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立体化的未来3D打印的现状与未来

发布时间:2018-11-28 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    立体化的未来 3D打印的现状与未来作者: 本刊编辑部   在过去的2012年,“3D打印”快速成为最热门的IT关键词,baidu指数迅速蹿升,就在2013年3月初,baidu指数逼近1万。其实早在2011年,3D打印市场规模为17.1亿美元,与传统打印和耗材市场超过千亿美元的市场相比,似乎还微不足道,美国纳斯达克上市的Stratasys和3D Systems两家公司,在2011年营业收入分辨为1.7亿美元和2.9亿美元,进入2012年以来股票大幅上涨,快速成为引领3D打印市场的两大典型公司,而国内的3D打印观念股在过去的一年中也快速大幅上涨,成为2012年资本市场上的一匹“黑马”,甚至有知名的科技杂志预测3D打印将推动第三次工业革命。如果有读者好奇什么是3D打印呢?到底是什么让“3D打印机”如此火热呢?它距离我们的生活和事务有多远?本文能够说是解答这些问题的最好答案。
  何为3D 打印
  早在1986年,有科学家利用立体光刻技能将3D数字模型形成实物,随后,还有人发明了通过分层堆积特殊材料实现模型成型的技能,也便是我们常见的热熔技能。在学术上,3D打印并不陌生,在科研和工业上被称为“快速成型技能”,在许多高校的设计专业也都设有相关的学科,所以3D打印并非不陌生,也不新鲜,然而该技能进行市场化运作,如今才刚刚起初,而且由于材料技能的积累和发展,通过特定的抑制系统,在专用平台上按照事先设计好的形状实现立体物品的成型。所以,“3D打印”是一个相对广义的观念。
  从技能层面来看,“3D打印”是所有能将数字模型形成物理实物的技能总称,主流的3D打印技能有多种,比如热融技能、立体光刻技能、激光烧结技能,还有类似于喷墨技能的三维打印技能等,它们有着各自的特点和应用层面,比如热融技能是将特殊树脂或塑料加热融化,然后以分层的方式不时堆积,材料冷却后固化变成立体物品,表面相对粗糙,然而材料成本低廉,在模型设计和制造业有着广泛的应用。立体光刻技能是利用紫外线激光逐层扫描一种特殊化学成分的液体,液体发生固化,逐层建立立体模型,所用材料单一,不能进行多色成型,耗材成本高昂。选择性激光烧结技能能够加工金属等强度较高的材料,利用激光烧结粉末材料变成立体物品,所以成型后的物品表面粗超,需要后期加工才能使用,能够选择的材料范围较广。还有许多3D打印技能正在被研发,如果有一天人类打破材料的局限性,那么3D打印才有可能真正走进我们的生活。
  目前,我们从国内外关于3D打印的新闻报道中得知,我们熟悉的树脂、陶瓷、金属、建筑材料还有食品,能够通过“3D打印”的方式实现个性物品的快速成型,在医学领域,也有研讨人员利用“3D”打印的方式重建生物细胞组织和人体骨骼,由于材料技能在过去的大量积累,为“3D打印”在实际应用领域提供了辽阔空间和巨大潜力。3D 打印技能不但局限于制造业,个人用户也能成为3D打印机的重要市场空间。
   3D打印令人激动的应用
  目前,3D打印技能已经在多个领域进入应用阶段,包括制造业、设计业、建筑业、生物领域、医学领域、文物保护领域等。
  传统的制造业,无论是零件还是成品,都是批量生产的,当客户有个性化需求的时候,制造成本就会大幅上升,而3D打印便是一个很好的个性化制造技能,可以根据不同客户的需求制造满足其需求的产品,所以,3D打印在制造业会发挥巨大作用。我们已知有公司利用3D打印技能生产液晶屏等产品。
  在任何商品领域,大到宇宙飞船、飞机汽车,小到小孩玩具,所有人类需要的物品在设计过程中,设计人员需要进行不时的改进,而数字模型必需要通过实物模型进行测试和模拟,过去设计人员利用手模或者开模制作实物模型,相对时间长,或者成本较高,而3D打印技能正好能满足设计人员在设计过程中制作实物的需求。福特汽车、欧洲宇航局等已经为其设计人员配备了桌面级的3D打印机,帮助他们提高效率。
  在建筑业,设计师的图纸形成模型相当复杂,需要花费的时间较长,一定程度上延长了设计周期,3D打印技能能够帮助设计师解决这一问题;另一方面,我们所见到的大多数建筑物是由钢筋、混凝土等材料通过大型机械和人工来实现建筑设计师的设计图。如果利用3D打印技能,未来的建筑可能会更加个性,而且只需通过拼装就能盖好房屋,削减人力支持和材料浪费。
  而在医学和生物技能领域,据明白,一个人体心脏瓣膜,利用3D打印技能只需要10美元的高分子材料,大大降低了成本。另外有报道称有公司利用3D生物生长技能,将不同细胞细致的混合,进而生成人造肉,在生物领域,还有科学家利用3D技能将动物细胞加工变成器官,这是3D打印技能在生物领域的前沿应用。
  现在,古代文物由于自然因素和人为因素受到严重破坏,文物事务组通过影像技能获取文物数据信息,然后利用3D打印机重建文物模型,以便更好的研讨,在文物保护中有着相当大的价值。相信看过电影《十二生肖》的伙伴,就会知道3D打印机是如何复制文物的。
   3D打印的现状
  目前,美国在3D打印的技能和应用有着领先优势,而且美国也是3D打印最大的市场,美国领袖奥巴马在两次公开演讲中多次提到3D打印技能,鼓舞学习新技能,创造更多就业,重振美国经济。美国3D打印技能和打印设备供应商在资本市场上也获得较大的推动力。奥巴马在国情咨文当中的讲话曾经提到:“如今有我们能够做的事情。这些事情能够加速这一潮流。去年,我们在俄亥俄州的杨斯敦创造了第一个制造业革新中心。一个曾经的百叶窗式库房形成了一个艺术实验室。在那里,新工人在学习3D打印技能。这种技能能够革新我们制作几近任何东西的方法。没有理由这个在其他城镇不能发生。”
  3D打印在亚洲又是什么情况呢?2012年底日本出现了首家3D打印体验馆,随后在中国西安市有一家类似苹果零售店的3D打印体验店开张,2个月之前,一个拥有不同类型的3D打印硬件设备和个性化服务的3D打印体验馆在北京开馆。中国对新技能和新商业模式的跟进相当迅速,没有丝毫犹豫。在中国,从2012年下半年至今,许多有着工业背景、材料技能、抑制技能、电子技能的公司先后加入研发3D打印技能,在资本市场上,3D打印观念股在过去的半年中一路飘红,在一段时间内引跑股市。
  工业级3D打印机与民用级3D打印机在许多方面有着较大的差异,包括成型精度、材料强度、模型尺寸等方面,3D打印机在飞机、汽车的设计和研发中已经起初崭露头角;不少行业的商品研发中,也利用3D打印机进行模型制作,从而加快设计的效率,降低模型研发成本,对于个人而言,也有不少模型爱好者利用3D打印机打印自己设计的模型。不同技能、不同应用的3D打印机售价差距也相当大,桌面级的产品售价在1万~3万人民币左右,而昂贵的高端3D打印机售价几十万甚至上百万,不同的用户需求根据自身的需求来进行对应的选择。
  随着桌面级3D打印机的上市,3D打印已经与越来越多的个人和中小型公司关系亲密,我们能够利用这些小型化的3D打印机制作个性化的模型。在国内,太尔时代的UP!桌面3D打印机在高校教学、科研和设计领域有着较高的知名度,而美国MakerBot 的桌面3D打印机也起初在国内市场上销售,特殊的PLA材料在可塑性等方面表现更好。但是3D打印在金属材料加工方面还无法替代精度更高的数控机床。
  亲身感受3D打印机
  笔者试用过的桌面3D打印机有两款,一款是来自太尔时代的UP!,一款是来自美国的MakerBot Replicator2,前者为国内品牌,售价9999元,体积小巧,结构大略,选取三轴联动抑制打印头的移动,成型尺寸为140mm×140mm×140mm,尺寸并不大,成型平台底板需要加热,选取了ABS塑料作为材料,打印头事务温度在260摄氏度左右,打印层厚0.15mm~0.4mm,在软件内能够调整模型的大小与位置,直接连接电脑就能够使用,驱动软件有中文汉化,在使用之前需要对打印机进行初始化以及调平成型平台。
  MakerBot在国际上名气较大,亮相于CES2011,Replicator 2是MakerBot旗下第二代桌面3D打印机,国内行货售价在2.5万元左右,改进了一代产品的许多不足。Replicator 2外观拥有很强的科技感,主要由黑色的外壳、可变色的LED灯、热融打印头、三轴步进电机、无需加热的成型平台组成,支持脱机打印,用户使用与其匹配的MakerWare软件,就能够对STL 模型文件进行设置和调整,然后导出.x3g文件,复制到SD卡中,插入到打印机读卡器上,就能够脱机打印了,对照大略,虽然MakerWare还没有汉化,然而交互界面相当大略,用户可以轻松使用。MakerBot Replicator2相比太尔时代的UP!,打印模型尺寸要更大,为28.5cm×15.3cm×15.5cm,选取了PLA材料,强度更高,可塑性强,相比之下,成本也比ABS塑料要高。目前我们常见的是透明色、蓝色、红色等单色材料,然而据明白,MakerBot在材料方面已经研发出了不同色系的PLA,比如半透明色系、金属色系等,目前还没有在国内上市。与太尔UP!打印机相同的是,打印3D模型能够自动构建支撑,避免模型细节出现问题。
  这两款桌面级的3D打印机对照具有代表性,一款为国产品牌,一款外国品牌,在制作模型方面,细节上的差异主要由材料的差异组成,但是在易用性方面,MakerBot更甚一筹,但是在成本、体积以及可调节方面,UP!也有一定的优势。
   3D打印的未来
  3D打印可以在许多领域中找到合适的应用方式,但是整个商业模式和产品链仍然需要完善,无论是技能还是产品,可提升空间仍然较大,目前来看,3D打印的家当链主要由硬件设备供应商、材料供应商、模型软件供应商和3D打印服务商组成,美国市场家当链相对完善,国内3D打印的发展仍然处于初期,在技能和材料以及服务方面仍然有较大的差距,然而国内对3D打印技能的跟进速度却相当快,也便是说,随着市场的发展,中国3D打印技能与发达国家之间的距离会逐步缩短。
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