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3D打印技术的应用与发展探究

发布时间:2017-12-07 09:01:00 文章来源:未来智讯    
    Abstract: Printing technology is an important way of information transmission. It made an important contribution for human civilization and progress by the plane graphic information. Based on traditional two-dimensional graphic printing technology, 3D (three dimensional) printing technology is superposed by the 2D printing and producted in three-dimensional space. This article mainly expounds the application of 3D printing technology in all fields, explores the bottleneck of the development of 3D printing technology and its development trend in the future.
    关键词:3D打印技术;印刷技术;发展前景
    Key words: 3D printing technology;printing technology;development prospect
    中图分类号:TS805 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2016)07-0166-02
    0 引言
    近年来,我们经常会看到有关于3D打印技术的新闻,“3D打印房屋”、“3D打印金属手枪”、“3D打印自行车”、“3D打印仿生耳”等等,3D打印自问世以来就得到了广泛的关注,其应用更是跨越各个领域。2014年11月末,《时代》周刊将3D打印技术列为2014年25项年度最佳发明之一。全球工业分析公司(Global Industry Analysis Inc)的研究报告预测2018年全球3D打印市场将达到29.9亿美元。但3D打印技术也面临着如制造速度与精度、设备和材料成本、产品性能、操作的安全性等多方面的瓶颈和挑战。提升3D打印的效率和精度,开发更为多样的3D打印材料是未来的研究热点。本文主要对3D打印技术的应用和发展趋势进行了研究和探讨。
    1 何为3D打印
    3D打印(Three Dimensional Printing)始于上世纪90年代,是快速成型技术的一种。美国3D System公司在1986年就制造了第一款3D打印设备。在传统二维平面印刷打印技术的基础上,通过逐层二维打印的迭加,利用喷头的三维运动实现曲面打印,逐层增加材料来生成三维实体,其原理图如图1所示。其分层加工的过程与传统喷墨打印十分相似,树脂、尼龙、塑料、金属、陶瓷、混凝土等材料经过特殊处理都可以用做3D打印的“墨水”。3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统,主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外,新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。
    2 3D打印技术的应用
    目前3D打印技术支持多种材料,可以广泛应用在工业设计、建筑、家具、航天、医疗和教育等各个领域,其主要具有以下应用特点:
    2.1 模具加工与机械制造 如今,3D打印技术已经广泛应用于机械模具的设计与加工,如图2A所示。相对于传统制造技术来说,3D打印技术不需要任何模具或任何机械加工,既省工又省料,如美国F-22猛禽战斗机在制造过程中会大量使用钛合金构件,如使用传统的整体锻造方法,最大的钛合金整体加强框材料利用率不到4.9%,使用3D打印利用率接近100%,几乎不产生废料,大大节省了原材料的浪费,降低了生产成本。此外,也可利用3D打印技术实现个性生产,满足人们的少量和复杂形状的个性化需求。如个性化艺术家具的定制和专属个性空间的打造(如图2B)。
    在建筑行业,2014年8月,在上海青浦张江高新园区,盈创建筑科技有限公司用3D打印技术24小时打印了10栋房屋(如图2C、2D)并交付使用,相关建筑指标均达到国家建筑质量标准,开启了3D打印建筑的新篇章,将来更有望使用3D打印技术建造整栋别墅。
    在航天方面,美国NASA以及国外的一些航天公司已经就3D打印技术在航天上的应用展开了尝试,2014年第一台3D打印机在国际空间站上安装成功,并打印出扳手等机械部件,这台打印机由Made in Space公司设计制作,该公司是世界首家研究零重力下3D打印技术的公司。而且3D打印为按需施材,减少了材料的浪费,从而降低了生产成本。
    2.2 生物医疗 3D打印技术与医学的结合堪称医学史上的创造性举动。在生物医学领域,已开始被应用于手术分析策划、假体植入物的制造、细胞或组织打印等方面。
    早在2011年,德国科学家利用3D打印技术成功研制出了一种人工血管(如图3A),该项目有望被用于人体试验和药物试验。2014年,University College London的研究人员利用生物“墨水”打印出人造耳朵(如图3B),可用于外科整形。目前这种3D打印耳朵已有成功移植的案例。2015年7月,湖南省脑科医院利用3D打印颅骨为脑积水患儿缩脑,完成全球首例“全脑缩小塑形”手术。
         2.3 考古文物复制 3D打印技术在考古文物领域主要用于修复已经破损的古文物。在应用3D打印技术进行文物修复时,需要使用3D扫描仪扫描破损文物,完成数据采集,并处理数据,建立相应的模型之后进行打印。在电影《十二生肖》中,先是对兽首进行三维扫描,再使用3D打印技术打印了兽首的复制模型,精度和相似度令人赞叹,且不需后期加工打磨,相信在不久的将来,随着3D打印技术的不断发展改进,3D打印技术复制文物的精度定会上升到这个高度,将不再需要后期处理。
    2.4 教育行业 3D打印技术也为教育的发展开启了新的方向,许多教育机构和组织正探索如何将3D技术应用到教育、教学中。以高职教育为例,在高职院校中印刷技术专业、数码印刷专业、印刷图文信息处理以及计算机等相关专业都可以考虑引入3D打印技术。
    相关专业引入3D打印技术后,可以将人才培养的目标范围进行延伸和扩大。培养不仅能从事传统印刷设备和数码印刷设备的操作,还能使用3D打印机;不仅能完成传统印刷和数码印刷的印前制作,还能从事3D打印需要的三维建模设计;不仅能从事传统印刷和数码印刷的印刷工艺与生产管理、印刷营销与业务管理,还能从事3D打印设备的控制和生产管理、营销和业务管理的人才。学生就业面更宽广,职业技能更新,更贴合社会发展需要,也必定会推动3D打印设备的发展。另外,3D打印技术可以作为扶持大学生创新创业的一个项目,支持大学生们早日实现创业的梦想,让刚刚走出校园的甚至还在校内的大学生们勇敢地站在科技发展的前沿,直观地感受打印技术带来的影响与进步。
    3 3D打印技术未来发展前景分析
    与传统技术相比,3D打印技术拥有诸多优势。美国总统奥巴马在2014年国情咨文的演讲中强调了3D打印技术的重要性,赋予其制造业复兴的重任,提出将推动3D打印产业的发展。在欧美发达国家,3D打印机的研究技术已走向成熟并产业化发展。近年来,随着2015年《中国制造2025》规划的实施与颁布,我国对这项技术的重视和产业链规划将进一步加强。
    从中长期看来3D打印产业具有较为广阔的发展前景,但要进一步扩展其产业应用空间,目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战:一是设备和耗材方面,现有3D打印机造价普遍较为昂贵,打印耗材的价格每公斤几百到数万元不等,给其进一步普及应用带来了困难。二是打印材料方面,目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物、石膏等材料,成型品的物理特性较差,金属材料直接成型技术有待发展。三是工艺方面,目前3D打印的精度及效率还远不适应大规模生产的需求。四是知识产权方面,3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散,制造业面对的盗版风险大增,如何针对3D打印技术进行知识产权保护面临新的挑战。五是公共安全方面,如3D打印手枪,若可从网络上下载手枪的三维图纸,再拥有一台3D打印机就可以打印并组装手枪,这一潜在问题需要国家从法律层面进行规范和监督。
    4 结束语
    3D打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一,越来越受到工业界和投资界的关注。伟大发明所能带来的影响,在当时那个年代都是难以预测的,1450年的印刷术如此,1969年的互联网也是如此,3D打印技术更是如此。未来3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化等主要趋势。随着信息技术、控制技术、材料技术的进一步发展,制约3D打印技术发展的瓶颈将一一得到解决。3D打印技术也将被推向更高的应用层面。
    参考文献:
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