创刊50周年优秀文章:3D打印技术及其发展趋势

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近年来,3D打印技术在工业产品设计,特别是数字产品模型制造领域的应用正在成为一种潮流和热门话题。桌面级3D打印设备的逐渐成熟和应用开始推动全球3D打印市场的兴起,全球工业分析公司(Global Industry AnalysisInc)的研究报告预测2018年全球3D打印市场将达到29.9亿美元。

 

一、3D打印技术与3D打印机

3D打印技术与3D印刷是两个完全不同的概念。3D印刷是将图片分离成不同角度的红、蓝两张图片,然后将这两张图片按照规定的视差距离套印在一起,并用特殊眼镜观看来形成3D视觉效果,或者将图片经过特殊处理后,直接印刷在特殊的光栅板上,从而呈现3D视觉效果的印刷技术。而3D打印技术是指采用三维喷墨打印技术,通过分层加工与叠加成形相结合的方法,逐层打印增加材料来生成3D实体,达到与激光成型等其他3D模型制造技术相同3D真实物体的数字制造技术。3D打印机按照所使用技术的不同,其工作原理可分为两类:

 

1.基于三维打印技术的3D打印机

基于三维打印技术的3D打印机先由储存桶送出一定量的原材料粉末,粉末在加工平台上被滚筒推成薄薄一层,接着打印头在需要成形的区域喷出一种特殊的黏合剂。此时,遇到黏合剂的粉末会迅速固化黏结,而没有遇到黏合剂的粉末则仍保持松散状态。每喷完一层,加工平台就会自动下降一点,根据电脑切片的结果不断循环,直到实物完成。完成之后只要扫除松散的外层粉末便可获得所需制造的三维实物。

 

2.基于熔融沉积制造技术的3D打印机

基于熔融沉积制造技术的3D打印机的工作原理是先在3D打印机的控制软件中导入由CAD生成的实物数据,经处理生成支撑材料和热喷头的运动路径。然后热喷头会在计算机的控制下根据实物的截面轮廓信息在打印平面上进行平面运动,同时热塑性丝状材料由供丝机构送至热喷头,并在喷头中加热和熔化成半液态后挤压出,并喷涂在相应的工作平台上。喷涂热塑性材料快速冷却后在平台上形成一层厚度约0.1 mm的轮廓薄片,形成了一个3D打印截面。将这个作业过程不断循环,承载工作台高度随之不断降低,一层层的熔覆3D打印截面形成多层堆叠,最终获得所需的三维实物。

 

二、3D打印技术的应用需求

目前3D打印技术支持多种材料,可以广泛应用在珠宝首饰、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航天、牙科、医疗甚至美食等不同领域。根据应用目标的需求,所使用的材料有树脂、尼龙、石膏、ABS、聚碳酸酯(PC)或食材配料等。3D打印机的快速成型技术使之在市场上独具优势,在生产应用上潜力巨大,热点应用概述如下。

 

1.工业应用

“空气单车”是位于英国布里斯托尔的欧洲航空防务和航天公司采用3D打印机,应用3D打印技术制造出的世界上第一辆打印自行车。这辆自行车使用像钢铁和铝合金一样结实的尼龙材料,重量比金属材料要轻65%。更有趣的是,“空气单车”无论是车轮、链条还是轴承都是一次打印出来的,无需原来先制造零件再将零件组装在一起的总装流程,打印结束后,自行车就能够活动自如。自行车的制造过程就像在平面打印中打印不连续的线条一样简单,3D打印机能够打印出空间彼此不相连的物体。

2.医学应用

在医学上,采用3D打印将双光子聚合物和生物功能材料组合修饰成毛细血管,不仅具有良好的弹性和人体相容性,还能够用于替换坏死的血管,与人造器官结合,部分取代药物研发中的实验动物。2011年10月在德国生物科技展(BiotechnicalFair)上,用3D打印机打印出来的人造毛细血管吸引了参会者的关注,这些人造毛细血管已经在临床医学上应用。

3.日常生活应用

“3D食物打印机”是美国纽约康奈尔大学研制的食物制造设备。这部“3D食物打印机”采用了类似日常计算机打印机的工作原理,将食材和配料预先放入容器内(墨盒)中,只需输入所需食谱,通过所配套的CAD软件就能把美食“印”出来。对不少厨师而言,这种烹饪的新厨具意味着他们可以创作新菜品,制作出更多个性美食,获得更高的食物附加值。使用“3D食物打印机”制作食物,可以大幅地缩减从原材料到成品的环节,从而避免食物加工、运输、包装等环节中的污染与保存等不利影响。由于烹饪的原料和配料必须放置在打印机的容器内,因此食物原料必须是液体或其他可以“打印”的状态。

 

4.IT应用

最近,迪士尼的一组研究人员利用3D打印技术在与有机玻璃同样效果的高透光塑料上,以低廉造价打印出了LCD屏幕与多种传感器,实现了IT应用中的新突破。利用3D打印光导管可以制造出高科技的国际象棋,这些国际象棋的棋子可以侦测并显示当前位置。

尽管这种单色屏与日常生活中见到丰富多彩的显示屏相比有些微不足道,但其拥有3D打印技术成本低廉、制造工艺简单的优势。除了显示屏,利用3D打印技术还能够打印出多种传感器。这些传感器可以通过红外光来侦测触摸、振动等刺激,并将结果输出。3D打印技术必将为智慧生活和智慧城市创造出更多的IT应用。

三、3D打印技术的发展趋势

近年来3D打印技术持续发展,成本的大幅降低使其已经从研发的小众空间向主流市场进军,发展势头不可阻挡,已经成为社会广泛关注、民用市场迅速崛起的新领域。3D打印制作的模型、礼品、纪念品乃至工艺品的应用,极大吸引了社会关注和投入,发展加速,市场开始呈现量与质的双飞跃。据预测,2020年3D打印成品将占产品生产总量的50%。

2012年12月工信部副部长苏波公开表示,将推动3D打印产业化,制定路线图和中长期发展战略,并加大财税政策引导力度。据《上海证券报》报道,目前3D打印相关战略规划正在研究制定中,有望于两会后公布。与此同时,地方政府已经先行发力,我国首个3D打印工业园将落户武汉东湖高新区,目前武汉市发改委等部门针对3D打印产业,正在摸底调查,拟着手编制规划并予以扶持培育。东莞也将发展3D打印写入了今年的地方政府工作报告。我国最早研发3D打印技术的华中科技大学快速制造中心主任史玉升预计,未来10年在电脑上完成产品设计蓝图,轻轻一按“打印”键,3D打印机就能一点一点打出所设计的模型。现在一些铸造企业开始研发选择性激光烧结3D打印机及其应用,力图将复杂铸件的交货期由3个月缩短到10天。发动机制造商通过3D打印技术,将大型六缸柴油发动机缸盖砂芯的研制周期,由过去5个月缩短至1周。史玉升表示:“3D打印技术的最大优势在于能拓展设计人员的想象空间。只要能在计算机上设计成三维图形的东西,无论是造型各异的服装、精美的工艺品,还是个性化的车子,只要解决了材料问题,都可以实现3D打印。”

随着3D打印技术的不断突破,新材料的日益改善,3D打印的速度、尺寸在不断提高,其技术在不断优化,应用领域在不断扩展,特别是在图形艺术领域的潜力,三维的概念模型能更好地传达制作者的想法或解决方案,一张图可以胜过几百甚至上千个文字的描述。专业人士坚信个性化或定制化的3D打印可以将一个所想象的三维模型即时摆在眼前,能够快速改进产品,增长幅度将超过想象,将会改变社会各种应用的未来。

 

3D打印技术将淘汰传统生产线,缩短制作周期,大大减少生产废料,所需原材料用量将减少到原来的几分之一。3D打印不仅节约成本,提高制作精度,也将弥补传统制造的不足,并将在民用市场迅速崛起,从而开启制造业的新纪元,为印刷工业带来新的机遇和希望。

 (原文刊载于《印刷杂志》201304期)

 

 

 

2022年2月18日 10:13
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