近幾年3D打印成了超前科技的代言詞,火遍。其實3D打印并不能算是一項新技術(shù),它早在20世紀(jì)80年代便已產(chǎn)生,只是因為成本巨大,在zui近幾年才進(jìn)軍藝術(shù)界和工業(yè)界,用以制造假肢、汽車零部件、家具和珠寶等。
一、3D打印的工作原理及其應(yīng)用方向
工作原理
3D打印是添加劑制造技術(shù)的一種形式,在添加劑制造技術(shù)中三維對象是通過連續(xù)的物理層創(chuàng)建出來的。3D打印機(jī)相對于其他的添加劑制造技術(shù)而言,具有速度快,價格便宜,高易用性等優(yōu)點。3D打印機(jī)就是可以打印出真實3D物體的一種設(shè)備,功能上與激光成型技術(shù)一樣,采用分層加工、迭加成形,即通過逐層增加材料來生成3D實體,與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)*不同。稱之為打印機(jī)是參照了其技術(shù)原理,因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。
每一層的打印過程分為兩步,首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水,膠水液滴本身很小,且不易擴(kuò)散。然后是噴灑一層均勻的粉末,粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié),而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下,實體模型將會被打印成型,打印完畢后只要掃除松散的粉末即可刨出模型,而剩余粉末還可循環(huán)利用。
打印耗材由傳統(tǒng)的墨水、紙張轉(zhuǎn)變?yōu)槟z水、粉末,當(dāng)然膠水和粉末都是經(jīng)過處理的特殊材料,不僅對固化反應(yīng)速度有要求,對于模型強(qiáng)度以及打印分辨率都有直接影響。目前的3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)600dpi分辨率,每層厚度只有0.01毫米,即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。當(dāng)然受到噴打印原理的限制,打印速度勢必不會很快,目前較先進(jìn)的產(chǎn)品可以實現(xiàn)每小時25毫米高度的垂直速率,相比早期產(chǎn)品有10倍提升,而且可以利用有色膠水實現(xiàn)彩色打印,色彩深度高達(dá)24位。
由于打印精度高,打印出的模型品質(zhì)自然不錯。除了可以表現(xiàn)出外形曲線上的設(shè)計,結(jié)構(gòu)以及運動部件也不在話下。如果用來打印機(jī)械裝配圖,齒輪、軸承、拉桿等都可以正?;顒樱惑w、溝槽等形態(tài)特征位置準(zhǔn)確,甚至可以滿足裝配要求,打印出的實體還可通過打磨、鉆孔、電鍍等方式進(jìn)一步加工。同時粉末材料不限于砂型材料,還有彈性伸縮、高性能復(fù)合、熔模鑄造等其它材料可供選擇。
發(fā)展現(xiàn)狀
3D打印,過去在科研、教學(xué)或者制造領(lǐng)域被稱為快速成型技術(shù)。3D打印這個更為形象的叫法快速被大眾接受和普及。隨著材料科學(xué)的快速發(fā)展,快速成型技術(shù)正在各個領(lǐng)域均有極大延伸,比如打印建筑物、打印汽車、打印人體器官、打印骨骼,而且我們還可以用3D打印機(jī)打印自己設(shè)計的衣服。我們首先用掃描儀對自己的身體進(jìn)行一下掃描,這樣就能得到我們身材的尺寸,然后通過CAD對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和修改,這樣我們就可以自己打印出衣服和褲子。
目前美國的3D打印技術(shù)較為,應(yīng)用范圍更廣。而在國內(nèi),今年1月份,華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長史玉升帶領(lǐng)的團(tuán)隊成功研制出世界上zui大的3D立體打印機(jī),并且憑借這一研究成果入選兩院院士評選的2011年中國科技進(jìn)展,中國的3D打印正在快速發(fā)展,從工業(yè)和制造業(yè)應(yīng)用開始朝個人和小型化方向發(fā)展。
3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域
食品行業(yè)英國埃克塞特大學(xué)研究人員,去年推出世界*3D巧克力打印機(jī)。是了,你沒有看錯。研究人員已經(jīng)開始嘗試打印巧克力了。或許在不久的將來,很多看起來一模一樣的食品就是用食品3D打印機(jī)打印出來的。當(dāng)然,到那時可能人工制作的食品會貴很多倍。
建筑設(shè)計
在建筑業(yè)里,工程師和設(shè)計師們已經(jīng)接受了用3D打印機(jī)打印的建筑模型,這種方法快速、成本低、環(huán)保,同時制作精美。*合乎設(shè)計者的要求,同時又能節(jié)省大量材料。
醫(yī)療行業(yè)
zui近,一位83歲的老人由于患有慢性的骨頭感染,因此換上了由3D打印機(jī)打印出來的下顎骨,這是世界上*使用3D打印產(chǎn)品做人體骨骼的案例。
汽車制造業(yè)
不是說你的車是3D打印機(jī)打印出來的(當(dāng)然或許有一天這也有可能),而是說汽車行業(yè)在進(jìn)行安全性測試等工作時,會將一些非關(guān)鍵部件用3D打印的產(chǎn)品替代,在追求效率的同時降低成本。
傳統(tǒng)制造業(yè)
傳統(tǒng)制造業(yè)也需要很多3D打印產(chǎn)品,因為3D打印無論是在成本、速度和度上都要比傳統(tǒng)制造好很多。而3D打印技術(shù)本身非常適合大規(guī)模生產(chǎn),所以制造業(yè)利用3D技術(shù)能帶來很多好處,甚至連質(zhì)量控制都不再是個問題。
科學(xué)研究
美國德雷塞爾大學(xué)的研究人員通過對化石進(jìn)行3D掃描,利用3D打印技術(shù)做出了適合研究的3D模型,不但保留了原化石所有的外在特征,同時還做了比例縮減,更適合研究。
產(chǎn)品原型
比如微軟的3D模型打印車間,在產(chǎn)品設(shè)計出來之后,通過3D打印機(jī)打印出來模型,能夠讓設(shè)計制造部門更好的改良產(chǎn)品,打造出更出色的產(chǎn)品。
文物保護(hù)
博物館里常常會用很多復(fù)雜的替代品來保護(hù)原始作品不受環(huán)境或意外事件的傷害,同時復(fù)制品也能將藝術(shù)或文物的影響傳播給更多的人。zui近史密森尼博物館就因為原始的托馬斯。杰弗遜要放在弗吉尼亞州展覽,所以博物館用了一個巨大的3D打印替代品放在了原來雕塑的位置。
配件、飾品
這是zui廣闊的一個市場。在未來不管是你的個性筆筒,還是有你半身浮雕的手機(jī)外殼,抑或是你和愛人擁有的世界上*的戒指,都有可能是通過3D打印機(jī)打印出來的。甚至不用等到未來,現(xiàn)在就可以實現(xiàn)。
3D打印其實就是一種快速成形制造技術(shù),那么理論上3D打印就可以應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)體系中任何與制造有關(guān)行業(yè),但是由于受到原材料和打印機(jī)價格等方面因素的制約,目前3D打印主要在以下幾個方面有著廣泛的應(yīng)用:1、工業(yè)企業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計、試制及快速打印成形。2、個性化產(chǎn)品設(shè)計及快速打印制造;3、各種創(chuàng)意產(chǎn)品、玩具、禮物、文物、動漫游戲角色及人物模型等克隆復(fù)制;4、3D照相館;5、醫(yī)療行業(yè)人體器官、醫(yī)療器械打印;6、建筑模型制作;7、教育、科研、軍事等行業(yè)的應(yīng)用。我們仔細(xì)觀察這些領(lǐng)域,會發(fā)現(xiàn)一個共同點,那就是需要快速制造。在新產(chǎn)品的研發(fā)過程中,樣品的設(shè)計不可能先制造出生產(chǎn)機(jī)器,再去制造出樣品,這樣不僅會耗時耗力,而且一旦產(chǎn)品的研制出現(xiàn)問題,那么就會造成錢財?shù)睦速M,同時這樣的生產(chǎn)周期很長。而3D打印則很好的解決了這個問題,首先樣品的制造速度很快,不用等上很長時間。其次,即使產(chǎn)品研發(fā)失敗也不會造成很大的損失。
二、3D打印的發(fā)展前景
對于3D打印的發(fā)展前景這個話題的論述,我們需要了解3D打印的具體有哪些特點和優(yōu)勢,其次我們還需要分析3D打印目前在市場上的反應(yīng)如何。
3D打印的技術(shù)的長處
1、制造速度快。3D打印機(jī)技能是并行工程中進(jìn)行雜亂原型或許零件制造的有用手法,能使商品描繪和模具出產(chǎn)同步進(jìn)行,然后進(jìn)步公司研制功率,縮短商品描繪周期,極大的降低了新品開發(fā)的本錢及危險,關(guān)于外形尺寸較小,異形的商品特別適用。
CAD/CAM技能的集成描繪制造一體化一向來說是如今的一個難點,計算機(jī)輔佐技能(CAPP)在現(xiàn)階段因為還無法與CAD、CAM?*的無縫對接,這也是制約制造業(yè)信息化一向以來的難點之一,而快速成型技術(shù)能集成CAD、CAM、激光技能、數(shù)控技能、化工、資料工程等多項技能,使得描繪制造一體化的概念完滿完結(jié)。*再現(xiàn)三維作用通過疾速成型制造完結(jié)的零部件,*實在的再現(xiàn)三維外型,無論外表面的異形曲面仍是內(nèi)腔的異形孔,都能夠?qū)嵲跍?zhǔn)確的完結(jié)外型,基本上不再需求再憑借外部設(shè)備進(jìn)行修正
2、資料品種繁復(fù)。到當(dāng)前為止,各類3D打印機(jī)設(shè)備上所運用的資料品種有許多,樹脂、尼龍、塑料、白臘、紙以及金屬或陶瓷的粉末,基本上滿意了絕大多數(shù)商品對資料的機(jī)械功用需求。發(fā)明明顯的經(jīng)濟(jì)效益與傳統(tǒng)機(jī)械加工辦法比擬,開發(fā)本錢上節(jié)省10倍以上,相同,疾速成型技能縮短了公司的商品開發(fā)周期,使的在新品開發(fā)進(jìn)程中呈現(xiàn)重復(fù)修正描繪方案的疑問大大削減,也基本上消除了修正模具的疑問,發(fā)明的經(jīng)濟(jì)效益是清楚明了的。
3、運用職業(yè)范疇廣泛。3D?打印通過這些年的開展,已基本上構(gòu)成了一套體系,相同,可運用的職業(yè)也逐步擴(kuò)展,從商品描繪到模具描繪與制造,資料工程、醫(yī)學(xué)研討、文化藝術(shù)、修建工程等等都逐步的運用3D打印,使得3D?打印有著寬廣的遠(yuǎn)景。
3D打印技術(shù)的未來
根據(jù)目前3D打印的現(xiàn)狀和其優(yōu)勢以及技術(shù)特點,我們可以做出以下的判斷:未來3D打印會朝著兩端發(fā)展:激光技術(shù)適合更復(fù)雜的生產(chǎn),而熔融技術(shù)則更適合家用和小規(guī)模的制造??偟膩砜矗袊?D打印產(chǎn)業(yè)化的條件已經(jīng)成熟,未來幾年將是市場擴(kuò)展的成長期??梢詫?D打印的發(fā)展趨勢做出預(yù)見:3D打印既是制造業(yè),更是服務(wù)業(yè)。近中期,將會與傳統(tǒng)的制造技術(shù)形成互補(bǔ)。相較于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式,3D打印技術(shù)的確是重大的變革,但目前和近中期還不具備推動第三次工業(yè)革命的本領(lǐng),也不會是傳統(tǒng)制造業(yè)的*。3D打印技術(shù)雖然也許會重振部分發(fā)達(dá)國家制造業(yè)競爭力,但是短期內(nèi)還難以顛覆整個傳統(tǒng)制造業(yè)模式。從長期來看,3D打印技術(shù)其實就是顛覆性、破壞性的技術(shù)。當(dāng)前,3D打印技術(shù)的應(yīng)用迄今被局限于利基市場(Niche Market,即高度專門化的需求市場)或細(xì)分市場(Market Segmentation),如醫(yī)療或模具。但根據(jù)克里斯滕森的理論,顛覆性技術(shù)會不斷發(fā)展,以低成本滿足較市場的需要,然后采取農(nóng)村包圍城市的方式逐步奪取天下。盡管3D打印主要適用于小批量生產(chǎn),但是其打印的產(chǎn)品可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品更輕便、更堅固、定制化、直接組裝成型。3D打印的另一個顛覆性特征是:單臺機(jī)器能創(chuàng)建各種*不同的產(chǎn)品。而傳統(tǒng)制造方式需要改變流水線才能完成定制生產(chǎn),其過程需要昂貴的設(shè)備投資和長時間的工廠停機(jī)。不難想象,未來的工廠可以用同一個車間的3D打印機(jī)既制造茶杯,又制造汽車零部件和量身定制的醫(yī)療產(chǎn)品。
3D打印可以在提升工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)水平的同時有助于攻克技術(shù)難關(guān),可以提高工業(yè)設(shè)計能力,可以生產(chǎn)出復(fù)雜、特殊、個性化產(chǎn)品,可以形成新的經(jīng)濟(jì)增長點,促進(jìn)就業(yè)3D打印技術(shù)顯示出巨大的潛在優(yōu)勢。未來的3D打印將在民用和工業(yè)應(yīng)用兩方面獲得不可思議的進(jìn)展。未來3D打印機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品將*。從長遠(yuǎn)看,這項技術(shù)應(yīng)用范圍之廣將超乎想象,zui終將給人們的生產(chǎn)和生活方式帶顛覆式的改變。