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3D打印技能的应用与发展探究

发布时间:2018-12-13 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    3D打印技能的应用与发展探究作者: 商明慧 于帆帆   摘要:印刷和打印技能作为信息传播的重要方式,以平面图文信息的形式,为人类的文明和进步做出了重要的贡献。3D(三维)打印技能是在传统二维平面印刷打印技能的基础上,通过逐层二维打印的叠加,在三维立体空间内制造出产品。本文主要讲述3D打印技能在各领域中的应用,探索限制3D打印技能发展的瓶颈及其未来发展趋势。
  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打印技能;印刷技能;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打印技能的新闻,“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打印技能列为2014年25项年度最佳发明之一。全球工业分析公司(Global Industry Analysis Inc)的研讨汇报预测2018年全球3D打印市场将达到29.9亿美元。但3D打印技能也面临着如制造速度与精度、设备和材料成本、产品本能、操作的平安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讨热点。本文主要对3D打印技能的应用和发展趋势进行了研讨和探讨。
  1 何为3D打印
  3D打印(Three Dimensional Printing)始于上世纪90年代,是快速成型技能的一种。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能的基础上,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能够用做3D打印的“墨水”。3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、抑制及计算机技能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、设计与抑制软件等也是3D打印技能体系的重要组成局部。
  2 3D打印技能的应用
  目前3D打印技能支持多种材料,能够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 现在,3D打印技能已经广泛应用于机械模具的设计与加工,如图2A所示。相对于传统制造技能来说,3D打印技能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,如使用传统的总体锻造方法,最大的钛合金总体加强框材料利用率不到4.9%,使用3D打印利用率接近100%,几近不产生废料,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打印技能实现个性生产,满足人们的小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打印技能24小时打印了10栋房屋(如图2C、2D)并交付使用,相关建筑目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打印技能建造整栋别墅。
  在航天方面,美国NASA以及国外的一些航天公司已经就3D打印技能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讨零重力下3D打印技能的公司。而且3D打印为按需施材,削减了材料的浪费,从而降低了生产成本。
  2.2 生物医疗 3D打印技能与医学的联合堪称医学史上的创造性举动。在生物医学领域,已起初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打印技能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的研讨人员利用生物“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打印技能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打印技能进行文物修复时,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打印技能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,相信在未几的将来,随着3D打印技能的不时发展改进,3D打印技能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打印技能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技能应用到教育、教学中。以高职教育为例,在高职院校中印刷技能专业、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能够考虑引入3D打印技能。
  相关专业引入3D打印技能后,能够将人才培养的指标范围进行延伸和扩大。培养不但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;不但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;不但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打印设备的抑制和生产管理、营销和业务管理的人才。学生就业面更宽广,职业技术更新,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打印技能能够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,直观地感受打印技能带来的影响与进步。
  3 3D打印技能未来发展前景分析
  与传统技能相比,3D打印技能拥有诸多优势。美国领袖奥巴马在2014年国情咨文的演讲中强调了3D打印技能的重要性,赋予其制造业复兴的重任,提出将推动3D打印家当的发展。在欧美发达国家,3D打印机的研讨技能已走向成熟并家当化发展。近年来,随着2015年《中国制造2025》规划的实施与颁布,我国对这项技能的重视和家当链规划将进一步加强。
  从中长期看来3D打印家当具有较为辽阔的发展前景,但要进一步扩展其家当应用空间,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打印的成型材料多选取化学聚合物、石膏等材料,成型品的物理特性较差,金属材料直接成型技能有待发展。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打印技能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打印技能进行知识产权保护面临新的挑战。五是公共平安方面,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打印机就能够打印并组装手枪,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打印技能作为第三次工业革命的代表性技能之一,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,在那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打印技能更是如此。未来3D打印技能的发展将体现出精密化、智能化、通用化等主要趋势。随着信息技能、抑制技能、材料技能的进一步发展,制约3D打印技能发展的瓶颈将一一得到解决。3D打印技能也将被推向更高的应用层面。
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