揭秘3D打印技術(shù)
——當(dāng)制造業(yè)邁向智造業(yè)

2014-10-23 02:06:28文怡

今日科技 2014年2期

文怡

近年來，中國軍事科技突飛猛進(jìn)，以先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)為代表的各種尖端武器殲-15、殲-16、殲-20、殲-31等的密集亮相，讓世界看花了眼。近日，在全國兩會(huì)上，全國政協(xié)委員、殲-15總設(shè)計(jì)師孫聰透露了中國軍工迅速發(fā)展的秘密——領(lǐng)先世界的3D打印技術(shù)。這項(xiàng)被英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》認(rèn)為“將推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命”的技術(shù)，早已引發(fā)美國、歐洲諸國的激烈鏖戰(zhàn)，“戰(zhàn)火”從太空一直蔓延到器官移植，從F-35、F-22等先進(jìn)武器“燒”到每個(gè)人的日常用品，3D打印機(jī)一時(shí)間成為了令人矚目的明星。

3D打印技術(shù)的核心制造思想最早起源于19世紀(jì)末的美國，到20世紀(jì)80年代后期3D打印技術(shù)發(fā)展成熟并被廣泛應(yīng)用。3D打印是科技融合體模型中最新的高“維度”的體現(xiàn)之一。

據(jù)報(bào)道，美國科學(xué)家發(fā)明了一種可打印出三維效果的打印機(jī)，并已將其成功推向市場。普通打印機(jī)能打印一些報(bào)告等平面紙張資料。而這種最新發(fā)明的打印機(jī)，它不僅使立體物品的造價(jià)降低，且激發(fā)了人們的想象力。未來3D打印機(jī)的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

在此之前，3D打印機(jī)數(shù)量很少，大多集中在“科學(xué)怪人”和電子產(chǎn)品愛好者手中。他們主要用來打印像珠寶、玩具、工具、廚房用品之類的東西。甚至有汽車專家打印出了汽車零部件，然后根據(jù)塑料模型去訂制真正市面上買不到的零部件。

人們可以在一些電子產(chǎn)品商店購買到這類打印機(jī)，工廠也在進(jìn)行直接銷售。不過物以稀為貴，一套3D打印機(jī)的價(jià)格從一般的750美元到上等質(zhì)量的27000美元不等。

科學(xué)家們表示，三維打印機(jī)的使用范圍還很有限，不過在未來的某一天人們一定可以通過3D打印機(jī)打印出更實(shí)用的物品。

發(fā)展過程

3D打印源自100多年前美國研究的照相雕塑和地貌成形技術(shù)，上世紀(jì)80年代已有雛形，其學(xué)名為“快速成型”。它的原理是：把數(shù)據(jù)和原料放進(jìn)3D打印機(jī)中，機(jī)器會(huì)按照程序把產(chǎn)品一層層造出來。打印出的產(chǎn)品，可以即時(shí)使用。

現(xiàn)階段三維打印機(jī)被用來制造樣品。2003年以來三維打印機(jī)的銷售逐漸擴(kuò)大，價(jià)格也開始下降。該技術(shù)可用于珠寶，鞋類，工業(yè)設(shè)計(jì)，建筑，工程和施工（AEC），汽車，航空航天，牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)，教育，地理信息系統(tǒng)，土木工程，和許多其他領(lǐng)域。

3D打印機(jī)的工作原理就像使用打印機(jī)打印一封信：輕點(diǎn)電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數(shù)字文件便被傳送到一臺(tái)噴墨打印機(jī)上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像。而在3D打印時(shí)，軟件通過電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，后者會(huì)將連續(xù)的薄型層面堆疊起來，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。3D打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)最大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實(shí)實(shí)在在的原材料。如今可用于打印的介質(zhì)種類多樣，從繁多的塑料到金屬、陶瓷以及橡膠類物質(zhì)。有些打印機(jī)還能結(jié)合不同介質(zhì)，令打印出來的物體一頭堅(jiān)硬而另一頭柔軟?？茖W(xué)家們正在利用3D打印機(jī)制造諸如皮膚、肌肉和血管片段等簡單的活體組織，很有可能將有一天我們能夠制造出像腎臟、肝臟甚至心臟這樣的大型人體器官。如果生物打印機(jī)能夠使用病人自身的干細(xì)胞，那么器官移植后的排異反應(yīng)將會(huì)減少。人們也可以打印食品，比如康奈爾大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)成功打印出了杯形蛋糕。幾乎所有人都相信，食品界的殺手級(jí)應(yīng)用將是能夠打印巧克力的機(jī)器。

打印特點(diǎn)

3D打印技術(shù)對于生產(chǎn)者來說，可大幅降低生產(chǎn)成本，提高原材料和能源的使用效率，減少對環(huán)境的影響，它還使消費(fèi)者能根據(jù)自己的需求量身定制產(chǎn)品。

3D打印機(jī)既不需要用紙，也不需要用墨，而是通過電子制圖、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、激光掃描、材料熔化等一系列技術(shù)，使特定金屬粉或者記憶材料熔化，并按照電子模型圖的指示一層層重新疊加起來，最終把電子模型圖變成實(shí)物。其優(yōu)點(diǎn)是大大節(jié)省工業(yè)樣品制作時(shí)間，且可以“打印”造型復(fù)雜的產(chǎn)品。因此許多專家認(rèn)為，這種技術(shù)代表制造業(yè)發(fā)展新趨勢。

工作步驟

3D打印機(jī)工作步驟是這樣的：先通過計(jì)算機(jī)建模軟件建模，如果你有現(xiàn)成的模型也可以，比如動(dòng)物模型、人物、或者微縮建筑等等。然后通過SD卡或者USB優(yōu)盤把它拷貝到3D打印機(jī)中，進(jìn)行打印設(shè)置后，打印機(jī)就可以把它們打印出來，其工作結(jié)構(gòu)分解圖如下。3D打印機(jī)的工作原理和傳統(tǒng)打印機(jī)基本一樣，都是由控制組件、機(jī)械組件、打印頭、耗材和介質(zhì)等架構(gòu)組成的，打印原理是一樣的。3D打印機(jī)主要是在打印前在電腦上設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的三維立體模型，然后再進(jìn)行打印輸出。

3D打印與激光成型技術(shù)一樣，采用了分層加工、疊加成型來完成3D實(shí)體打印。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(huì)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(shí)體模型將會(huì)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。

應(yīng)用領(lǐng)域

3D打印機(jī)的應(yīng)用對象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。以色列的Objet公司認(rèn)為，3D打印機(jī)需求量較大的行業(yè)包括政府、航天和國防、醫(yī)療設(shè)備、高科技、教育業(yè)以及制造業(yè)。

醫(yī)療行業(yè)。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，這是世界上首位使用3D打印產(chǎn)品做人體骨骼的案例。

據(jù)國外媒體報(bào)道，在不久的將來外科醫(yī)生們或許就將可以在手術(shù)中現(xiàn)場利用打印設(shè)備打印出各種尺寸的骨骼用于臨床使用。這種神奇的3D打印機(jī)已經(jīng)被制造出來了，而用于替代真實(shí)人體骨骼的打印材料則正在緊鑼密鼓地測試之中。

在實(shí)驗(yàn)室測試中，這種骨骼替代打印材料已經(jīng)被證明可以支持人體骨骼細(xì)胞在其中生長，并且其有效性也已經(jīng)在老鼠和兔子身上得到了驗(yàn)證。未來數(shù)年內(nèi)，打印出的質(zhì)量更好的骨骼替代品或?qū)椭饪剖中g(shù)醫(yī)師進(jìn)行骨骼損傷的修復(fù)，用于牙醫(yī)診所，甚至幫助骨質(zhì)疏松癥患者恢復(fù)健康。

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(shí)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(jì)出來之后，通過3D打印機(jī)打印出來模型，能夠讓設(shè)計(jì)制造部門更好地改良產(chǎn)品，打造出更出色的產(chǎn)品。

文物保護(hù)。博物館里常常會(huì)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(shí)復(fù)制品也能將藝術(shù)或文物的影響更多更遠(yuǎn)的人。史密森尼博物館就因?yàn)樵嫉耐旭R斯·杰弗遜要放在弗吉尼亞州展覽，所以博物館用了一個(gè)巨大的3D打印替代品放在了原來雕塑的位置。

建筑設(shè)計(jì)。在建筑業(yè)里，工程師和設(shè)計(jì)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(shí)制作精美。完全合乎設(shè)計(jì)者的要求，同時(shí)又能節(jié)省大量材料。

制造業(yè)。制造業(yè)也需要很多3D打印產(chǎn)品，因?yàn)?D打印無論是在成本、速度和精確度上都要比傳統(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(gè)問題。

食品產(chǎn)業(yè)。沒錯(cuò)，就是“打印”食品。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(shí)可能人工制作的食品會(huì)貴很多倍。

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(shí)，會(huì)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(shí)降低成本。

配件、飾品。這是最廣闊的一個(gè)市場。在未來不管是你的個(gè)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獨(dú)一無二的戒指，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，就可以實(shí)現(xiàn)。

美容護(hù)膚。3D打印技術(shù)未來也可能會(huì)幫助愛美人士進(jìn)行整容，說不定未來最有效果的青春痘的治療方法就是通過3D打印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。不僅青春痘,包括祛斑、美白等領(lǐng)域都有希望使用到3D打印技術(shù)的。

未來趨勢

好萊塢大作《十二生肖》電影，相信成龍迷們對該部影片也不陌生，但該部影片中有項(xiàng)非常流行技術(shù)不知各位是否有留意，《十二生肖》中成龍佩戴了專業(yè)掃描手套來掃描劇中十二生肖銅像，另外一邊通過專業(yè)設(shè)備將所掃描的銅像完美打印，看似很科幻不切實(shí)際，其實(shí)，影片中出現(xiàn)的專業(yè)設(shè)備就是目前流行的3D打印技術(shù)。對于目前技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代來說，已經(jīng)有國產(chǎn)品牌推出萬元內(nèi)3D打印機(jī)產(chǎn)品，并且還在京城首家3D打印機(jī)體驗(yàn)館中進(jìn)行了展示。

打印機(jī)是款一直被定義于辦公用戶的產(chǎn)品，但3D打印機(jī)并不屬于辦公用品，而是一款生活中常會(huì)使用到的家電產(chǎn)品，為什么說3D打印機(jī)是款家電產(chǎn)品呢？首先，如果生活中安裝某設(shè)備，突然發(fā)現(xiàn)少掉一顆螺絲，正常情況下可能會(huì)去五金店里配，但有了3D打印機(jī)之后，就完全可以在家中打印一個(gè)相符的螺絲，用戶無須出門就會(huì)解決困擾。另外，用戶也可通過3D打印機(jī)制作DIY產(chǎn)品，比如在網(wǎng)絡(luò)上看見非常別致的裝飾品，就可通過3D打印機(jī)將其打印出來，當(dāng)然生活中會(huì)使用到3D打印機(jī)的機(jī)會(huì)當(dāng)然不止這些。