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余生将与钢为伍?的博客

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创造工业未来的新技术:3D打印打印技术简介  

2013-02-22 21:57:53|  分类: 科技技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2013-02-22 13:03:23|  分类: 科技文化教育电子 |  标签: |字号大中小 订阅


创造工业未来的新技术:3D打印打印技术简介           胡展翔


创造工业未来的新技术:3D打印打印技术简介 - huzaxi2006@126 - 胡展翔的博客

    18世纪晚期的工业革命使商品的大规模生产成为可能,从而产生了超乎想象的规模经济,改变了整个经济和社会。如今,一项崭新的制造业技术初露端倪,却与大规模生产“背道而驰”。“3D打印”使得单品制造几乎和大规模生产一样便宜,从而必将对规模经济产生削弱效果。它对世界所产生的深刻影响或许能与当年工厂的出现相提并论。

    3D打印技术发展迅猛,在这种制造工业产品的方式中,鼠标点击取代了锤子、钉子和建筑工人。通过3D打印机能将电子化的三围模型快速变成成品,缩短了产品开发和制造的周期,节省了成本,在建筑设计、食品制作、微型模型、复杂结构、零配件、趣味模型等领域已经有了广泛的应用。

    3D立体打印技术简介

3D打印机就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备,3D打印技术是由CAD模型直接驱动,快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术。实际上是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。


创造工业未来的新技术:3D打印打印技术简介 - huzaxi2006@126 - 胡展翔的博客

3D打印技术工作基本原理是:通过对电脑中三维软件的识别,进行STL(三角网格格式)转换,再结合切层软件确定摆放方位和切层路径,并进行切层工作和相关支撑材料的构造。最后使用喷头将固态的线型成型材料加热成半熔融状态之后挤出来,和支撑材料自下而上,一次一层的构铸成最终实体。

它与普通打印机工作原理基本相同,打印机内装有液体、粉末或塑料丝等等“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制,利用立体光刻、熔融沉淀、激光烧结、3维喷射熔化树脂等技术把“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。与传统的去除材料加工技术完全不同。

    3D打印技术应用于的成型技术有两种类型,一种是堆叠法,一种是烧结。堆叠只能成型塑料、硅之类的材质,对固化反应速度有要求,而烧结可以利用激光的高温对金属粉末进行处理加工出金属材质的东西出来,实体可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。所以,“3D打印”说是打印,其实就是一种“制造”技术,是一种颠覆制造技术。

3D立体打印技术发展历史

3D打印技术诞生于1986年。将数字化的3D图形转化成为物理实物,这一想法最早是由美国人查尔斯.豪尔申请的专利(Charles W. Hull)申请的专利(美国专利4573330),其原理为立体光刻造型(stereolithography)。

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豪尔先生同时成立3DSystems公司,上世纪90年代中期推出了第一款工业化的3D打印机。

目前3D打印机制造技术领先的是美国两家从事3D打印的上市公司巨头:Stratasys和3D Systems公司。

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打印机售价在1000美金左右,由于某些国外知名3D打印机专利期已过,变为了开源,今年以来一些国内公司在此基础上通过细节改动,推出了自己的版本,并不断推进价格下降。目前国外一款功能相似、上万元的个人桌面3D打印机产品,国内可以做到4000元左右。

3D立体打印技术的优势


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 与传统的生产方式相比,这种“添加制造技术”拥有许多优势。由于不需要生产线,它降低了生产成本,也极大地减少了材料的浪费,用料甚至只有原来的十分之一。大幅度节省人力和资源,能够对地球和环保做出极大的贡献。

同时,通过降低大规模生产的门槛,3D打印能够促进创新。它还能够制造特殊形状的物品,而传统方法却很难做到,比如飞机机翼。热交换器等等。总之,这项技术使单个物品的制造更为便宜快捷,设计师可以迅速对其进行修改,并马上“打印”新的样品。

    多年来,3D打印机都被用于样品的制造,特别是在航空航天、医疗和汽车行业。一旦设计完成,生产线将被建立,并承担其后生产和组装零部件的工作。但3D打印技术经过不断改进,已经开始被用于最后的生产环节。在制造上千件产品的项目中,它已经足以与注塑成型技术展开竞争,随着技术的不断成熟,它必将适用于更大规模的生产。并且由于每个产品都是被独立创建,而不是从单一的模具中产出,因此每件产品甚至可以有轻微差别而不产生额外的生产成本。

3D立体打印技术发展应用前景

   3D立体打印技术被英国的《经济学人》周刊评价为“与其他数字化生产模式一起,推动第三次工业革命的实现”,美国《时代》周刊已将3D打印产业列为“十大增长最快的工业”。


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       欧美国家的推动经济危机后,欧美国家发展已经停滞,尤其需要制造业回归,这个时老的生产方式已没有优势可言,发展3D打印技术促进生产方式革新,以之带动经济发展。

日前有消息称,奥巴马政府拨款3000万美元,建立了美国国家级3D打印添加剂工业研究中心,并计划第一步投入5亿美元用于3D打印,声称要确保美国制造业不继续流失到中国和印度。

在欧美、日本等地,3D打印机技术已深入企业推出新品的整个环节之中,IT行业尤其明显,比如苹果和佳能,推出新款产品的速度极其快速,3D打印在设计新产品模型中起到的作用不可磨灭。

   汽车发动机的外壳、骨头、1:1的人体模型……都能通过3D打印技术“打印”出来。目前能够用于3D打印的材料主要有石蜡粉、金属粉、高分子材料粉、树脂等。

   3 D 打印的应用范围之广超乎人们的想象,理论上说,几乎只要存在的东西都可以通过3D 打印机复制出来。但还无法打印出具有连接电线和活动部件的复杂物体。随着技术的不断成熟,3D 打印技术有望在以下几个行业中得到广泛使用: 

1、传统制造业

3D 打印无论是在成本、速度和精确度上都远胜于传统制造技术。

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制造业是3D打印应用的核心领域,在工业设计、模具开发领域,“3D打印”尤为突出。3D打印技术能够快速的实现工业设计的实物化,尤其是汽车等领域,现在已经可以打印出很大的实物,而实物化是设计必不可少的一步,可以让无论是设计师还是企业的决策者非常直观的看到产品的形状,进而做出是否量产的决策。当然,由于选择性激光烧结等技术的存在,还能够进行小批量的生产,因为这一技术可以成型金属,有些时候小批量的3D打印,在成本上是优于数字机床切削或是开模铸造、冲压的。 

“打印”无人飞机

  英国南安普敦大学制造的世界上第一架“3D打印”飞机。近日,美国弗吉尼亚大学工程系研究人员更是制造了一架3D打印的无人飞机,巡航时速可达到45英里。五年前为了设计建造一个塑料涡轮风扇发动机需要两年时间,成本大约25万美元。但是使用3D技术,我们设计和建造这架3D飞机仅用4个月时间,成本大约2000美元。

3D打印机制造了一辆全尺寸赛车

  而16名比利时工程师就利用3D打印机制造了一辆全尺寸赛车,并完成测试;而3D打印制造出来的汽车最出名的当数Urbee车型,采用汽油和电力混合发动机,是世界上最环保的汽车之一。有了3D打印技术,汽车维修行业也有了支持工具,可以用它来打印稀缺的汽车零部件。

2、医疗行业

3D打印人体模型、器官用于手术医疗


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 人体本身结构的复杂往往超出我们的想象,有时候外科医生,对一些复杂的手术,往往只能通过CT、核磁共振等医学影像学资料进行可能的判断,进而进行手术,但是有的时候,复杂程度超出想象,手术成功率低。3D打印技术,可以利用已有的医学影像资料,先打印一个3D的病人模型出来,通过在模型上进行模拟,进而确定可行的手术方案。

在外科手术中,3D 打印技术可为需要器官移植的患者“量身打造”所需器官,无需担心排异反应。而打印一个人体心脏瓣膜,只需要价值10 美元的高分子材料。

3D打印帮助牙医给患者带来完美的口腔

很多人在镶牙的时候,都咬过齿模,牙医再凭借经验进行修正。但是如果对患者的口腔进行3D扫描和3D建模、打印,那么就能够很高精度的打印出病人的口腔结构,进行帮助牙医制造出准确的假牙。 

患者可在家中“打印药品”

据英国媒体报道,英国格拉斯哥大学的李克罗宁教授及其有45名成员的研究团队对一台3D打印机进行改良,在其中加入装有化学药品的容器。经过改造,这部3D打印机相当于拥有了一个小型“反应件”,可合成用户所需药品。据报道,这项创新将大大降低药品制作成本,使更多癌症患者能接受之前负担不起的昂贵治疗。

3、考古与古生物学 


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     文物非常的珍贵,不可能经常的搬动,3D打印技术,则可以复制这些文物,比如陶瓷器、青铜器等,用户可以知道其准确的3D形状,这对于提高文物的鉴赏水平是有帮助的,因为在某个特定历史时期,只会有一些特定的器形。在古生物学领域,可以通过3D打印来复制整个古生物的骨架和造型,让研究人员更立体。 

   中国是文物大国,但是在历次战乱中,大量的中国文物去了国外,尤其是佛教的造像,很多都身首分离,身子还在国内,但是头首却要么被抢劫,要么被盗卖到了国外,通过3D打印技术,则可以对两部分分别进行3D扫描,通过计算机技术拼接成一整个佛教造像,再3D打印出来,形成完整的形状,还原历史的原貌。

4、建筑设计行业

   在建筑行业里,工程师和设计师们已经逐渐开始使用3D 打印机打印的建筑模型,这种方法快速、成本低、环保,同时制作精美,完全合乎设计者的要求,同时又能节省大量材料。

5、配件饰品行业

   3D 打印技术很好地满足了配件饰品消费者个性化多样化的需求。目前国内外已经有一些公司开始为消费者提供个性化3D 打印服务。

6、食品餐饮行业


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     英国打造3D巧克力打印机

  英国开发出的世界第一款“3D巧克力打印机”的研究人员便直接利用了现成的喷墨打印机,并对部分结构,如输入输出设备及介质进行了改造。由于巧克力打印机使用的原料特殊纯液体巧克力,要充分保证巧克力在输入和输出时的黏稠度和温度,所以研发人员还给打印机装上了保温和冷却系统。

“3D巧克力打印机”打出来的不是油墨,而是巧克力,一层一层将平面的图像叠起来成为立体的图像。每一层巧克力打印出来后,必须经过一个凝固的过程,然后再进行下一层的打印。

美国开发了3D食物打印机

现阶段3D食物打印机的食物,只限于可以由注射器挤出的物料,例如液体或糊状,像朱古力、曲奇面团、蛋釻糊等。研究人员正试图把食物变成水状胶质,制造基本的液态材料,当前他们已成功“打印”不同英文字母形状的曲奇,以及半球形火鸡块。

7、娱乐业

     在电影中,我们看到过很多演员扮演的类人形的怪物,传统上,诸如好莱坞这样的制片基地,都是通过手工技术来进行这些特殊的造型,但是现如今已经基本都是3D打印模型的天下,很方便就能打印出一个个性化的怪物头套和全身装备,效果可以乱真。 

8、个人制作物体 

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         利用个人桌面3D打印机或专业成型公司制造自己的产品或零件。

    如果你的手机壳坏了,你可以自己打一个,然后将边角打磨得光滑一些;如果你买了一款坦克玩具模型,却不慎掉了其中一个零件,你不必再苦于根本没有替换,因为你可以自己打一个,以及生活里不复杂的小创意都可以通过3D打印来实现。 

3D打印技术可以廉价的成型从单品到成千上万个产品,推动世界经济,正如1450年的印刷术、1750年的蒸汽机和1950年的晶体管,当时没有人能正确的预见他们在未来广阔的应用前景,没有人能预测3D打印技术的长期影响。3D打印技术已经到来了,它可能在未来触及的应用在各行各业。

9、预计2050年实现3D打印机制造飞机。

欧洲飞机制造公司Airbus的设计师透露3D打印飞机打造计划,预计2050年前达成。此计划将使用机库般大小的3D打印机,制造飞机零件,Airbus的员工Bastian Schafer描述他的构想:此架飞机80米长,曲面机身由透明材质制成,乘客就感觉仿佛翱翔在云端中。

伟大发明所能带来的影响力,1750年的蒸汽机如此,1450年的印刷术如此,1950年的晶体管也是如此。现在看来,3D立体打印机还只是发展的最初阶段,后续的路还很长,3D打印技术长远来看,其必将开拓工业王国的新领域,创造工业的未来。下一个工业革命也可能有3D打印机而爆发。


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