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3D打印,个性化触手可及

发布时间:2015-09-01

张明辉 

  3D打印技术是一种与传统的材料去除加工方法相反的,基于三维数字模型的,通常采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺。因此,3D打印技术的特点是分层制造、逐层叠加,类似于积分过程。实际上,3D打印是一种快速成型技术,是一种较为成熟的工业制造方法。上世纪80年代,3D打印的概念已经出现,随后开始在实验室萌芽。近年来,随着社会的发展,人们对个性化的要求越来越高,都希翼能够使用限量版、独一无二的产品。而3D打印在不增加制造成本的情况下,非常适合满足这类需求。因此,3D打印技术受到了包括《经济学人》杂志等的广泛追捧和看好。3D打印的潜能和应用领域也在快速扩大,从模型、生活用品到艺术品,甚至到航空航天零部件、医用生命体等都能发挥3D打印技术的创造性和独特性。 

  根据零件的形状,3D打印App通过计算机辅助设计完成数字切片,每层切片截面类似于一张医学CT像片,App将零件的切片信息传递给3D打印机,然后在计算机的控制下3D打印机按照接收到的信息逐层制造极薄厚度和特定形状的切片截面,再依次将截面粘结叠加,直到形成一个立体的固态零件。3D打印的过程(如图1所示),在XYZ三个方向同时实现增材制造,最终制备三维零部件。由此可见,3D打印技术与传统喷墨打印机最大的区别在于使用的墨水是组成零部件的真实原材料。 

   

  1 3D打印的工作过程 

  目前,影响3D打印技术发展的因素主要有两方面:打印材料和设备。与设备的开发相比,新型打印材料的研发更具有难度。3D打印耗材与普通材料并不相同,需要经过特殊处理,能够满足固化反应速度高、快速精确成型、使用简便等要求,此外,不同的3D打印技术对耗材的要求也不尽相同。按照材料的化学性能不同,3D打印耗材可分为树脂类材料、工程塑料、陶瓷材料、金属材料、人造橡胶和石蜡材料等。3D打印材料目前的价格从几百块至四万块每千克不等,国内大部分耗材依赖进口。3D打印耗材一般为液态、粉状、丝状、片层状等,固化的方式有加热、降温、紫外线和激光烧结四种。目前,比较成熟的3D打印技术主要是熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结技术(SLS)、光固化成型(SLA)和分层实体制造(LOM)。 

  3D打印不仅能够按需定制、节省原材料,还可以在艺术领域发挥其独特的个性化魅力。3D打印技术在复杂结构、镂空花纹等领域的制造能力独一无二,能够将艺术家天马行空的想象变为现实。3D打印技术可以创造出以前在形状和尺寸上难以实现的雕塑作品,在数字建模的基础上,通过成千上万的逐层打印制造出三维实体(图2是利用3D打印技术制造的三维维纳斯雕塑)。对于复杂的镂空设计,3D打印实现了传统工业技术无法达到的境界,为艺术创造提供了广阔的想象空间(图3是利用3D打印技术实现的镂空花纹艺术作品的制造)。 

   

  2 3D打印的雕塑维纳斯

  

  3 3D打印的镂空艺术品

  3D打印的个性化日常用品不仅可以丰富人们的生活,还可以根据个人的习惯、爱好和身体特征制造生活用品。这就极大地提高了人们的生活质量和便利,为社会的发展和多样化提供了可靠保障。在不远的将来,人们可能不用再外出购物,只需要在家里打印日常生活用品。这不仅可以节约时间和金钱,还可以根据当时的需求和条件,打印一些创新性的居家用品,服务于一个特定的目的。比如,为了充分利用好最后一滴牙膏,可以利用3D打印机量身定制合适的牙膏推(具体如图4所示)。3D打印或将是一场潜在的变革,将会彻底改变人们的生活方式。在将来,人们可能不用去超市或者网店购买衣架、灯罩等生活用品,只需要购买设计即可,然后在家中或指定的机器中打印出来。3D打印在生活中的应用将会体现科学、实用和艺术的完美结合(图5是一台简易3D打印机正在利用塑料丝制造水杯)。此外,3D打印技术甚至可用于制造美食。美国康奈尔大学创新机械实验室一直处于3D打印食物的技术前沿,他们目前可以利用3D打印机制造任意美食(图6是利用3D打印技术制造的部分美食产品)。 

  

  4 3D打印的牙膏推

   

  5 台式3D打印机正在逐层制造水杯

  6 3D打印的航天飞机奶酪、雀巢拖拉机巧克力、彩色糖果和鹰嘴豆糕 

  3D打印是材料、机械和信息技术集成发展的产物,在航空航天、汽车和生物医学等领域具有广泛的应用前景。3D打印技术目前在航空航天领域应用比较广泛,主要是由于三方面原因造成:第一,航空航天装备的外形和内部结构较为复杂,传统制造工艺难以精准加工;第二,3D打印可以轻松加工高熔点、高硬度的材料;第三,3D打印的产品十分接近使用要求,不需或者仅需少量的后续加工,能够缩短生产周期。因此,3D打印技术被用于开发复杂形状的航空航天零部件,或用于修复破损零部件。美国NASA2014年向国际空间站发射了首套3D打印机,用以研究微重力环境下的3D打印技术,这对在外太空下实现3D打印具有重要意义(图7是太空3D打印机及其作品)。随着空间技术的发展,利用3D打印机可望实现在太空制造航天器整机,甚至利用太空垃圾制造空间探索装备的零部件。在将来的深空探测中,利用小行星,3D打印机可就地取材,制造宇宙飞船的零部件,并与机器人配合,建造太空中转站和人类定居点。毫不夸张地说,3D打印将开启太空时代,意义类似于18世纪的大航海时代(图8是利用3D打印机在月球上建立探测基地的效果图)。3D打印技术在医疗领域也具有十分广泛的应用前景, 3D打印技术能够实现因人制宜、就地制作、不限数量、节约成本,能够满足个性化、精准化的医疗需求。目前,3D打印主要用于医学领域的三个方面:第一,诊疗器械、医疗模型、假肢、助听器等无需留在体内的医疗器械;第二,各类合金、生物陶瓷和高分子聚合物等材质的骨骼、软骨、牙齿等个性化永久植入体;第三,利用细胞等活性物质,经3D打印和培育,形成具有生理功能的组织器官(图93D打印的耳朵模型)。 

  

  7 3D打印机在国际空间站及其打印的作品

  

  8 3D打印的探月基地效果图 

  

  9 3D打印的人耳模型

    3D打印技术是高端设计、特殊打印材料、专业设备和信息通讯技术等产业共同支撑融合的结果,将带来新的产品技术、制造技术和管理技术,实现远程定制、异地设计、就地生产和销售的市场模式,对经济、贸易、商业产生根本性的影响,从而最终成为第三次工业革命的核心力量。未来的社会,必将是多样化、个性化的组织结构,而3D打印能够推动这种潮流的发展,最终满足人们的个性化需求并提供社会进步的动力。 

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