3D打印技术与未来应用.doc
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1、3D打印技术与未来应用对于关注打印领域的读者来说,3D打印技术也许并不是什么陌生词了。而普通大众关注3D技术,还要追溯到前年年初上映的詹姆斯卡梅隆的3D大片阿凡达。虽然电影阿凡达描绘的美丽景象没有在观众记忆中停留多久,但3D影像技术带给观影者震撼的视觉冲击,却一直影响着随后电影工业的发展,从阿凡达开始,几乎所有的大制作高成本影片无不推出3D版,而前段时间上映的3D影片超凡蜘蛛侠更是叫好又叫座,这说明3D技术的电影制作已经深入人心,并深受大众喜爱。近几年“3D打印”成了超前科技的代言词,火遍全球。其实3D打印并不能算是一项新技术,它早在20世纪80年代便已产生,只是因为成本巨大,在最近几年才进军
2、艺术界和工业界,用以制造假肢、汽车零部件、家具和珠宝等。由于其迅猛的发展态势,也许在未来的某一天,3D打印能够像上帝那样打印出人类。得益于3D技术制作的电影受到好评,现如今3D技术的发展涉及到了各行各业。而在制造行业,“3D打印技术”的影响正在日益凸显。你可能觉得3D打印技术是边缘技术,只有标新立异的人或者是高端设计室才用,但其实在不经意中,你早就接触到了3D打印产品。比如在牙科诊所,很多定制的口腔设备现在都在使用3D打印机。口腔防护器可调整牙齿的排列,牙科医生扫描了牙齿的位置后就可以利用软件制作一个塑料模型,带上数月后就可以把牙齿调整到合适的位置。另外利用3D打印机可以很快的制作出牙齿的模型
3、,牙医可以现场磨制假牙给你换上。应用 无法替代传统制造方式,成本、材料因素限制市场 3D打印上世纪80年代诞生于美国,学名是“增材制造”,是将材料一次性熔聚成型的制造方式,与传统对原材料进行切削等的“减材制造”方法相反。 “与盖楼过程一样,3D打印也是从地基建起,通过打印材料的层层叠加,最终形成一个完整的立体物品。”华中科技大学材料科学与工程学院教授史玉升说,理论上,塑料、金属、陶瓷、沙子等材料做成粉状物后都可以用作打印的“墨水”。 新产品在实际制造成型后,可能与原设计有出入,因此量产前常常需要样品验证,3D打印正好发挥了其在单件或小批量生产上的优势。另外,3D打印在高端尤其是复杂零件加工上有
4、较大潜力。传统制造方法需要经过开模具、铸造或锻造以及精加工,费时费料。而3D打印的一次成型技术,能够打印出设计好的复杂结构,节约了材料,降低了零部件的研制周期和成本。 “有一家铸造企业用选择性激光烧结3D打印机,将复杂铸件的交货期由传统的3个月缩短到了10天左右,”史玉升举例说,“还有某发动机制造商采用这样的设备,把大型六缸柴油发动机缸盖砂芯的研制周期,由过去的5个月缩短至1周左右。” 速度快、省材料、能轻松应对结构复杂的产品既然身兼种种特长,3D打印技术已诞生30多年,为什么一直没发展起来? 中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军认为,关键在于3D打印技术对传统制造技术的替代作用不强。虽然在部分
5、产品的小批量生产和模具生产上颇有优势,但在大批量生产上,3D打印的速度和成本其实都比不过传统制造方式。打印材料品种的单一和昂贵的成本,使其局限于对价格敏感度不高的产品,市场应用领域有限。 “3D打印技术只是传统制造业的补充。”史玉升表示。罗军也认为,3D打印技术擅长解决个性化、复杂化、高难度的生产技术,而传统制造业擅长批量化、规模化和精益化的生产,两者是互补关系,“不是谁替代谁的问题”。 在罗军看来,3D打印技术没得到大发展的另一个原因在于,国内3D行业“小而散”的局面影响了产业的推广。因此,去年10月15日,中国3D打印技术产业联盟成立,集合了国内40多家从事3D打印的企业和科研单位。罗军希
6、望通过联盟形成合力,以行业抱团发展模式逐步打开市场。 现状 设备、材料及应用领域与国外尚有差距,活体组织打印是未来重要方向 发展3D打印技术,中国其实起步并不晚。这方面的研究在上世纪80年代末就已开始,研究力量集中在西安交通大学、华中科技大学和清华大学等高校。 目前,这3所高校仍是我国3D打印技术的研究重地,其中西安交通大学侧重研究光固化技术,华中科技大学的优势在于激光粉末烧结技术,而清华大学则侧重塑料堆积技术。 史玉升表示,我国生产的3D打印机装备功能已经接近国际先进水平,两者的差距主要体现在装备的可靠性和材料研发上。“部分3D打印机的关键器件需从国外进口,而用国产零件生产的打印机稳定性不够
7、。”此外,我国在材料质量和品种上还远不如美国、德国丰富,许多研发的实验材料也需要进口。 “更大的差距体现在应用上。”史玉升说,在国外,3D打印技术已经在新产品开发、生物医疗、航空航天、影视教育创意等方面有较多应用,而我国还主要局限于模具打印、文化创意产品等少数领域。 另外,在西方国家,3D打印技术可以打印出个性化的假牙、假肢,在医疗健康领域已经取得成效。不过,“假”的东西并不能让人们满足。“未来3D打印技术一个前沿方向是研究如何打印活的人体零件。”史玉升说,只要能找出与人体相容的材料,打印出网状物,再把人体的细胞放上去培养,就能制造出真正的人体组织了。 不过,当前打印人体器官还只是一种科学愿景
8、,这依赖于打印材料和技术上的突破,并需要开展生物、医学、计算机等多学科来交叉研究。 虽然还有不小差距,但3D打印技术已经算是我国制造行业与国外先进水平差距很少的技术之一,部分领域几乎同步,在某些方面还具有自身特色和一定的优势。北京航空航天大学的王华明教授曾打印出世界上最大的钛合金复杂构件,产品整体性能远超锻件。 史玉升认为,中国要从制造业大国走向强国,依靠当前加工型的、技术含量低的生产手段难有根本改观,国家应加强对3D打印技术研究的支持。 据了解,我国从去年底已经启动了中国工程院增材制造咨询项目,为未来中国3D打印技术发展献计献策。 3D打印的工作原理说到它的原理,其实也并不不复杂,其运作原理
9、和传统打印机工作原理基本相同。传统打印机是只要轻点电脑屏幕上的“打印”按钮,一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上,它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而3D打印机首先将物品转化为一组3D数据,然后打印机开始逐层分切,针对分切的每一层构建,按层次打印。MakerBot公司的3D打印机打印时,粉末耗材会一层一层地打印出来,层与层之间通过特殊的胶水进行粘合,并按照横截面将图案固定住,最后一层一层叠加起来,就像我们坐在海边用沙子堆砌城堡一样的程序,最终经过分层打印、层层粘合、逐层堆砌,一个完整的物品就会呈现在我们眼前了。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。
10、Objet Connex 3D打印机工作原理堆叠薄层的形式有多种多样。有些3D打印机使用“喷墨”的方式。例如,一家名为Objet的以色列3D打印机公司,使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上,此涂层然后被置于紫外线下进行处理。Objet Connex 3D打印机工作原理之后铸模托盘下降极小的距离,以供下一层堆叠上来。另外一家总部位于美国明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一种叫做“熔积成型”的技术,整个流程是在喷头内熔化塑料,然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。Objet Connex 3D打印机工作原理(点击看大图)还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒
11、在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层,然后由喷出的液态粘合剂进行固化。Objet Connex 3D打印机工作原理(点击看大图)它也可以使用一种叫做“激光烧结”的技术熔铸成指定形状。这也正是德国EOS公司在其叠加工艺制造机上使用的技术。而瑞士的Arcam公司则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒。以上提到的这些仅仅是许多成型方式中的一部分。Objet Connex 3D打印机工作原理(点击看大图)当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时,介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸,最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。Objet Connex 3D打印机工作原理(
12、点击看大图)如今可用于打印的介质种类多样,从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质,令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。3D打印的发展现状3D打印,过去在科研、教学或者制造领域被称为“快速成型技术”。3D打印”这个更为形象的叫法快速被大众接受和普及。随着材料科学的快速发展,快速成型技术正在各个领域均有极大延伸,比如打印建筑物、打印汽车、打印人体器官、打印骨骼,而且我们还可以用3D打印机打印自己设计的衣服。我们首先用扫描仪对自己的身体进行一下扫描,这样就能得到我们身材的尺寸,然后通过CAD对扫描数据进行加工和修改,这样我们就可以自己打印出衣服和裤子。目前美国的3D打印
13、技术较为领先,应用范围更广。近期,全美第一家3D打印机耗材专营店在纽约曼哈顿的NOHO地区正式开业。据悉,这家商店是由全球3D打印设备领头羊企业MakerBot公司开设的。并推出了最新一代也是该公司的第四代3D打印机“Replicator2”。该机器具有更加灵巧的外观以及3倍于老款机器的打印精度。据了解,MakerBot零售店里并不提供现场3D打印服务,而且正在销售的3D打印机产品则要价2199美元(约合14000元人民币)。而据MakerBot的未来业务规划显示,该公司还会再明年年初推出第五代机器Replicator2X,该机器可以满足发烧友和专业人士对打印效果的需要。对此,MakerBot
14、的CEO佩蒂斯在早前新闻发布会上说到:“我们所推出的新款打印机制定了桌面3D印刷的标准。打印出来的东西再也不会像过去那么粗糙了。如果未来零售业务运行良好的话,那就代表3D打印将进入主流消费市场。”MakerBot Replicator而在国内,今年1月份,华中科技大学材料科学与工程学院副院长史玉升带领的团队成功研制出世界上最大的3D立体打印机,并且凭借这一研究成果入选两院院士评选的“2011年中国十大科技进展”,中国的3D打印正在快速发展,从工业和制造业应用开始朝个人和小型化方向发展。早期一套用于工业设计制造的3D打印设备在10万美金左右,近几年价格降低到2万美金左右,而小型化个人桌面3D打印
15、机售价在1000美金左右,史玉升研制的这款3D立体打印机UP!3D官方售价9999元人民币,这款国产3D打印机已经在美国等国外地区销售。3D打印早已来到我们身边目前,3D打印使产品供应链的格局和人们的生活方式都发生了转变。而且它的应用范围之广让人难以置信。今天笔者就列举几项和我们生活密切相关的例子,让大家感受一下3D打印离我们并不遥远。食品行业英国埃克塞特大学研究人员,去年推出世界首台3D巧克力打印机。是了,你没有看错。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。建筑设计在建筑业里,工
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