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3D打印技术

来源:动漫科普

3D打印技术又称三维打印技术,是指通过可以打印出真实物体的3D打印机,采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来生成3D实体。3D打印技术最突出的优点是无需机械加工模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体,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。

3D打印技术 简介

 

 

 

桌面上的3D打印机

3D打印技术出现在上世纪90年代中期,实际上是利用光固化和纸层叠等方式实现快速成型的技术。它与普通打印机工作原理基本相同,打印机内装有粉末状金属或塑料等可粘合材料,与电脑连接后,通过一层又一层的多层打印方式,最终把计算机上的蓝图变成实物。

 

3D打印(3D printing),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粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,现正逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件。

3D打印技术 过程原理

3D打印技术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。[1] 

 

3D打印技术使用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 打印精度

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。

 

由于打印精度高,打印出的模型除了可以表现出外形曲线上的设计,结构以及运动部件也可以完全展现。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。[2] 

3D打印技术 技术优势

 

 

 

欧宇航局3D打印的月球基地模型

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。

 

另外,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。[2] 

 

3D打印技术 应用发展

 

 

 

用于打印巧克力的3D打印机

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”。最近更有消息报道说,国外有人拥有了半张3D打印的假脸。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食品。

 

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。[2] 

 

2012年7月,在地球上进行低重力抛物线飞行过程中,美国宇航局(NASA)测试了3D打印机。未来的宇航员几乎可以使用3D打印机按需打印他们所需的任何物品,甚至连金属材质的机器零部件也不在话下。有了这种打印机,他们无需担心发射时遗漏物资和设备。[3] 

 

3D打印技术 技术影响

有些业内人认为,三维打印技术对制造业的影响将可与喷墨打印机对文件打印的影响相媲美。

 

三维打印技术带来的变化或将改变制造业的经济面貌。许多人认为,这项技术将让商业完全去中心化,逆转伴随着工业化到来的城市化进程,人们将不再需要工厂,届时,每个村庄都将拥有一个由打印机组成的制造厂,制造所需的物品。但是,也有人认为,城市的经济和社会利益远远超出吸引工人到装配线上工作的能力。 

 

有人坚持认为,三维打印技术减少了对工厂工人的需求,削减低成本、低工资国家的优势,因而会增加发达国家的生产能力。不过,也有人对此表示怀疑,他们称,亚洲制造商也有能力采用该技术,而且,即使三维打印技术确实会让生产重回发达国家,它也无法提供更多的工作机会,因为与标准的制造过程相比,它并非劳动密集型的技术。 

 

而三维打印技术给物流公司带来的威胁是显而易见的,2010年在由DHL公司组织的一次大会上,有人就提出了这种可能性:当公司能够在需求产品的地方打印出急需的零部件时,为什么还会从国外空运呢?[2] 

 

3D打印技术 面临问题

现在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。[2] 

3D打印技术 产权保护

三维打印技术的意义不仅在于改变资本和工作的分配模式,而且也在于它能改变知识产权的规则。该技术的出现使制造业的成功不再取决于生产规模,而取决于创意。然而,单靠创意也不够,模仿者和创新者都能轻而易举地在市场上快速推出新产品。因此,竞争优势可能将前所未有地变得比以前更短。[4] 

一旦物品能用数字文件来描述,它们就会变得很容易复制和传播,当然,盗版也会变得更加猖獗,就像音乐工业出现的情况一样。当一个新玩具的草图或一双鞋的设计方案在网上流传时,其知识产权的拥有者会失去更多,因此,人们在知识产权领域进行的斗争会更加激烈。并且,随着开源软件、新的非商业模式的出现,三维打印技术需要比目前更加严谨还是更加宽松的法规还有待验证。[2] 

 

3D打印机可制作枪支,安全问题引发争议,从网上免费下载示意图,然后在3D打印机上制作枪支,所有一切都只通过点击按钮完成。点击打印,然后走开,几小时后你就拥有一支枪了。这样制作枪支不需要接受背景调查,没有年龄限制,枪支身上也不需要刻上序列号或需要跟踪枪支去处的销售收据。所以3D打印技术带来的安全问题也是存在争议的,未来如何发展,还需进一步明确。[5] 

 

3D打印技术 税务问题

过去税务局、海关对交易征税都是基于商品的价值。如果将来货物的制造模式都是通过购买3D打印机和“耗材”,从网上下载设计文件(大多数将是免费的)自行打印出所需的物品,那么传统的征税模式将难以为继。未来的税基将很可能从增值税、消费税转向个人所得税和营业税

 

3D打印技术 - 3D打印10大优势

3D打印机[6] 不像传统制造机器那样通过切割或模具塑造制造物品。通过层层堆积形成实体物品的方法从物理的角度扩大了数字概念的范围。对于要求具有精确的内部凹陷或互锁部分的形状设计, 3D打印机是首选的加工设备,它可以将这样的设计在实体世界中实现。下面是来自各个行业、具有不同背景和专业技术水平的人用类似的方式描述,3D打印帮助他们减少主要成本、时间和复杂性障碍。我们一起来看一下3D打印具有哪些优势。
 
  优势1:制造复杂物品不增加成本.就传统制造而言,物体形状越复杂,制造成本越高。对3D打印机而言,制造形状复杂的物品成本不增加,制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式,并改变我们计算制造成本的方式。
 
  优势2:产品多样化不增加成本。一台3D打印机可以打印许多形状,它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。传统的制造设备功能较少,做出的形状种类有限。3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本,一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。
 
  优势3:无须组装。3D打印能使部件一体化成型。传统的大规模生产建立在组装线基础上,在现代工厂,机器生产出相同的零部件,然后由机器人或工人(甚至跨洲)组装。产品组成部件越多,组装耗费的时间和成本就越多。3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链,不需要组装。省略组装就缩短了供应链,节省在劳动力和运输方面的花费。供应链越短,污染也越少。
 
  优势4:零时间交付。3D打印机可以按需打印。即时生产减少了企业的实物库存,企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求,所以新的商业模式将成为可能。如果人们所需的物品按需就近生产,零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。
 
  优势5:设计空间无限。传统制造技术和工匠制造的产品形状有限,制造形状的能力受制于所使用的工具。例如,传统的木制车床只能制造圆形物品,轧机只能加工用铣刀组装的部件,制模机仅能制造模铸形状。3D打印机可以突破这些局限,开辟巨大的设计空间,甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。
 
  优势6:零技能制造。传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求,然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。3D打印机从设计文件里获得各种指示,做同样复杂的物品,3D打印机所需要的操作技能比注塑机少。非技能制造开辟了新的商业模式,并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。
 
  优势7:不占空间、便携制造。就单位生产空间而言,与传统制造机器相比,3D打印机的制造能力更强。例如,注塑机只能制造比自身小很多的物品,与此相反,3D打印机可以制造和其打印台一样大的物品。3D打印机调试好后,打印设备可以自由移动,打印机可以制造比自身还要大的物品。较高的单位空间生产能力使得3D打印机适合家用或办公使用,因为它们所需的物理空间小。
 
  优势8:减少废弃副产品。与传统的金属制造技术相比,3D打印机制造金属时产生较少的副产品。传统金属加工的浪费量惊人,90%的金属原材料被丢弃在工厂车间里。3D打印制造金属时浪费量减少。随着打印材料的进步,“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。
 
  优势9:材料无限组合。对当今的制造机器而言,将不同原材料结合成单一产品是件难事,因为传统的制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起。随着多材料3D打印技术的发展,我们有能力将不同原材料融合在一起。以前无法混合的原料混合后将形成新的材料,这些材料色调种类繁多,具有独特的属性或功能。
 
  优势10:精确的实体复制。数字音乐文件可以被无休止地复制,音频质量并不会下降。未来,3D打印将数字精度扩展到实体世界。扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率,我们可以扫描、编辑和复制实体对象,创建精确的副本或优化原件。
 
  以上部分优势目前已经得到证实,其他的会在未来的一二十年(或三十年)成为现实。3D打印突破了原来熟悉的历史悠久的传统制造限制,为以后的创新提供了舞台。

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