【探索世界工业科技前沿】之二:3D打印

发布时间:2015年04月06日 23:12 | 来源:看厦门


   3D打印机,一种在二十年前便已用于工业试生产的快速成型技术。现在,这种技术正在走进家庭。3D打印技术被业界许多人视作第三次工业革命的驱动力。不过,只有当3D打印机可以打印金属和线路板的时候,才会真正大放异彩。当工厂可以放在桌面上,每个人都可以随心所欲地生产独一无二的小产品时,它将会动摇 传统工业的根基。这是真正的按需生产模式,在这种模式下,任何个性化的要求都可以得到满足,工业界一直梦寐以求的小批量大批次柔性生产方式,终于可以达到极致。

什么是3D打印?

  3D打印,即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。   
   3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印 而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其 他领域都有所应用。

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与普通打印的区别?

  日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品,而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同,只是打 印材料有些不同,普通打印机的打印材 料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料,打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把“打印材 料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说,3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备,比如打印一个机器人、打印玩具车, 打印各种模型,甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术称为 3D立体打印技术。
  3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式,并以不同层构建创建部件。 3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。

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历史发展

  3D打印技术出现在20世纪90年代中期,实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同,打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。
  1986年,Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机。
  1993年,麻省理工学院获3D印刷技术专利。
  1995年,美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。
  2005年,市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。
  2010年11月,世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。
  2011年6月6日,发布了全球第一款3D打印的比基尼。
  2011年7月,英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。
  2011年8月,南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。
  2012年11月,苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。
  2013年10月,全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。
  2013年11月,美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”(SolidConcepts)设计制造出3D打印金属手枪。

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那些很酷的应用实例


世界第一台3D打印车

  2014年10月29日,在芝加哥举行的国际制造技术展览会上,美国亚利桑那州的Local Motors汽车公司现场演示世界上第一款3D打印电动汽车的制造过程。这款电动汽车名为“Strati”,整个制造过程仅用了45个小时。Strati 采用一体成型车身,最大速度可 达到每小时40英里(约合每小时64公里),一次充电可行驶120到150英里(约合190到240公里)。Strati只有49个零部件,动力传动系 统、悬架、电池、轮胎、车轮、线路、电动马达和挡风玻璃采用传统技术制造,包括底盘、仪表板、座椅和车身在内的余下部件均由3D打印机打印,所用材料为碳 纤维增强热塑性塑料。Strati的车身一体成型,由3D打印机打印,共有212层碳纤维增强热塑性塑料。辛辛那提公司负责提供制造Strati使用的大幅面增材制造3D打印机,能够打印3英尺×5英尺×10英尺(约合90厘米×152厘米×305厘米)的零部件。

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全世界首款3D打印的笔记本电脑

  2014年11月10日,全世界首款3D打印的笔记本电脑已开始预售了,它允许任何人在自己的客厅里打印自己的设备,价格仅为传统产品的一半。这款笔记本电脑名为Pi-Top,将会到2015年五月才会正式推出。但是,通过口耳相传,它现在已在两周内累计获得了 7.6万英镑的预订单。

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饿了?3D打印披萨吃吧!

  宇航员前往火星需要携带大量的食物,不过如果仅需要通过按一个按钮就可以得到他们所想要的食物呢?
  根据 QUARTZ 的报道,NASA目前正在集资来开展这个3D食品打印计划。NASA将这个项目交由机械工程师 Anjan Contractor 和他的公司—— Systems & Materials Research Corporation 开发,致力于开发出能够生产披萨的太空食品合成原型机。
  Contractor 的食物合成机可以通过暗盒里的粉末和食用油将食物一层一层地打印出来,并保证其营养均衡(机器可以根据原材料打印出各种有机食品,而披萨则是蛋白质类食品中最好的选择)。目前,Contractor 已经开发出巧克力打印机,下一步则是披萨。
  之所以选择披萨也是因为披萨是一个拼凑而成的大杂烩。这就使得每一个打印头只要打印好自己部分即可:生面团在打印的时候同时也会进行加热;酱料则有番茄粉,食用油和水混合而成;而所谓的“蛋白质层”则会有乳制品,肉类和蔬菜构成。
  打印机内的食材有30年的保质期,足以应付宇航员的火星之旅。

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有了3D打印 还愁当房奴?

  美国南加州大学的“轮廓工艺”3D打印技术项目,由美国航天局出资赞助。据“轮廓工艺”项目负责人、南加州大学教授 比赫洛克•霍什内维斯介绍,“轮廓工艺”其实就是一个超级打印机器人,其外形像一台悬停于建筑物之上的桥式起重机,两边是轨道,而中间的横梁则是“打印头”,横梁可以上下前后移动,进行X轴和Y轴的打印工作,然后一层一层地将房子打印出来。
  “轮廓工艺”的工作速度非常快,24小时之内能打印 出一栋两层楼高、2500平方英尺(约合232平米)的房子。“轮廓工艺”3D打印技术目前已可以用水泥混凝土为材料,按照设计图的预先设计,用3D打印 机喷嘴喷出高密度、高性能混凝土,逐层打印出墙壁和隔间、装饰等,再用机械手臂完成整座房子的基本架构。全程由电脑程序操控。

 

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3D打印头盖骨

  2014年8月28日,46岁的周至农民胡师傅在自家盖房子时,从3层楼坠落后砸到一堆木头上,左脑盖被撞碎,在当地医院手术后,胡师傅虽然性命无损,但左脑盖凹陷,在别人眼里成了个“半头人”。
  除了面容异于常人,事故还伤了胡师傅的视力和语言功能。医生为帮其恢复形象,采用3D打印技术辅助设计缺损颅骨外形,设计了钛金属网重建缺损颅眶骨,制作出缺损的左“脑盖”,最终实现左右对称。
  医生称手术约需5至10小时,除了用钛网支撑起左边脑盖外,还需要从腿部取肌肉进行填补。手术后,胡师傅的容貌将恢复,至于语言功能还得术后看恢复情况。

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3D打印脊椎植入人体

  2014年8月,北京大学研究团队成功地为一名12岁男孩植入了3D打印脊椎,这属全球首例。据了解,这位小男孩的 脊椎在一次足球受伤之后长出了一颗恶性肿瘤,医生不得不选择移除掉肿瘤所在的脊椎。不过,这次的手术比较特殊的是,医生并未采用传统的脊椎移植手术,而是 尝试先进的3D打印技术。
  研究人员表示,这种植入物可以跟现有骨骼非常好地结合起来,而且还能缩短病人的康复时间。由于植入的3D脊椎可以很 好地跟周围的骨骼结合在一起,所以它并不需要太多的“锚定”。此外,研究人员还在上面设立了微孔洞,它能帮助骨骼在合金之间生长,换言之,植入进去的3D 打印脊椎将跟原脊柱牢牢地生长在一起,这也意味着未来不会发生松动的情况。

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3D打印手掌治疗残疾

  2014年10月,医生和科学家们使用3D打印技术为英国苏格兰一名5岁女童装上手掌。
  这名女童名为海莉•弗雷泽,出生时左臂就有残疾,没有手掌,只有手腕。在医生和科学家的合作下,为她设计了专用假肢并成功安装。

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3D打印在中国

  近来这一、两年3D打印技术日渐成熟,机械设备也逐渐平价化,各种形式的“3D打印机”席卷全世界,相关的技术应用 与发明创作不胜枚举。这一个潮流不但开始影响各个产业的生产制造模式,也慢慢地与一般大众的生活产生了关联。3D打印技术,相较于以往不但更新了生产的流 程,从设计到制造之间的时间与程序也大幅缩短,并且可以做出传统工艺制程无法完成的复杂精细的形状。将来跨国的制造业者更有可能把超大型的工厂规模缩小, 并将工厂分散至各国主要供应市场,即时提供平价本地化产品,如此才能迎合各地口味不同的市场产品需求,也就是说竞争的立足点与中小型企业相当了。
   3D打印的成本未来3年将出现下降,促使低价3D打印机市场快速扩张。它的工业用途也将持续扩张。该类技术的扩张在工业、生物医学和消费应用中将尤其突 出,凸显出该趋势的切实存在,证明3D打印是可行的、成本效益好的方式,通过改进设计、简化原型设计和短期制造帮助降低成本。
  国内3D打印技 术的推广与应用尚在起步阶段,无论是工业应用,还是个人消费领域都存在广阔的发展前景。对于工业领域而言,国内在激光熔覆方面的技术具有一定优势,这有助于在以激光烧结为成型技术的3D打印设备制造和打印服务领域进行发展。对于个人消费领域,应用的推广速度取决于对于3D打印这一技术认知的提高,以及相关 辅助平台,如软件设计,制作文件库的发展。

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