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3D打印及其发展影响
[摘要]3D打印是一种新兴的快速成型技术,近年来广泛传播,备受关注,被誉为“第三次工业革命”核心技术。
本文介绍了3D打印原理,深入说明了现阶段3D打印还存在技术不成熟、精度不高、材料受限、消费高等不足问题。
但随着3D打印技术的快速发展,它势必对很多行业领域有所冲击,特别是医疗界、食品行业、传统机械加工和模具等必定会受到很大的影响。
[关键词]3D打印快速成型技术限制影响
引言
从3D打印技术诞生于20世纪80年代后期至今,3D打印技术越来越成熟,被誉为“第三次工业革命”核心技术。
特别是近两年,国内开始兴起3D打印热潮,开始了一些关于3D打印研究。
如今,国内也有3D打印机生产企业,淘宝也开始售卖3D打印产品。
就在本月,南京3D打印研究院通过自主研发的3D食品打印机成功打印出集艺术与口感于一体的巧克力。
为了扩大3D打印技术的影响,为了让更多的人了解3D打印最新研究状况以及未来对某些行业的影响,故撰写此文供大家阅读。
本文首先对简单介绍了3D打印以及其原理,再分析现身的不足之处,最后在能克服其自身不足的情况下分析了3D打印对各行业的影响。
受材料等主要因素的影响,3D打印技术目前存在在很多不足和发展限制,故3D打印的魅力就在于其受到的限制,一旦3D打印技术冲破了这些限制,其潜力也就爆发出来。
一、3D打印简介
3D打印(3Dprinting),即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
通俗点讲,3D打印是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造任意形状,根据零件或物体的三维模型数据,通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。
3D打印,作为一项综合性应用技术较强的还不太成熟的技术,它综合了机电控制技术、材料科学与化学技术、信息技术、数字建模等多多方面前沿技术,科技含量高。
3D打印机,作为3D打印打印的核心设备,集机械、控制及计算机等为一体,由数控系统、成型环境和高精度机械系统等组成。
目前,3D打印技术主要应用于产品模型、艺术创作等领域,由于技术和材料等一系列条件的限制,3D打印技术还为完全进军机械和医学等行业,随着技术的完善和材料的研发,3D打印必定会以第三次工业革命的领军角色掀起革命热潮。
二、3D打印原理
3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本,用软件将其离散分解成若干层平面切片,然后由数控成型系统利用激光束、热熔喷嘴等方式将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。
3、目前3D打印的不足
(1)、技术不成熟
从2010年出现商业3D打印机至今,3D打印技术越见成熟,目前市场上的快速成型技术分为3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术等,但3D打印技术还没有达到完全成熟阶段。
很多快速成型技术有待研发,现有技术有待完善。
例如SLS粉体成型之优点是硬度高,但是韧性只有注塑件的十分之一。
其次,目前3D打印机打印的产品有一定的整体大小限制并且3D打印机打印产品起连接作用的零部件有一定的厚度限制,当其厚度小到无法承受内应力时,连接部分便会断裂。
最后,3D打印技术的推广应用不广泛也是其技术不成熟的表现之一。
只有少数企业少数人才掌握了这项新生技术,导致其3D打印的研发工作很难比较全面展开。
(2)、精度有待提高
3D打印以“每层叠加”为加工方式,这对打印设备的精准度和稳定性要求极高,一旦有一层出现问题,整个产品就会变形。
美国Solidscape公司是全球最大的3D打印技术服务商Stratasys旗下子公司,是全球最高精度3D打印机制造商。
其拥有全球最高精度的3d打印机Solidscape。
Solidscape最小层厚可以达到6.3μm,表面精度达到0.81μm,分辨率达到5000*5000*8000dpi。
该达到全球最高精度和独有的特性3D打印产品,可以100%实现铸造。
但高精度3D打印机只存在于实验产品中,还为完全推出,目前普遍存在于市场的3D打印机的精度只有0.1mm,很难满足某些饰品的精度需求。
(3)、材料受到限制
用于3D打印的原材料较为特殊,必须能够液化、丝化、粉末化,打印后又能重新结合起来,材料工艺要求极高,现有3D打印材料种类较少,故限制了3D打印技术的应用推广。
虽然现有各种颜色原材料以丰富产品外观,但依然无透明材料满足产品视觉要求。
另外材料的性能要求远远满足不了某些产品的需要,例如航空零配件,即使能够打印出该零配件,但因为材料原因,所得产品的性能远远达不到航空要求。
快速成型材料基本上可以分为高分子材料和金属材料两大类,高分子材料如光敏树脂、ABS、PC、尼龙粉、石膏粉、蜡等,是目前主流的快速成型材料。
金属材料受快速成型工艺的局限及材料本身的限制,应用并不广泛;
未来,金属材料可能会在应用中体现它的优势,可能会有更多的金属加工工艺及金属材料出现。
(4)、3D打印消费高
如前面所说,用于3D打印的原材料较为特殊,必须能够液化、丝化、粉末化,打印后又能重新结合起来,材料工艺要求极高,故材料成本很高。
相关数据表明,打印一个一次性纸杯大小的产品,整个耗材价格达到100到200元,一般消费者难以承受,从材料成本角度看,3D打印产品难以替代现规模经济生产方式下的产品。
目前,全球还为形成比较完成的3包含材料制备、相关软件、工艺、装备、管理及创意服务和应用的相关产业链,能够完成相关服务的企业少之又少!
有能力生产3D打印机和3D打印的原材料的企业相对较少,故得花费巨资购进3D打印机和相关材料,但因为设备技术不太成熟,3D打印机罢工成了常有事情,维修3D打印机的人才更少,故维修费之高也影响了3D打印消费。
目前,3D打印产品主要为模型和饰品等低消费产品,因为自身种类的限制和价格之高,所以难以通过产品扩大3D打印产品的市场,所以,3D打印主要还是处在实验室进行相关研发工作。
四、3D打印发展应用及影响
(1)、进军医疗界
在医疗界,3D打印技术主要应用在外科手术中。
需器官移植的患者身上,可为其“量身打造”所需器官,无需担心排异反应。
而打印一个人体心脏瓣膜,只需要价值10美元的高分子材料。
2012年11月,苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。
2015年5月,国内第一个实用型3D打印假肢诞生,经过反复的设计和试用,最终那位5岁小男孩借助假肢可以完成一些基本动作,目前已经能够控制自行车把手驾驶自行车。
牙病是人群中普遍存在的,通过3D打印打印牙齿可以帮助患者正常进食。
当前,虽然医疗界中的3D打印技术能给患者带来很大的帮助,但其主要还处于实验阶段。
科技在发展,3D打印技术在成熟,3D打印技术迟早会成熟到能到完成各项医疗任务。
(二)、深入建筑领域
在建筑行业里,使用3D打印机打印建筑模型是普遍存在的现象,这种方法环保、快速并且成本低,同时制作精美,除了无法达到透视效果,完全合乎工程师和设计师的要求,同时又能节省大量建模材料。
因为3D打印机规格和材料的限制,目前我们无法直接打印出一座建筑,也无法打印生产建筑所需的一张一瓦;
正因为材料不透明性质的限制,我们在打印建筑模型时无法进行建筑内部打印,模型表面有形,内部空虚,应用价值较低。
当3D打印技术克服以上技术困难时,它将完全进入建筑领域。
(3)、3D打印食品
3D食物打印技术与3D打印技术同时发展,它是3D打印技术与食物加工技术结合的产物,综合了机电控制技术、数字建模技术、材料科学与食物制造等方面的先进技术,具有很高的科技含量。
3D食物打印机采用了一种全新的电子蓝图系统,不仅方便打印食物,同时也能帮助人们设计出不同样式的食物。
该打印机所使用的“墨水”均为可食用性的原料,如巧克力汁、面糊、奶酪等。
一旦人们在电脑上画好食物的样式图并配好原料,电子蓝图系统便会显示出打印机的操作步骤,完成食物的“搭建”工程。
这款食物打印机将大大简化食物的制作过程,同时也能够帮助人们制作出更加营养、健康而且有趣地食品,这款3D食物打印机上市后,可供家庭及餐馆等不同场所使用。
世界首款3D食品打印机——Foodini,是西班牙创业公NaturalMachines研制出的,是一款融“食物、技术、艺术和设计”于一身的家用食品机械,通过多个喷嘴的不同组合,可以制作出种类各异的食物,如披萨、巧克力、意面和汉堡等。
Choctory是国内首台能够成熟打印3D立体模型的巧克力打印机,由南京增材制造(3D打印)研究院自主研发所得。
目前已进入工业测试阶段。
2015年5月12日,3D打印巧克力亮相第二十八届中国国际烘焙展览会。
此次展出的众多异形3D打印巧克力就是由该Choctory制作而成。
咀嚼和吞咽食物是老年人常见的问题,在医学上称之为“吞咽困难”。
3D打印食品可谓是老年人的福音。
因为3D食物打印材料的特殊性,食物很容易咀嚼和吞咽,这对于老人来说即使牙齿不全也能吃到自己喜爱的食物。
3D食品打印机很可能成为老人护理行业的革新者。
健康饮食是21世纪人们比较注重的一个切身健康利益的话题,3D打印技术能够根据不同的人物需求,打印出符合儿童、青少年、孕妇和老人等营养需求的食物,能给肥胖者和患病者(如3高、糖尿病等)带来很大的便利和帮助。
3D打印食品外观和味道与原来食品相似,口感更好。
目前,3D食物打印技术还处于工业测试阶段,待技术成熟之后将3D食物打印技术商品化,市场必定广阔。
(4)、3D打印产品商业化
中国人口众多,假牙市场规模广大,将3D打印技术应用到假牙生产中,不仅将原来需要半年多次手术的周期降低到5个小时,而且将原来需要1到2万的成本降低到5000元左右。
3D打印假牙还处于临床试验阶段,当其技术成熟到临床时,可想而知其市场规模会有多大。
当前,已有许多淘宝店售卖3D打印产品,但主要以文具等低端产品为主,主要还是技术限制了3D打印产品商业化的发展。
如果3D打印技术成熟,材料丰富,3D打印产品走进千家万户并不是梦。
(五)、文物保护
2013年,史密森尼博物馆就因为原始的托马斯·
杰弗逊要放在弗吉尼亚州展览,所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。
这启发了我们将3D打印技术应用到文物保护中。
确实,博物馆中需要很多替代品来代替原始作品,保护其不受环境或意外事件的损坏。
在考古现场,可能年代久远,文物损坏程度不一,通过3D打印建立虚拟模型,可将文物信息数据化保存,使用不同的材料打印出模型供人们鉴赏。
(六)、对机械方面的影响
1、对传统制造业的影响
与传统制造业的“减材制造技术”相反,3D打印遵从的是加法原则,即“逐层叠加”原则,提高了原材料和能源的利用率。
3D打印技术完全可以离开传统的刀具、夹具和机床,从而大幅降低了生产成本和缩短了加工周期。
3D打印无漏油现象,不需要使用冷却液等,因此减少了对环境的影响。
相比于传统的车、铣、镗、钻、刨、拉、磨等复杂工艺,而且能加工出的结构有限,3D打印技术能够不仅不需要这些复杂繁琐的加工工艺,并且能实现复杂结构产品的设计制造,成型产品的密度也更加均匀。
当前,因为3D打印受到各种限制,其还不足以在传统制造业造成很大的影响。
当3D打印技术完成成熟,材料等条件满足要求,3D打印将代替部分传统制造业。
2、对模具制造业的影响
模具,作为工业之母,在3D打印技术发展的的冲击下将受到一定的影响。
前瞻产业研究院《2013-2017年中国模具制造行业产销需求预测与转型升级分析报告》分析认为,短期内3D打印不会震撼模具制造业的地位。
目前3D打印技术并不适合批量生产,生产一件和生产1万件的成本单价基本相等,并且目前3D打印单个产品所需的时间较长。
在规模经济效应的影响下,大批量生产中模具在我国占据明显优势,在非批量、精密要求不高的产品制造领域,模具不具备替代性。
而在非批量的、精密的和尖端的产品制造中3D打印应用的潜力较大,比如航空航天、医疗器械等领域。
从长远来看,随着3D打印技术的发展,未来打印效率的提高及成本的降低,3D技术对模具行业的影响将不容小觑。
使用金属材料,通过3D打印机可以快速打印出模具,这不仅减少了模具制造的时间周期,更加减少了人力和物力的投入,3D打印技术很有可能代替现有模具制造技术。
3D打印机不仅能够打印出模具,还能打印出由模具生产的产品,但因为相对于模具生产,3D打印单个产品所需的时间较长,所以3D打印技术和模具制造技术有一定的相容互补性。
例如,企业在开发新产品时,可以用3D打印技术制造模具,再用传统制造技术进行批量生产。
结论
3D打印,作为第三次“工业革命”的核心技术,发展迅速,备受关注。
深入了解3D打印,并掌握其一些基本技术,在以后的发展中必能收益。
目前,3D打印还存在很多不足,在一定层度上限制了其发展和影响。
随着科技的发展,3D打印必能突破材料等因素的限制,在各个领域中造成很大的影响。
致谢
感谢哈尔滨工业大学刘晋春等主编的第五版《特种加工》提供的选题参考以及相关基础知识,感谢XX百科,维基百科等解决了3D打印中的基本常识性问题,感谢南京3D打印研究院近期微博上公布的有关3D食品打印机打印巧克力等相关新闻,特别感谢中国知网提供的相关期刊文献。
谢谢!
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