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3D打印技能及家当前景展望

发布时间:2018-12-28 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    3D打印技能及家当前景展望作者: 侯琳 齐健   2001年7月24日,Guatemalan的双胞胎――Maria Teresa和Meria De Jesus Uuiej-Alvarez出身了,不幸的是这对双胞胎头部相连,但她们的脑髓是分离且完整的,且有各自独立的动脉和分离的隔膜,这也为连体分离术提供了可能。但头部手术是最危险的手术之一,且患者又是刚刚出身未几的婴儿,面对这一系列的难题,医生最后选择使用高精度的3D模型成功帮助其完成这一复杂的分离连体双胞胎手术。
  医生建议使用三维快速成型技能来帮助整形外科手术模拟演练如何分离这两个小女士的头颅、变更血管供应以及打算皮肤移植手术以覆盖被分离的头颅。基于波士顿生物医学的建模有限公司(BMI)――一家RP技能生产医学应用的公司,使用3台CT扫描仪在不同的角度进行扫描(因为不可能安排这对双胞胎进行同样的扫描),记录并组合了这对双胞胎头颅的所有扫描件,然后再将两个头颅组装成一个3D模型。
  “我们认为3D打印在制作这些高精确度,且要求高细节展现的模型上是最佳的选择,”InterPRO的共同所有者Kevin Dyer说,“3D打印构建了精密的特征,使我们比打印前更容易清晰地明白模型,其良好的细节展现是取得成功的关键所在,因为外科医生需要观察模型的内部以便打算变更血管的线路。”
  这仅仅是3D打印技能中的一个小小应用,却帮助我们解决了大问题,这也是为什么近年来3D打印技能不时见诸报端的原因――其颠覆性地改善了我们的生活。
  3D打印技能一路走来
  3D打印技能即三维打印技能,其核心制造思维最早起源于19世纪末的美国,至今已有数十年的应用历史。20世纪80年代已有3D打印雏形,学名为“快速成型”,其原理是:把数据和原料放进3D打印机中,机器会按照程序把产品一层层造出来――打印出的产品,能够即时使用。
  在20世纪80年代中期,SLS被美国德州大学奥斯汀分校的Carl Deckard博士开发出来并获得专利,项目由DARPA赞助。1979年,类似过程由R.F. Housholder得到专利,但没有被商业化。1995年,麻省理工创造了“三维打印”一词,那时的毕业生JimBredt和TimAnderson批改了喷墨打印机方案,变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案,而不是把墨水挤压在纸张上的方案。
  说到3D打印,就不得不提到3D打印机。3D打印应用的是添加剂制造技能,其三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D打印功能上与激光成型技能一样,选取分层加工、迭加成形,即通过逐层增加材料来生成3D实体,与传统的去除材料加工技能完全不同。称之为“打印机”是参照了其技能原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。随着这项技能的不时进步,我们已经可以生产出与原型的外观、感觉和功能极为接近的3D模型。大略地说,3D打印是断层扫描的逆过程,断层扫描是把某个东西“切”成无数叠加的片,3D打印便是一片一片的打印,然后叠加到一同,成为一个立体物体。
  3D技能发展初期,3D打印机数量很少,大多在“科学怪人”和电子产品爱好者手中。他们主要被用来打印像珠宝、玩具、工具以及厨房用品之类的东西。甚至有汽车专家打印出了汽车零部件,然后根据塑料模型去订制真正市面上买不到的零部件。虽然人们能够在一些电子产品商店购买到这类打印机,工场也进行直接销售。只是物以稀为贵,一套3D打印机的价格从一般的750美元到上等质量的27000美元不等。
  随着2003年3D打印机的销售量逐步扩大后,价格也起初有所降落。2009年以来,3D打印市场在北美和欧洲急剧增长。根据Stratasys公司2011年财报,其80%左右的收入来源于欧美市场。美国《时代》周刊也已将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”,英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一同推动实现第三次工业革命”。如今,3D技能已经广泛被应用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车、航空航天、牙科和医疗家当、教育、地理信息系统、土木工程以及其他许多领域。
  过去,3D打印常被用于在模具制造、工业设计等领域制造模型――在数小时内完成模具的打印,旨在节约产品从开发到加入市场的时间;如今,其逐步被用于进行一些产品的直接制造,特别是一些高价值应用(如髋关节、牙齿以及飞机零部件等)。
  3D打印技能分支
  1.3D Systems
  3D Systems于1986年率先发明了立体平版印刷快速建模系统(光固化快速原型系统),以光敏树脂为原料,通过计算机抑制紫外激光器逐层凝固成型。3D Systems的固体成像技能用于生成产品观念模型、精度和功能样板、工具图样以及可直接用于生产的终端部件。3D Systems的系统解决方案选取专利工艺,并借助计算机辅助设计和制造软件或3D扫描及雕塑设备来生成实物模型。2012年1月,3D Systems又成功收购Z Corporation公司,将旗下产品与3D Systems快速成型机完全融合,实现功能多样化、产品丰富化以及市场多元化的发展。
  3D Systems公司还在CES2013展会上推出了一款Cubify系列家用3D打印机,与第一代产品相比,第二代Cube有许多改进:其打印速度是原来的1.5倍;既能够使用ABS,也能够使用可回收的PLA塑料。另外,第二代Cube还保持了第一代产品的许多特性,例如方便加载的粉盒(交回旧粉盒可获得折扣)、触控屏抑制以及WiFi连接等。
  2.Stratasys
  Stratasys公司提供了150种经特殊设计的3D打印材料组合,其中包括PolyJet光聚合物和FDM热塑性塑料。Stratasys专利技能FDM能够挤压出纹路精细的FDM熔融热塑性塑料,制造高可靠性和耐用性的零件。2012年4月,Stratasys与Objet宣布合并,从而获得PolyJet技能。PolyJet喷墨技能的事务原理是:以超薄层(16μ)的状态将艺术感光聚合材料一层一层地喷射到构建托盘上,直至整个部件制作完成。而每一层感光聚合材料在被喷射后立即用紫外线光进行凝固,从而制作出完全凝固的模型,且能够立即搬运或使用,而无需过后凝固。而用手或者通过喷水等方式能够很容易地清除为支持复杂几何形状而特别设计的凝胶体状支持材料。   PolyJet技能能够在一个零件中复合使用多种材料,通过喷墨式方法以微小液滴从液体光聚合物中制造零件,并利用紫外线使其立即固化,从而打造光滑、细致的零件表面,使得几近所有规模的公司均能够快速而高质量地制作复杂模型。而PolyJet选取的非接触树脂处理与喷水清除支持材料,恰是办公室环境下3D打印的理想之选。
  而PolyJet Matrix技能,是3D打印技能的新方向,其事务原理是:喷射事先设置好的两种不同的Objet FullCure模型材料。其双喷嘴能够选择多种材料组合方式,包括同时喷射两种不同刚性材料、两种柔性材料、一刚一柔、任一种模型材料和透明材料或者任两种相同材料等。每种材料均存放在专用的液体系统以连接到载有8个打印头的PolyJet Matrix装置。PolyJet Matrix技能能够抑制每个打印头上的96个喷嘴中的任意一个。能够根据所处位置和模型类型从指定的喷嘴喷射事先调整好的模型材料,能够全面抑制喷射材料的机械特性。这种复合型材料称为“Digital Material”数码材料,能够根据材料本能目标(如拉伸强度、极限拉伸率、热变形温度以及Shore A弹性值等)与实际产品材料进行匹配。打印时,材料以超薄层的状态被一层一层地喷射到构建托盘上,直至整个部件制作完成。与PolyJet技能一样,打印后的模型能够直接被搬运或使用,而无需过后凝固。
  PolyJet Matrix技能为各个领域提供了无限商机,包括最后产品外观效仿、感觉与功能测试,可以使其比以往更贴近最后产品。而其提供的最前沿的三维打印系统,能够在单个建造事务中打印具有不同机械和物理特性材料组成的零部件。
  尤其值得一提的是,Stratasys于2013年成立子公司MakerBot,拓宽了个人3D打印市场。该公司产品以准专业级桌上3D打印机为主,其主打产品MakerBot Replicator售价仅为1749美元。
  3.Fab@Home
  2006年,美国康奈尔大学的Hod Lipson教授和其博士研讨生EvanMalone共同倡议了一个专门研讨低成本家用3D打印机的项目,名为“Fab@HomeProject”。Fab@Home通过网站提供开源的家用级3D打印机制作与操作方法,并提供装机服务,整机装配价格不足3000美元。Fab@Home可按用户自己的设计,利用低熔点材料(包括食材)制作各种产品。
  4.RepRap
  RepRap是人类历史上第一部能够自我复制的机器。2005年,英国巴斯大学机械工程高级讲师AdrianBowyer博士创建了RepRap项目。RepRap是一部能够生成塑料实物的开源桌面型3D打印机,其大局部零件为塑料制品,因此RepRap能够通过3D打印制作绝大局部自身零件,完成自我复制。用户能够通过自己收集的材料,利用RepRap制造另一台RepRap。RepRap是第一款低成本3D打印机,同时也开创了开源3D打印机的革命。
  3D打印技能亟需解决的问题
  1.3D打印机价格
  随着3D技能的普及,3D打印机的价格已经大幅降落,但多数桌面级3D打印机的售价仍在2万元人民币左右。
  2.桌面级3D打印机使用范围有限
  对于桌面级3D打印机来说,由于仅能打印塑料产品,因此使用范围相当有限,而且对于家庭用户来说,3D打印机的使用成本仍然很高。
  3.原材料种类不够丰富
  3D打印不是一项高深艰难的技能,它与普通打印的区别主要在于打印材料。Objet公司(2012年已与Stratasys公司合并――笔者注)是掌握最多打印材料的公司,多年前其已经能够使用14种基本材料,并在此基础上混搭出了107种材料,而两种不同材料之间的混搭使用、上色也已经成为现实。然而,这些材料种类与人们生活的大千世界里的材料相比,还相差甚远。
  4.打印精度与打印速度的取舍
  3D打印是通过一层层的材料堆砌来变成实物,如果想将实物制作得更精细,就需要增加分层,即减小层高;而如果想提高打印速度,则需要削减分层,即增加层高,而这势必会影响产品的精度质量。对于单件、小批量的产品来说,3D打印技能确实有其无可比拟的优势,但如果要进行大批量生产同样精度的产品,反而是传统的制造手段更为经济、有效。
  5.社会风险成本
  每个事物都有其两面性。3D打印技能在初期就让人们看到了一系列隐忧,而未来的发展也令不少人感到担心。如果什么都能彻底复制,想到什么就能制造出什么,也着实让人恐惧。例如,近日据美国《大众科学》网站报道,一名叫“HaveBlue”的业余枪支修理师宣称,他用3D打印机打印了一把点22口径的手枪,而这把“打印手枪”竟然成功射出了200枚子弹。据介绍,他先从一个枪支修理网站上下载了手枪的设计软件并做了一番小加工。随后,又花了30美元购买了一种塑料材料,将其放入一款最新型的3D打印机中进行打印。最终,一把手枪“横空出世”且通过了初步本能测试。虽然这个新闻的真实性还有待进一步考证,但却引发了公众对于3D打印的负面性的思索。
  6.行业标准难以制订
  虽然3D打印的原理相同,但不同的3D打印机产品有着不同的技能原理和特点,缺乏统一的行业标准。将一个实物交由不同的 3D打印机进行打印,其结果也不尽相同。而同样缺乏行业标准的还有 3D打印原料。毋庸讳言,每个 3D打印机制造商都希望消费者能够一直购买自己所提供的原料,以便获取稳定且持续的收入。但 3D打印机制造商所用的原料从形式到内容千差万别,这对于材料生产商是一个不小的考验 ――研发成本和供货风险都很大,难以变成家当链。
  7.3D打印外的必要工序
  近期, 3D打印技能大热,很多媒体将其描绘成应用神器,甚至等同于家中的纸质打印机一样的普及和必要,但却绝口不提其对于技能的要求。公众大多以为 3D打印便是在电脑上设计一个模型,无论内部结构多么复杂,只要按一下按钮就能打印出一个成品 ――而这并不是真相。真相是,对于一个特别复杂的模型,需要使用者有大量的工程、结构方面的知识以及精细的技巧,并根据具体情况随时进行调整。而后期的工序常常也避免不了,或打磨,或烧结,或组装,或切割,而这些过程常常需要大量的手工事务。   8.知识产权问题
  《连线》杂志曾对 3D打印机的知识产权问题做出一个假如:当 3D打印机组合一个 3D扫描仪时,知识产权问题将成为一句 “空话 ”。因为 3D扫描仪不但能够复制外形,而且能够复制更为复杂的细节。就目前而言, 3D技能的发展速度远远高于法律制定的速度,这就导致 3D打印技能与知识产权之间的矛盾 ――对于很多能够无限复制的物品,以往我们是需要 10个就购买 10个,那如今,是购买 10个,还是购买 1个打印9个呢?
  3D打印的工业化应用
  1.与用户完美沟通的利器
  香港三立集团是一家集照明产品研发、制造、贸易和照明工程专业技能服务为一体的大型企业,是国内仅有的几家进驻所有建材超市门店的优秀灯具供应商,也是在全国所有省市都有销售网络的灯具品牌之一。
  作为一家已经在行业内站稳脚跟且快速做大做强的企业,前景好像已经是一片光明了,但其设计部的设计师詹自坚却说出了他们所面临的问题: “不谦虚地说,我们的企业在行业内已经算是很不错的了,有很多慕名而来的厂商找我们谈合作,然而人家来找不等于说工程已经到手了,尤其是大型工程,客户的要求只会更多、更细致。”
  以往面对客户的问询以及要求,工程师们惟有不时地在图样长进行修正,再一点点地解释给客户听,这不光延长了沟通的时间,还要求客户也具有一定的看图能力,才能真正找到问题所在。 “而自从我们引进了 3D打印机,这一问题迎刃而解。对于一些高要求的客户,我们将打印好的实体模型拿给他们看,有什么问题能够马上指出。偶尔候,在拿实体与用户进行沟通的过程中,我们反而更快地讨论出了更好的改进方法,毕竟看到实体再进行改进,比看着图样进行三维空间想象要大略的多。”
  对于 3D打印的优势,詹自坚还提到两点:一是打印的全程自动化,不但能够节约实体制作时间,还能够将工程师彻底解放出来;而另外一个最大的优点,是在其与客户沟通的时候,只需拿出打印后的实体,而无需再提供相关的设计图样、文件等 ――对于竞争激烈的行业来说,这能有效确保设计的保密性。
  2.小批量生产的解决之道
  “我们主要是做家具行业的,但与他们不同的是,我们主要做一些五星级的旅店家具。之前买这个设备便是用于澳门一个五星级的旅店,引进 3D打印机也主要是为了将来要做的一些旅店项目。 ”东莞 TALA家具厂刘运莲经理说,一般的家具厂商在生产家具时,都会选择开模,是因为当数量抵达一定级别时,开模的成本就会相应降低。“而我们负责的项目都是五星级旅店的项目,有很多贵宾房需要交代。一般来讲,这样的贵宾房里的家具、灯饰都仅仅惟有十几件、几十件而已。去外面找人开模,成本太高。而 3D打印机就不同了,虽然打印也需要一定的耗材成本,然而相对小数量级的开模成本,打印的成本已经能够忽略不计。”
  一些灯具厂选择3D打印机鉴于成本的考虑,多是打印一些小型的、对照细致的零件, “我们也一样。我们主要打印一些床、沙发、桌子、椅子的脚、拉手一类的小零件,以及灯饰上的五金件。别小看这些五金件,很多客户选择合作的对象,相当重视这些细节,而我们直接拿打印好的实物去洽谈,无形中就为我们加分不少。毕竟一个五星级旅店的贵宾房是旅店项目的门面,为了让其更加精益求精,我觉得我们加入的成本真的一点都不高。”刘运莲说。
  3.火星探测车
  在亚利桑那沙漠中,一辆急迅的白色车辆正在黄沙上行驶。它在陡峭的地形上行动自如,不惧风吹日晒,昼夜极端的温差对它也毫无影响。 NASA的宇航员和工程师们正在试驾一辆探测车,观察它在模拟火星砂石遍布、丘陵起伏的严酷环境中的运行情况。
  这便是沙漠 RATS(研讨和技能调查)团队以及他们的探测车――探测车如悍马大小,配备了增压仓以在宇宙空间坚持人体生存条件。它最后可能被用于NASA的最高指标之一:人类火星探测。在未几的将来,类似的车辆可能会帮助人类调查地球附近的小行星。
  NASA的工程师们将巧思妙想与先进技能联合,设计出了这款坚固耐用的专用车辆。例如,该探测车的约70个部件均选取数字方式制造,即直接利用计算机设计在生产级的3D打印机的加热腔中制得。该过程被称为Fused Deposition Modeling(FDM)技能或增材制造,选取该方法,可以制造出具有复杂形状的坚固部件,足以应付火星的地形。
  在构建一系列高度定制化的车辆并让它们经受非地球条件的严苛考验时,量产部件和传统制造方法还达不到要求。NASA探测车上的3D打印的部件包括防火通风管和壳体、摄像机安装架、大型舱门、一个用作前保险杠的大型部件以及许多定制的固定装置。FDM提供的设计自由度和快速周转可为复杂的电子组件量身定做壳体。例如,一个耳朵形状的外部壳体很深且形状弯曲怪异,如果选取机加工,即使可以实现,成本也将异常高昂。
  4.Steeda Autosports
  福特野马可谓汽车中的极品,美国力量的象征。它是从装配线上跑下来的骏马,但是许多拥有者还想让它更具个性、更好和更快――他们常常去找Steeda Autosports帮忙,因为它是福特汽车配件最全的的制造商,其产品线从令人惊叹的车轮至减震系统,再到镀铬散热器盖,可谓一应俱全。
  汽车售后零件是一个竞争激烈的行业,客户对价格相当敏感,所以,Steeda不时探究方法来扩大在创新、质量和经济性方面的优势。近来,Steeda认真研讨了其成型工艺,其中大多属于数控加工。“但成型工艺耗时太长,成本过高,甚至对于像模压管这样的有机形零件不合适,因为其需要经过各种尺寸和配置方面的测试。加工这些零件难度很大,成本也很高。”Steeda的产品开发工程师Chad Kroll说道。最后,Steeda选择了3D打印来应对这一问题。要制作观念原型,Kroll的团队只需将CAD设计发送至3D打印机即可。
  像油帽和引擎盖针板这样的零件,3D打印代替了成本高且时间长的早期原型的数控加工,每件新产品节约了3天时间。对于像冷空气进所套件中模压管这样的其他有机形部件来说,3D打印让Kroll的团队很轻松地针对本能和适用性进行各种尺寸和形状测试。
  结语
  从股市的表现到媒体的关注,3D打印这项“旧技能”的一夜爆红,从某种程度上反映了机械行业谋求突破的热情。虽然我们都相信,3D打印将不时地融入我们的生活,并不时地完善我们的生活。然而从该技能的本源看,无论是3D打印技能本身,还是3D打印设备,都亟需更有说服力的应用模式,在实体经济当中发挥作用――火热事后,3D打印技能到底对实体经济有多大的影响,只可拭目以待。
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