6大彩色3D列印技術引領未來汽車、醫療等行業CMF設計新紀元
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3D列印技術發展到今天，FDM、SLS、3DP、SLM、SLA等各種不同的技術仍然在快速革新，然而全彩色3D列印將成為增材製造領域一個重要的發展趨勢。Stratasys聯合震旦近期發布的Polyjet全彩3D列印解決方案，在色域覆蓋上，已經從36色提高到50萬色，色域空間已經達到美國印刷標準色域（SWOP）的120%，已經能夠實現屏幕上的顏色到最終列印出模型上顏色的一致性，對於彩色3D列印而言，這是一次技術上的里程碑式的升級，也代表著彩色3D列印元年的開啟。
StratasysPolyjetJ750體素級3D列印展示
據了解，在二維平面進行色彩管理是基於白色紙張作為底色進行的多色墨滴或彩色墨粉而進行的，在三維空間進行色彩管理，還需要結合材料的折射、反射、透光等因素，以及透明材料和非透明材料的組合，是一個極為複雜的三維色彩管理模型，還需要考慮到材料的特性，在三維空間對色彩的管理的難度非常大，這也是為何我們在過去很難得到色彩還原很好的全彩模型的原因。
隨著技術的發展和進步，彩色3D列印技術作為增材製造的一個細分市場，將是未來的重要趨勢之一。
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一、目前較為成熟的幾種彩色列印技術方案
1. LOM技術
所用的材料是紙張，切割逐層薄片疊加，並在每層噴射相應顏色的墨水，最終成型相應的模型。特點是成本低，效率高，缺點是模型不具備功能材料特性，適合做教學模型和純外觀模型；
圖 LOM技術的代表機型：McorArke，零售價超過30萬
圖 LOM技術實現彩色3D列印效果
2. 全彩噴墨FDM技術(3DColorJet技術)
全彩噴墨FDM列印結合了FDM和噴墨技術，利用FDM技術列印模型，每一層列印完，在材料表面噴射CMYK色彩管理的彩色墨水。特點是模型表面顏色鮮艷，缺點是列印速度慢，模型表面有層紋效果；
圖 全彩噴墨FDM列印的彩色3D列印方案，硬體零售價5萬左右
圖 全彩噴墨FDM列印的彩色3D列印樣品展示
3. Multi Jet Fusion技術
這是惠普剛剛在國內發布的全彩3D列印解決方案MJF列印技術，彩色墨滴噴射解析度能達到1200dpi，實現1600萬種sRGB色彩，結合半色調技術和尼龍粉末逐層固化，然後配合四色墨水噴射方案，從而實現全彩3D列印的效果，優點是不需要支撐材料和尼龍材料100%利用，尼龍材料具有結構測試和功能驗證特性，整體方案具有一定的性價比，缺點是暫時無法實現透明效果和多材料混合效果列印；
圖 惠普JetFusion580Color3DPrinter彩色3D印表機，設備零售價在130萬左右
圖 惠普JetFusion580Color3DPrinter彩色3D印表機列印樣品
4. PolyJet技術
除了FDM技術之外，全球列印巨頭Stratasys的另一大核心列印技術PolyJet技術，目前最新的全彩多材料3D印表機J750升級後和J735（尺寸比J750小，價格低14%，其它配置與J750完全相同）能夠同時支持6種材料，採用噴射+光固化方案，從而實現模型顏色的控制、軟硬度、透明度、紋理等其它3D列印技術所不具備的表現力，尤其是這次發布的新內容包括新增的鮮明色彩的材料（實現真實的紅色、黃色、橙色）、GrabCAD Print軟體擴展的顏色配置文件（屏幕顏色和最終列印出的顏色能夠實現一致性）、GrabCAD Print軟體切片功能（在同一個列印文件中列印具有全彩色VRML紋理的透明度）。
圖 Stratasys Polyjet技術實現體素級3D列印
圖 Stratasys Polyjet全彩3D列印樣品
截止到今天，拋出硬體成本和耗材成本的因素，單純輸出結果最高來判斷，Polyjet技術是目前世界上最好的全彩色3D列印方案，能夠實現體素級3D列印結果，全彩色+多材料為創意和客戶需求提供了各種可能性。
5. WJP技術
這是國內企業賽納的主打3D列印技術方案，技術原理與PolyJet類似，然而樹脂材料、色彩管理與Stratasys完全不同，也能夠實現全彩色多材料的控制，目前主要應用醫療和教育行業。據了解，隨著應用的深入，越來越多的功能性樹脂材料將被引入。
圖 珠海賽納WJP彩色3D列印技術方案，硬體售價超過200萬
圖 珠海賽納WJP彩色3D列印技術樣品展示
6. CJP技術
以3DSystem的Projet660為例，CJP技術採用的是石膏粉末+噴射CMYK四色管理的粘合劑的方案，過去在全彩人像列印服務中比較常見，特點是一種相對低成本的彩色列印方案，缺點是模型表面精細度和色彩表現一般。
圖 3DSystemProjet660全彩3D列印人像解決方案，材料為石膏粉末
圖 3DSystemProjet660全彩3D列印解決方案，材料為石膏粉末
另外，日本Mimaki的UV噴墨技術是在傳統UV平板印刷的基礎上衍生而來的3D列印技術，原理上和Polyjet、WJP類似，但是採用這種方案的企業大多來自傳統二維印刷設備供應商，佳能的UV平板印刷機很早就能實現5CM高的全彩列印效果，理論上也屬於彩色3D列印的範疇。對於傳統的具有UV平板印刷設備的品牌，進入彩色3D列印的門檻相對較低。
圖 Mimaki日本UV印刷3D列印彩色解決方案展示，能實現1000萬色
二、彩色3D列印的4大應用
1. 汽車內外飾和車燈原型製作
直接列印汽車的彩色或半透明原型，相比傳統工藝製作成本減少90%，製作周期從幾周幾個月縮短至幾小時、幾天。
圖 Polyjet技術：3D列印汽車內飾模型表面的紋理
圖 Polyjet技術：3D列印汽車大燈樣件
圖 Polyjet技術：3D列印汽車檔把樣件
圖 Polyjet技術：3D列印汽車尾燈樣件，紅色、黃色、橙色得到真實還原
2. 醫療行業的術前模型和教學模型
樹脂材料列印醫學模型早有先例，然而彩色的好處是可以區分組織、病患、血管、神經等細節，看起來更加直觀和真實，這是單色模型所不具備的優勢。
圖 Polyjet技術：人體大腦頭部模型
圖 Polyjet技術：人體內臟模型
圖 Polyjet技術：人手的血管、骨骼模型
3. 快消行業產品外包裝打樣
彩色列印能夠對顏色和材料進行更真實的控制，升級後的色彩管理能夠達到快消行業對艷麗色彩的要求。
圖 Polyjet技術：化妝品包裝
圖 Polyjet技術：化妝品模型
4. 原型設計
過去做原型設計，主要用來做外觀驗證和結構驗證，當加入色彩之後，表面紋理或顏色能夠讓原型設計的完成度更高，無需後期上色，原型設計的效率進一步提高，在原型設計方面，屬於一步到位的方案。
圖 Polyjet技術：3D列印耳機樣件
圖 Polyjet技術：運動鞋模型
圖 Polyjet技術：3D列印自行車頭盔
圖 Polyjet技術：食品模型
三、未來彩色3D列印在應用落地過程中亟待解決的問題
1. 急需優秀的三維設計
優秀的三維設計是推動彩色3D列印的根本力量。針對彩色3D列印優化的設計，目前具備優秀的彩色三維數據設計能力的機構和個人仍然比較少，所以在很長一段時間內，設計能力的提升和針對全彩3D列印去做創新優化的設計是助推全彩3D列印普及的根本力量。
2. 高昂的硬體設備採購成本
由於用戶基數少，使用頻率低，硬體設備銷售暫時無法收回前期研發投入和企業的利潤訴求，所以在一段時間內，全彩3D列印與金屬3D列印一樣，仍然會是增材製造行業的高階應用，樹脂材料噴射技術的硬體設備目前在100萬-400萬不等，即便是3DP技術的硬體也在50萬以上，LOM技術的設備在30萬以上。
3. 較高的後期使用成本
全彩3D列印由於技術的不同，耗材方案也有所區別，比如單色的基材（紙張、尼龍粉末、石膏粉末、單色樹脂）材料的成本會不斷降低，但是輔助材料是供應商的利潤來源，比如彩色的墨水、彩色的樹脂、精細劑、增亮劑等，材料整體的成本仍然比較高。目前以列印服務的收費來看，全彩3D列印的報價在6-10元/克左右，根據不同的技術方案有所差異，我們知道單色SLA技術列印樹脂的列印服務報價已經到1元/克甚至更低。而當使用率上升之後，噴射技術方案的列印頭也將會增加後期維護的成本。為此，Stratasys針對J750免費更新的高級性能包括4個列印頭（E6），全新的支撐材料（SUP706B），後期維護降低35%。
4. 應用的價值傳遞困難
這一點其實並不針對全彩3D列印，對所有新技術都通用，也就是說利用全彩3D列印的解決方案能幫助客戶產生多大的效能，成本降低多少，效率提高多少，時間縮短多少，或者能夠傳遞給客戶的價值到底是什麼？這是讓客戶接受全彩3D列印方案非常非常重要的點，目前仍然需要時間和溝通緩慢引導客戶進行測試和體驗，從而推進應用價值的傳遞。我們看到國外的用戶使用全彩3D印表機在應用價值方面取得了不錯的改善，比如顯著縮短生產時間，提高產品設計迭代效率，減少列印環節和步驟，減少打樣成本等等，但在國內，我們目前看到的全彩3D列印解決方案的實際應用案例還比較少。
素材來源於中關村在線 作者：李剛，CMF軍團編輯整理
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