3D打印技术专题之一|3D打印原理、优势及应用

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3D打印技术专题之一|3D打印原理、优势及应用

新冠疫情至今仍在持续,对各行各业形成了巨大冲击与改变,也为某些行业带来了机会。比如今天要讲的3D打印行业。


2020年初,受海外医疗防护物资紧缺影响,利用3D打印设备制造出的口罩、医用面罩、护目镜等一时间成了“救场奇兵”。利用3D打印技术制造面罩、呼吸阀、口罩扣等紧缺的医疗物资,与传统制造模式相比,这种制造模式的好处是不受空间的制约,能够缩短供应链流程,生产效率更高,并且制造门槛也更低。


事实上,作为具有巨大发展前景和广阔应用空间的前沿技术之一,3D打印几乎已经“风靡全球”。截至目前,3D打印在教育、医疗、汽车、航天等领域的应用正不断深入,其在商业落地过程中的价值也不断体现出来。


如何打印“世界”?

3D打印又称“增材制造”(Additive Manufacturing),它的出现可以说颠覆了人们对传统生产制造的认知。

3D打印机的工作原理与普通打印机基本相同,只是打印材料有些不同。普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有粉末状的金属、陶瓷、砂,以及塑料等可粘合的打印材料。当3D打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把打印材料一层层叠加起来,最终把计算机上的模型变成实物。

传统的减材制造工艺是从一块材料上去除所有不需要的材料(通过手工雕刻,或者使用铣床、车床或CNC机床等设备来实现),直至得到所需的零件(图1-a)。

与减材制造工艺相比,增材制造是从零开始的,通过依次在前一层的顶部“打印”新的一层来构建零件,直至零件完成(图1-b)。根据所使用的特定增材制造技术,每一层的厚度也有所不同,在几微米到约0.25mm之间变化,当前有许多材料可以应用于不同的增材制造工艺。

起初,3D打印主要是在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于某些产品或零部件的直接生产制造,比如在航空航天、工程施工、医疗、教育、地理信息系统、汽车等垂直领域都有所应用。

  • 2015年,美国国家航空航天局(NASA)基于3D打印技术,打印出航空火箭发动机的头部。这使得零件大量减少,焊缝也随之减少,降低了火箭发动机出现故障概率的同时,使得迭代周期缩短、成本降低。
  • 在迪拜,政府选择用3D打印来建造政府大楼。3D打印建筑主要作业由机器完成,一体成型,建筑速度快,工人的作用多为操作和检验3D打印机的工作情况,因此对人力的需求比传统建筑行业少。
  • 2019年,美国加州大学圣迭戈分校利用3D打印技术,制造出模仿中枢神经系统结构的脊髓支架,成功帮助大鼠恢复了运动功能。
  • 2020年5月我国首飞成功的长征五号B运载火箭上,搭载着我国新一代载人飞船试验船,船上还搭载了一台“3D打印机”。这是我国首次太空3D打印实验,也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。


3D打印:兼具效率与质量


以上,大到工程建筑、火箭发动机,小到脊髓支架等都有用到3D打印技术,3D打印技术也被评价为可能会改变世界的技术之一。那么3D打印具有何种优势呢?

  • 成品速度快:快速、高效、低成本的3D打印和注塑工艺已取代了耗时且昂贵的制造技术。现在,新开发人员可以获得注塑成型报价,并且几乎可以立即知道将新产品推向市场的成本。注塑成型是制造大量相同塑料零件的具有成本竞争力的技术,一旦创建模具并设置机器后,就可以非常快速且低成本地制造其他零件。
  • 构型精准多样:3D打印可以轻松制造复杂的形状,其中许多形状无法通过任何其他制造方法来生成。即使形状再复杂,利用3D打印技术也能完成产品设计及制造。在飞机、汽车等精密零部件制造方面拥有突出优势。
  • 无须机械加工:3D打印技术不需要机械加工或任何模具,就可以直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件。这样做,可以大大地缩短产品研制周期,提高生产率、降低生产成本。和传统技术相比,3D打印技术通过摒弃生产线而降低了成本,减少了材料浪费。
  • 产品定制化:3D打印不仅可以提供更大的设计自由度,还可以完全定制设计。由于当前的3D打印技术一次只能制造少量零件,因此非常适合小批量定制化生产。该定制化概念已被医学、牙科、骨科等领域所接受,用于生产定制义肢、植入物和牙科矫正器具等。从量身定制的完美适合运动员的高级运动装备、跑鞋到定制太阳镜、耳环,3D打印可经济高效地一次性生产定制零件。


3D打印应用广阔

3D打印带来了世界性制造业革命,以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现,而3D打印机的出现,将会颠覆这一生产思路,这使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题,任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。

3D打印技术市场潜力巨大,势必成为未来制造业的众多突破技术之一。

  • 工程制造。在工程类制造方面,一方面是应用于国防军工、航空航天等高端制造的重要零部件生产,这些部件生产要求高,传统工艺往往无法达到或者即使达到但成本过高;另一方面是用于工程制造的小批量或者单件产品生产。
  • 民用发展。在民用发展方面,带来制造工艺的深刻变革同时减少劳动力的成本,3D打印技术被誉为“第四次工业革命”的核心技术。
  • 医疗方面。同时3D打印技术在医疗方面也有着显著的成效,可以用来打印假肢,帮助更多因为意外失去双腿的人重新站起来,和正常人一样生活。“3D打印心脏”是应用3D打印技术实施人类器官仿制的又一成果。3D打印心脏可用于心脏解剖的副本,对于练习复杂的心脏手术大有裨益。
  • 建筑行业。在建筑业,3D打印的潜力远不止可以生产DIY的家居物品这么简单。实际上,这项技术甚至可以彻底颠覆传统的建筑行业。与传统建筑行业相比,3D打印的建筑不但建材质量可靠,还可节约建筑材料30%-60%、缩短工期50%-70%、减少人工50%-80%……根据测算,3D打印至少能使建筑成本降低50%以上,让更多人住得起房子。不过,新型“油墨”打印的建筑,其刚度、强度和耐久性等综合性能还待进一步验证。