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江南浪子的博客

“清茶几许、人生百味……”

 
 
 

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一个动画告诉你未来的3D打印技术是什么样子  

2013-06-27 20:20:08|  分类: 大千世界 |  标签: |举报 |字号 订阅

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也许你经常能听到“3D打印技术”这个词,因为这项技术最近实在是很火热,不过现在3D打印技术还不够成熟,材料特定、造价高昂,打印出来的还都处于模型阶段,也就是说真正用于生活应用的还并不多,但3D打印技术的前景很好,未来将有可能得到普及,进入我们的生活。

为了告诉大家未来的3D打印技术是什么样子,IT耳朵为大家找到了一个动画,用很简单的方式告诉了我们未来的3D打印技术是什么样子,3D技术的发展方向是什么,怎样融入我们的生活,好了,话不多说,上视频!

       3D打印技术,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本。灯罩、身体器官、珠宝、根据球员脚型定制的足球靴、赛车零件、固态电池以及为个人定制的手机、小提琴等都可以用该技术制造出来。
       每一层的打印过程分为两步,首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将会被“打印”成型,打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型,而剩余粉末还可循环利用。
       打印耗材由传统的墨水、纸张转变为胶水、粉末,当然胶水和粉末都是经过处理的特殊材料,不仅对固化反应速度有要求,对于模型强度以及“打印”分辨率都有直接影响。3D打印技术能够实现600dpi分辨率,每层厚度只有0.01毫米,即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。受到喷打印原理的限制,打印速度势必不会很快,较先进的产品可以实现每小时25毫米高度的垂直速率,相比早期产品有10倍提升,而且可以利用有色胶水实现彩色打印,色彩深度高达24位。
       由于打印精度高,打印出的模型品质自然不错。除了可以表现出外形曲线上的设计,结构以及运动部件也不在话下。如果用来打印机械装配图,齿轮、轴承、拉杆等都可以正常活动,而腔体、沟槽等形态特征位置准确,甚至可以满足装配要求,打印出的实体还可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。同时粉末材料不限于砂型材料,还有弹性伸缩、高性能复合、熔模铸造等其它材料可供选择。

       三维打印技术的魅力在于它不需要在工厂操作,桌面打印机可以打印出小物品,而且,人们可以将其放在办公室一角、商店甚至房子里;而自行车车架、汽车方向盘甚至飞机零件等大物品,则需要更大的打印机和更大的放置空间。
       3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本。
       与传统技术相比,三维打印技术还拥有如下优势:通过摒弃生产线而降低了成本;大幅减少了材料浪费;而且,它还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形,让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器;另外,在具有良好设计概念和设计过程的情况下,三维打印技术还可以简化生产制造过程,快速有效又廉价地生产出单个物品。
       三维打印技术还有其他重要的优点。大多数金属和塑料零件为了生产而设计,这就意味着它们会非常笨重,并且含有与制造有关但与其功能无关的剩余物。三维打印技术不是这样的。在三维打印技术中,原材料只为生产所需要的产品”,借用三维打印技术,他的团队生产出的零件更加精细轻盈。当材料没有了生产限制后,就能以最优化的方式来实现其功能,因此,与机器制造出的零件相比,打印出来的产品的重量要轻60%,并且同样坚固。

       人们已经使用该技术打印出了灯罩、身体器官、珠宝、根据球员脚型定制的足球靴,赛车零件、固态电池以及为个人定制的手机、小提琴等,有些人甚至使用该技术制造出了机械设备。比如,美国麻省理工学院(MIT)的博士生彼得·施密特就打印出了一个类似于祖父辈使用的钟表的物品。在进行了几次尝试之后,他最终用打印机打印出了塑料钟表,将其挂在墙上,结果,钟开始滴答滴答地走动。
       三维打印机的应用领域也在随着技术进步而不断扩展。美国科学家已经研发出了能打印皮肤、软骨、骨头和身体其他器官的三维“生物打印机”。人们还使用三维打印机来制造雕塑并修复雕塑,制造由塑料和聚合物制成的三维物体并打印出了实品。
三维打印技术排除了使用工具加工、机械加工和手工加工,而且改动技术细节的效率极高。在英国,相同的技术被戈登·默里设计公司用来帮助制造前卫的T.25型城市“生态汽车”,这款汽车已于2010年7月面世。
       隶属于欧洲宇航防务集团(EADS)的一个科研小组正致力于利用此技术打印出飞机的整个机翼。截止2011年3月研究者已使用该技术制造出了飞机起落架的支架和其他飞机零件,其打印出的支架同一只鞋子的大小一样。
       孔华威:医疗产业里面听的比较多,用的最多的不是医疗产业,而是设计行业。因如今很多建筑公司达标都是用手工制作的沙盘,做不了很漂亮的设计。而用3D打印技术做出来的沙盘很漂亮。再有,我们看到的鞋类皮鞋的设计和鼠标之类的手柄的设计,往往都是电子消费类的设计,这类设计往往有很多。一个鼠标或者是一个手柄里面大概有几十个这样的模具,这个模具往往设计师是独立操作的,独立操作的时候要等到把模具做出来,做出来之后组装起来最后看看好不好,这样的成本非常高,用3D打印技术就可以到下班的时候把设计弄完,晚上自己打印。第二天就可以把它装起来,好就可以做,这个是将来大量应用的。
       医疗行业大家是想象的比较丰富,比如说骨头是不是打印一条或者是怎么样。如今国内已经有很多人已经在用3D打印了,比如说很多透明牙套,原来我们校正牙齿用的不锈钢这类的金属,而如今已经有一种新的透明的塑料牙齿套件,这种东西套在牙齿上,你看不出来,这个校正套是3D打印打出来的。
       医疗领域里面当然很多,因为材料的缘故不可能打出很多东西,医疗领域不得不发展,因为医疗领域的骨头就一根,不会说这个骨头可以做一千万根,不可能批量生产,所以必须用3D打印。但是有材料的限制,刚才说的牙齿就是这样的,每个人的牙齿完全不一样,因为牙齿必须给我用,给别人没用,这就是医疗行业不得不发展的东西。当然也会去做更多进一步的,因为随着打印材料的变化以及打印精度的变化,可以做一些血管,还有呼吸道的一些产品,这些产品可以做通用部件的,这样就可能发展起来更快.
现状
       如今三维打印技术的精度约为0.1毫米,而且打印机本身的售价偏高,不过,随着技术的进步和成本的降低,一台普通三维打印机的成本有望比1985年的激光打印机还要低。
       但生物三维打印机也面临着诸多挑战,其中之一是其打印出的物体如何与身体其他器官尤其是大的组织更好地结合,因为任何打印出来的器官或身体组织都需要同身体的血管相连,而这可能非常难实现。一旦克服了这个技术障碍,在未来几十年内,生物打印技术将成为一项标准技术。

国内发展
 

      在2013年两会上,全国政协委员、中航工业副总工程师、中国航母舰载机歼-15总设计师孙聪透露,歼-15项目率先采用了数字化协同设计理念:三维数字化设计改变了设计流程,提高了试制效率;五级成熟度管理模式,冲破设计和制造的组织壁垒,而这与3D打印技术关系紧密。他透露,钛合金和M100钢的3D打印技术已应用于新机试制过程,主要是主承力部分。
       在传统的战斗机制造流程当中,飞机的3D模型设计好后,需要进行长期的投入来制造水压成型设备,而使用3D打印这种增材制造技术后,零件的成型速度、应用速度得以大幅度提高。如果不是采用3D打印的增材制造技术,歼-15战斗机至今能否首飞都很难讲。“钛合金3D打印技术已用于新机研制”,这一条消息立刻成为媒体瞩目的焦点。《京华时报》引述孙聪的话说,钛合金和M100钢的3D打印技术已广泛用于新机设计试制过程。报道称,于2012年10月至11月首飞成功的机型,广泛使用了3D打印技术制造钛合金主承力部分,包括整个前起落架。“2002年,3D打印技术刚萌芽时,我们就进行相关技术研发,通过与北航的合作,目前已具备一定产业能力。”同时担任“鹘鹰”飞机(歼-31)总设计师的孙聪透露另一个好消息,希望“鹘鹰”飞机未来和歼-20进行高低任务搭配,保持持续打击能力,同时也希望“鹘鹰”的改进版能成为中国下一代舰载机。相信在3D打印技术的支持下,这一天也会很快到来。
       用3D打印技术制造战机,中国并不是第一家。1984年,美国开发出从数字数据打印出3D物体的技术,并在2年后开发出第一台商业3D打印机。之所以叫“打印机”,是因为它借鉴了打印机的喷墨技术,只不过,普通的打印机是在纸上喷一层墨粉,形成二维(2D)文字或图形,而3D打印则能“打”出三维的立体实物来。 以一个手电筒为例,3D打印机能通过电脑将手电筒进行立体扫描,创建三维设计图,之后对这个立体原型进行“切片”,分成一层一层的,之后,打印机就将原材料按照设计图一层一层地“喷”上去,直到最终造出一个手电筒来,只不过3D打印机喷出的不是墨粉,而是融化的树脂、金属或者陶瓷等材料。
       美国空军一下子就被这种新技术吸引,他们认为,如果将这种技术用在武器制造上,产生的威力将是惊人的。在航空工业上广泛被使用的一种金属是钛,它的密度只有钢铁的一半,强度却远胜于绝大多数合金,如果通过激光将钛熔化并一层层喷出飞机来,无疑将大大提高美国战机的制造速度。为此,1985年,在五角大楼主导下,美国秘密开始了钛合金激光成形技术研究,1992年这项技术才公之于众。(右图为美国F-22战机的钛合金整体式承力框,它曾经是世界上最大的一体式钛合金构件)
       不过,由于在制造过程中钛合金变形、断裂的技术难题无法解决,美国始终无法生产高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。2005年,美国从事钛合金激光成型制造业务的商业公司Aeromet由于始终无法生产出性能满足主承力要求的大尺寸复杂钛合金构件,没能实现有价值的市场应用而倒闭。美国的其他国家实验室也无法攻克这一难题,只能进行小尺寸钛合金部件的打印或进行钛合金零件表面修复。
       我国于1999年开始金属零件的激光快速成形技术研究,在国家“863”、“973”计划、国家自然科学基金重点项目等的大力支持下,集中开展了镍基高温合金及多种钛合金的成形研究,形成了多套具有工业化示范水平的激光快速成形系统和装备;掌握了金属零件激光快速成形的关键工艺及组织性能控制方法,所成形的TC4、TA15、TA12等钛合金及Inconel 718合金的力学性能均达到或超过锻件的水平,为该技术在上述材料零件的直接制造方面奠定了基础;近年来,我国在飞机钛合金大型整体结构件的激光快速成形方面取得了重要突破,有效解决了激光快速成形钛合金大型整体结构件的变形开裂及内部质量控制两大技术难题,通过对钛合金零件凝固组织的有效控制,所成形的飞机钛合金结构件的综合力学性能达到或超过钛合金模锻件,已通过装机评审并得到应用。
       中国的钛合金激光成形技术起步较晚,直到1995年美国解密其研发计划3年后才开始投入研究。早期基本属于跟随美国的学习阶段,不过却后来居上,其中,中航激光技术团队取得的成就最为显著。“观察者网”文章表示,早在2000年前后,中航激光技术团队就已开始投入“3D激光焊接快速成型技术”研发,解决了多项世界技术难题、生产出结构复杂、尺寸达到4米量级、性能满足主承力结构要求的产品。(下图为F-35的钛合金整体框,目前美国仍然只能使用水压机来进行这种构件的生产)
       如今,中国已具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力,成为当今世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造、应用的国家。在解决了材料变形和缺陷控制的难题后,中国生产的钛合金结构部件迅速成为中国航空力量的一项独特优势,中国先进战机上的钛合金构件所占比例已超过20%。

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