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3D打印,打印未来

本月5号,我国完成了首次太空3D打印实验,这是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。

总的来说,3D打印还没有到达井喷式发展的时期,但它的确已经进入了我们的生活。

工作原理

3D打印又叫增材制造,顾名思义,在制作过程中材料是被逐步增加上去的。

与之相对应的是减材制造,即制作过程中材料逐渐减少的加工方式,如砍、凿、锯、磨等。传统制造业中,大多都属于减材制造。

▲传统的减材制造

简单地理解,可以将3D打印的全过程分三步:

第一步,通过计算机软件(3ds MAX、CAD等)建立目标物体的数字模型;

第二步,计算机把模型分解成无数个横截面;

第三步,利用快速成型机将无数个横截面一层层堆积成目标物体。

发展历程

严格地说,3D打印指的不是一种技术,而是一类。

1986年,第一个3D打印技术——立体光固化成型技术(SLA)成功申请专利。这项技术采用液态光敏树脂,其受到紫外线激光照射会变成固体,而没有被照射到的地方仍然保持液体状态。

打印时,紫外线激光会按照薄层的形状进行涂抹,液体同时完成凝固。一层打印完之后,成型室下降几毫米,接着固化下一层,直到所有薄层全部完成。

▲立体光固化成型技术原理图

随着立体光固化成型法3D打印机成功问世,其它技术也浮出水面,如熔融沉积成型技术(FDM)选择性激光烧结技术(SLS)等,思路大同小异。

熔融沉积成型技术是把高温熔融态的材料从喷嘴挤出,直接应用于已沉淀材料上,使之快速硬化;选择性激光烧结技术是使玻璃、金属、塑料或陶瓷粉末在高功率激光的作用下烧结在一起。

▲熔融沉积成型技术原理图

后来,随着3D打印应用范围的扩大,人们对产品的热塑性、光敏性和强度等属性有了更高的要求。

于是,材料强化技术应运而生,比如使用纤维增强的方式对熔融沉积成型的树脂材料进行强化,令打印出来的部件结构强度更高。所谓纤维增强,就是在原材料中混入玻璃纤维或碳纤维,其效果便如同在水泥中混入了钢筋。

我国此次太空3D打印使用的连续碳纤维增强复合材料,就是采用了这项技术。

▲此次太空3D打印成品
▲此次太空3D打印成品

应用领域

早在上世纪90年代,3D打印就已进入了工厂,并以其独有优势深受人们青睐。

工业是3D打印应用的核心领域。3D打印不需要复杂机械和技术工人,能够加速产品设计进程。设计师可以用一台3D打印机将复杂的图纸变成模型,从而有助于决策者迅速作出决定或提出修改意见。

▲3D打印汽车模型

在生产小批量产品时,相比于传统制造技术,3D打印能够极大地降低生产成本。这也为个性化定制服务的扩大化经营提供了基础。

▲3D打印定制戒指

在建筑领域,3D打印目前主要应用于建筑模型的制造。当然,也有成功打印真实建筑的案例。

▲苏州的3D打印别墅

在医疗领域,牙科和骨科的医生们已经开始打印义齿、义肢,它们拥有比以前的产品更优良的性能。与此同时,还有一些科学家在尝试打印器官,一旦成功,将为器官移植提供极大的便利。

▲3D打印可更换义齿

在航空航天领域,出于减重与强度要求,航空航天设备中部件的结构越来越复杂。面对复杂的结构,传统制造手段需要不断改进设备,优化工艺,乃至培养新的人才,而3D打印却像“把大象装进冰箱”一样简单而高效——建模,分层,堆积。

我国此次进行的实验重点便在于验证了在微重力无人环境下3D打印的可行性和准确性,为将来航天器在轨自行更换零部件提供了可能。

▲“猎户座”飞船,含100多个3D打印零件

除了上面谈到的领域以外,3D打印在教育、服装、食品、珠宝、交通运输、文物修复等众多其它行业也均有应用。

▲3D打印食品

当下,由于材料、速度、尺寸和成本等问题的限制,3D打印仍未得到普及。但有学者认为,在未来的二三十年中,3D打印的瓶颈会被逐个突破。

到那时,我们将真正迎来“万物皆可打印”的“3D打印时代”。


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