支3D打印手枪的CAD制作文件在网络上被下载了超过10万次的消息引起了人们的恐慌。据报道,手机的打印设备,是Stratasys公司的Dimension SST型3D打印机。人们之所以恐慌,是因为按照这个道理,只需一台3D打印机就可以把枪制造出来,安全如何保障?
    3D打印枪像是一个更致命的武器玩具,一个玩具一旦超出了它本身的娱乐特性,涉及到安全问题后,本身的立场也就改变了。去年,美国的科迪威尔逊,他在大学的时候就计划研究3D打印枪,在几个月后,威尔逊和他的该团队实现了这一计划,成功的研制出了取名为“解放者”的3D打印枪,并且在随后拍摄的视频来演示射击金属钉的实验。这把枪的制造成本是由一台价值8000美元的3D打印机完成的,在之后,设计者试图制作更大口径的子弹来体现这帮枪的威慑力。
“中国龙”从3D打印机中脱“影”而出。自从人类进入工业化时代,大机器的生产方式始终遵循的是模具产品的模式。然而,昨日记者在软交会现场看到,不借助任何模具,一条精雕细刻的“中国龙”竟从3D打印机中脱“影”而出。
    打印音乐。为了探索3D打印机更多的应用,Rickard Dahlstrand使用Lulzbot 3D打印机创造出独特的艺术。在2013斯德哥尔摩艺术黑客节上,Lulzbot 3D打印机不仅为参加的艺术家和黑客们打印出艺术节的LOGO,而且作为一个表演项目,它还一边播放古典音乐一边相应地打印出可视化的音乐作品。Lulzbot 3D打印机打印可视化音乐的原理是:该步进电机的运动进行控制可以以不同的速度运行,声音的音调决定速度,从而音乐控制了打印过程。三台电机分别代表一个音轨,它们使用独特的模式运动。两个马达控制Z轴移动。
    澳研究人员用3D打印机制作出放大版的昆虫标本。澳大利亚有很多出了名的大虫子,比如长达20英寸的泰坦竹节虫(Titan stick insect)。不过,其国内也有很多微小的昆虫,比如小巧玲珑的wheat wheevil。(中文学名叫啥来着?)为了能够"更进一步"地研究微小昆虫,澳大利亚的国家科学机构,便利用3D打印技术,制作出了放大倍数有些夸张的3D副本。
    半加工品的3D打印小提琴。
    日前在国外,世界上第一台3D打印小提琴诞生,但它事实上是一个半成品,这把小提琴的制作者亚历克斯戴维斯用3D打印制作出主要的提琴身体部分后,他和他的团队再铺上报纸和胶水塑料来完成后半程的制作。琴颈部用一块硬纸板以及一些简单的装饰,不久的几日后,在YouTube上大家就听到了一段并不算的悦耳的演示视频,而他的制作者说:这不算什么,只不过花费了一个周末和12美金。
    打印干细胞。
    干细胞又叫起源细胞,是一类具有自我复制能力的多潜能细胞,在一定条件下,它可以分化成多种功能细胞。它是一种未充分分化,尚不成熟的细胞,具有再生各种组织器官和人体的潜在功能。虽然现在3D打印技术还不能将其完美的应用到医疗技术上,但科学家们已经对这种设想进行了深度的尝试。
    替换骨头
    其实目前已经有很多的报道都在讨论,3D打印技术应用到医疗事业上是对人类而言最大的福利,对于打印人体器官的想法也一直在不断的实践,打印器官虽然还是一个梦想,但目前已经成功的实现了一些例如头骨的取代,接近75%的完美还原性让3D打印在未来的成熟性值得期待。
     仿声耳
    依然还是围绕着医疗技术而言,国外研究人员通过截取人类的小腿细胞聚合物与纳米颗粒制成了可以重新代替人类听觉的接收器,这种类似于无线电信号的“仿生耳”也就此诞生。
    总结
    虽然3D打印已涵盖汽车、航天航空、日常消费品、医疗、教育、建筑设计、玩具等领域,但由于打印材料的局限性,产品多停留在模型制作层面。也就是说,目前3D打印技术的优势主要是缩短设计阶段的时间,使得设计者的模型实现起来比较便利。譬如,在传统的制造业流程中,不管什么行业,设计师的图纸,需要在拆分为各个元素后,去开模,然后再组装,其弊病就是花费的周期比较长。而当设计师对模型做出调整后,相同的步骤又得重复一遍,循环往复。而有了3D打印,设计师的图纸可以快速变成实体的东西,然后开模,进行规模化大生产。 3D打印技术的意义,更在于设计环节的时间成本的节约。


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