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3D和4D打印


1.什么是3D打印技术? 

3D打印技术,可全称为计算机三维打印增材制造技术,是一种以数字模型为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过计算机软件控制,应用逐层打印的方式来制造物体的技术。二十世纪80年代,美国人查尔斯霍尔发明了光固化增材制造技术,申请专利后,注册了3D System公司,如今该公司已成为3D打印设备巨头之一。 

3D打印技术,专业名称应是快速成型技术增材制造技术,依托信息技术、材料科学和精密机械等多学科的尖端技术。3D打印首先应用计算机软件设计出三维的加工样式,然后将这些样式信息传递到3D打印机上,再通过特殊的胶水将液化、丝化和粉末化的固体材料堆积、粘合起来,打印出固态的物体产品。它既不需要用纸,也不需要用墨,而是通过电子制图、远程数据传输、激光扫描、材料熔化等一系列技术,使特定金属粉或者记忆材料熔化,并按照电子模型图的指示一层层重新叠加起来,最终把电子模型图变成实物。由此可见,3D打印技术是一项集光、机、电、计算机、数控及新材料于一体的先进综合制造技术。 

  3D打印技术打印出来的手枪 

3D打印机出现在二十世纪90年代中期,是一种利用光固化和纸层叠加等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同,打印机内装有液体或粉末等打印材料,与计算机连接后,通过计算机控制把打印材料一层一层的叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。如今这一技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。 

  世界上首部3D打印汽车Urbee 2 

3D打印把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得到产品。 

3D打印的耗材由传统的墨水、纸张转变为胶水、粉末,当然胶水和粉末都是经过特别处理的特殊材料,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。现在,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。受到打印原理的限制,打印速度不是很快,但可以利用有色胶水实现彩色打印。 

23D打印技术的特点 

被认为推动了第三次工业革命进程的3D打印技术,涉及信息技术、材料科学、精密机械等多个方面。该技术的主要特点是可直接根据计算机图形数据,通过增材制造的方法生成各种形状的产品。与传统的减材制造相比,3D打印不仅可以提高材料利用率,还可以用更短的时间制造出比较复杂的产品。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。 

3D打印技术的魅力还在于它不需要在工厂操作,而且,人们可以将其放在办公室、商店等不大的房子里;桌面打印机可以打印出小物品,但汽车方向盘、甚至飞机零配件等大件物品,则需要更大的打印机和更大的放置空间。 

  纳米级微型3D打印机 

与传统技术相比,3D打印技术还拥有如下优势:通过摒弃生产线降低成本,大幅减少材料浪费,而且还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形,如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,3D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。 

3D打印,由于打印精度较高,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。 

3D打印技术还有其他重要的优点。大多数金属和塑料零件是为了生产而设计,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。而3D打印技术却不是这样的,其原材料只为生产所需要的产品,生产出的零件更加精细轻盈。当材料没有了生产限制后,产品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%,并且同样坚固可用。 

3D打印适用于新品研发,或是制造难以加工的贵重材料,以及用传统制造方法浪费大、甚至根本做不出来的复杂形状,但在大批量生产方面,其尚嫌不足,还须依靠传统制造。 

33D打印技术的类型 

3D打印技术实际上是一系列快速原型成型技术的统称,基本原理就是叠层制造,由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状,而在Z坐标间断地作层面厚度的位移,最终形成3D制件。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。 

3DP技术:采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术,通过将液态连结体铺放在粉末薄层上,以打印横截面数据的方式逐层创建各部件,创建三维实体模型。采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩,还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上。 

FDM熔融层积成型技术FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化,同时三维喷头在计算机的控制下,根据截面轮廓信息,将材料选择性地涂敷在工作台上,快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后,机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层,直至形成整个实体造型。其成型材料种类多,成型件强度高、精度较高,主要适用于成型小塑料件。 

SLA立体平版印刷技术SLA立体平版印刷技术以光敏树脂为原料,通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描,被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化,形成零件的一个薄层。一层固化完成后,工作台下移一个层厚的距离,然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂,直至得到三维实体模型。该方法成型速度快,自动化程度高,可成形任意复杂形状,尺寸精度高,主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。 

SLS选区激光烧结技术SLSselective laser sintering)选区激光烧结技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料(金属粉末或非金属粉末),然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结,然后不断循环,层层堆积成型。该方法制造工艺简单,材料选择范围广,成本较低,成型速度快,主要应用于铸造业直接制作快速模具。 

DLP激光成型技术DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似,不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物,逐层的进行光固化。由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化,因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高,在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。 

UV紫外线成型技术UV紫外线成型技术和SLA立体平版印刷技术比较类似,不同的是它利用UV紫外线照射液态光敏树脂,一层一层由下而上堆栈成型。成型的过程中不产生噪音,在同类技术中成型的精度最高,通常应用于精度要求高的珠宝和手机外壳等行业。 

43D打印技术的应用领域 

3D 打印的应用范围之广超乎人们的想象。从理论上说,几乎只要是存在的东西都可以通过3D 打印机复制出来。随着技术的不断成熟,3D 打印技术有望在以下几个行业中得到广泛使用: 

1、传统制造业:3D 打印无论是在成本、速度和精确度上都远胜于传统制造技术,将一些非关键部件用3D 打印的产品替代,在追求效率的同时可以降低成本。 

2、航空制造业:在航空制造业中,有着质轻、强度高、耐高温等特点的钛合金材料被开始大量使用,不过,钛合金昂贵的价格和特殊的材料属性也带来不小的麻烦,而3D打印技术能很好地解决这些问题。 

飞机钛合金用量很大,而钛合金很昂贵,40-50万一吨,用传统工艺生产零件的话,最后零件材料的利用率不到5%,另外这个材料很粘,加工的时间又长又费钱。基于这两条,一个零件的加工成本非常高,一公斤的制件可能就要几万元,所以从这个角度说,3D技术周期短、可以省很多钱。 

不仅如此,采用3D技术制造战斗机零部件,将给战斗机性能带来巨大的帮助。目前,我国已经通过3D打印技术成功制造出一个5平方米钛合金加强框。 

 

  通过3D打印技术制造的钛合金飞机零部件示意图 

3、医疗行业:在外科手术中,3D 打印技术可为需要器官移植的患者量身打造所需器官,无需担心排异反应。3D打印技术甚至可打印出牙齿、骨骼等人体器官。目前,用3D打印技术制造的牙齿已进入市场应用,而骨骼因结构较为复杂,对材料要求高,故而尚在研究中,还没有实现完全的市场化。展望未来,3D打印机在血管、心脏等器官的再造和移植等医学领域的应用值得期待。 

20138月《北京青年报》的一篇报道中,曾对传统补牙和3D打印牙进行了多方面比较:传统补牙耗时约半年,3D打印牙只需3-4小时;传统补牙技术要求高,3D打印牙简单培训就能掌握;传统补牙费用1-2万元人民币,3D打印牙总费用降到5000元左右;但3D打印牙现在还处于动物实验阶段,2-3年后才有望用于人体。 

4、文物保护:博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害,同时复制品也能将艺术或文物的影响带给更多更远的人。 

5、科学研究:美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描,利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型,不但保留了原化石所有的外在特征,同时还做了比例缩减,更适合研究。 

6、产品原型:在产品设计出来之后、实际生产之前,通过3D打印机打印出模型,能够让设计制造部门更好的改良产品,打造出更出色的产品。 

  3D打印机打印出的无人飞机 

7、建筑设计:在建筑设计行业里,工程师和设计师们已经逐渐开始使用3D 打印机打印的建筑模型,这种方法快速、成本低、环保,同时制作精美,完全合乎设计者的要求,同时又能节省大量材料。 

8、配件饰品:3D 打印技术很好地满足了配件饰品消费者个性化多样化的需求。目前已经有一些公司开始为消费者提供个性化3D 打印服务。 

  3D打印出来的特制服装 

9、食品产业:研究人员已经开始尝试打印巧克力,或许在不久的将来,很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机打印出来的。    

NASA为航天员研发的各种太空食品 

10、美容护肤:3D打印技术未来也可能会帮助爱美人士进行整容,说不定未来最有效果的青春痘的治疗方法就是通过3D打印技术来实现呢!不仅青春痘,包括祛斑,美白等领域都有希望使用到3D打印技术!  

53D打印技术的局限性 从飞机零件到假牙,再到步枪和文物仿制,3D打印的每项新应用均引发人们的惊叹,3D打印的概念也随之变得愈发热门和广受追捧,但3D打印并非无所不能的神技,现仍有很多局限性,涉及的一些概念也需要进一步厘清。

3D打印更适合制造快速成型的产品。比如一些精巧的工艺品,如果是手工雕刻,往往要消耗大量时间,而用3D打印的话,几个小时就能搞定。此外,涉及到人工处理,加入精密和不确定性等因素的时候,3D打印技术则很难胜任。比如打印瑞士手表这样的产品就比较难。这不仅涉及到仪器精密的问题,而且人的创造性在里面也起到了关键作用。 

3D打印出来的东西毋庸置疑是逼真的,但任何一个产品都应该具有功能性,而如今由于受材料等因素限制,通过3D打印制造出来的产品在实用性上要打一个问号。一个典型的例子是,美国一个名为分布式防御的组织在YouTube上发布了一段视频,视频中,该组织对一把由3D打印出的下机匣部件(下机匣用于连接枪管、枪柄、弹匣及其他部件,是受美国政府严格管制的枪支部件)组装而成的AR-15半自动步枪进行了实弹测试,但只发射了6颗子弹,步枪就发生了断裂。 

机械化的产品3D打印可以胜任,但涉及到芯片等智能化产品时,3D打印则爱莫能助。 

3D

3D打印在协同制造和实现创意方面较有优势,但无法替代传统的制造方式。3D打印适用于制造难加工的贵重材料,以及用传统制造方法浪费大、甚至根本做不出来的复杂形状。在大批量生产方面,则还须依靠传统制造。 

3D打印工业化还面临精细度和打印速度等一系列难题。 

63D打印技术值得关注的趋势 

按需定制、以相对低廉的成本制造产品——3D打印一度被认为是科幻想象,而现在已经变成现实,而这种趋势将会逐渐加速。下面列出3D打印领域今后值得关注的一些趋势: 

13D打印成为工业化力量:3D打印原先只能用于制造产品原型以及玩具,而现在它将成为工业化力量。你乘坐的飞机将使用3D打印制造的零部件,这些零部件能够让飞机变得更轻、更省油。 

23D打印开始治病救人:目前,3D打印技术在医疗应用方面的研究涉及纳米医学、制药乃至器官打印。通过3D打印制造的医疗植入物将提高你身边一些人的生活质量,因为3D打印产品可以根据确切体型匹配定制,如今这种技术已被应用于制造更好的钛质骨植入物、义肢以及矫正设备。打印制造软组织的实验已在进行当中,很快通过3D打印制造的血管和动脉就有可能应用于手术之中。 

3、定制化成为常态:今后购买的产品将根据自己确切的具体信息进行定制,该产品通过3D打印制造并直接送到你的家门口。通过3D打印技术,创新公司将凭借与竞争对手的标准化产品相同的价格为用户提供定制化体验,以此获得竞争优势。定制化同样也将在医疗器械领域发挥重要作用,比如通过3D打印制造助听器和义肢。 

4、产品创新速度加快:从新车型到更好的家电,一切产品的设计速度都将加快,从而将创新更快地推向消费者。由于运用3D打印的快速原型制造技术能够缩短把产品概念转化为成熟产品设计的时间,设计人员将能够专注于产品的功能。 

5、新公司基于3D打印开发出创新的商业模式:新一代公司将作为发明家、黑客以及制造者大量涌现,利用3D打印技术创造新的产品,并向蓬勃发展的3D打印机市场提供服务。一些公司将走向失败,并有可能出现一个盛衰循环,但3D打印将催生出创造性的新商业模式。 

63D打印店在购物商场开张:3D打印店将开始出现,它们最初会凭借高品质的3D打印技术为本地市场提供服务。一开始是快速原型制造以及其他利基功能,但这些打印店会转移到消费市场。 

7、关于知识产权归属的激烈辩论浮现出来:3D打印机可以很容易地复制拥有版权的产品设计,随着制造商和设计者开始应对这种情况,未来将出现关于产品设计知识产权归属的高调诉讼案例。 

8、具备神奇特性的新产品将让我们意乱情迷:跟现在制造的产品相比,那些只能通过3D打印机制造的新产品将融新材料、纳米尺度以及印刷电子器件于一体,从而展示出堪称神奇的新特性。这些通过3D打印制造的产品将令人喜爱,并具备明显的竞争优势。 

93D打印机为制造工厂提供助力:我们有望在制造工厂里看到3D打印机。目前,一些特殊的零部件已经由3D打印机更经济地生产出来了,但仅仅是在小规模范围内。未来对于3D打印技术,很多制造商将开始尝试原型制造以外的应用。 

103D打印开始广泛应用于电影产业:3D打印也开始在电影工业中取得广泛应用。由于3D打印是一种快速成型技术,对于制作复杂电影道具具有成本低、时间快的优势。目前高仿真的电影道具已经使用3D打印技术来制作面具模型、汽车模型和其他功能性道具。 

113D打印应用于航天产业:为满足未来零件能在空间按需制造的需求,美国航空航天局(NASA)计划向国际空间站发射首个3D微重力打印实验设备。如果成功,在零重力实验环境下的3D打印设备将是首个在空间制造零件的设备。 

目前,所有空间任务都要完全依赖于向空间站输送设备的运载火箭完成。距离地面越远,向空间站发送设备的时间持续越长,为空间站补给物资就越困难。 

不久的将来,3D打印可实现在空间制造整个航天器空间任务所需物资,且能够在空中制造多数他们所需的零件。另外,3D打印设备还可与机器人系统一起工作,为人类登上火星,以及在其他行星制造所需的住所、工具与实验室等,这些建造构件可以利用行星上的资源,如土壤或矿物质来实现;长期执行空间任务的宇航员也可打印和回收他们所需的工具,节省大量资源。 

123D打印将在军事应用领域大展身手:在军事领域,3D打印技术给装备保障带来的变化无疑也是革命性的。在未来信息化战场上,无论武器装备处于任何位置,一旦需要更换损毁的零部件,技术保障人员可随时利用携带的3D打印机,直接把所需的部件一个一个地打印出来,装配起来就可以让武器装备重新投入战场。另外,3D打印还可广泛应用于辅助军事技术研发。有专家预测,未来不仅小型枪支、简单物资可实现打印,军舰、飞机、坦克等大型、复杂的武器装备,甚至食物、军事基地等都可用3D打印机直接或间接制造出来。 

73D打印技术在发展中遇到的一些负面作用和技术瓶颈 

3D打印机带来的变革不仅仅是正面的,还有负面的,不过不必太担心,人类的发展总是伴随着双刃宝剑披荆斩浪冲刺前进的。如果我们抱着全是消极的态度只,那么社会与技术就不会发展,人类一犯愁,上帝会发笑,何必自我烦恼。 

先让我们看看3D打印技术带来的负面作用: 

安全隐患:前不久一个狂人大胆想象用3D打印机去制造枪械,着实让人大大捏了一把冷汗。枪械机件的数码模型是十分容易传播的,也许一个.STL文件带上U盘就能让万能制造机吞吐出极具杀伤性武器,这一点真希望3D打印机不要那么万能啊。 

盗版问题:万能的拷贝和复制功能让靠智慧吃饭的人士再次担忧,从信息共享时代就吃尽苦头的创作人士找了好久才摸索到盈利机制,如今3D来了,新形势下,人们将再次面临新的版权问题,不过也许对于电子钱包的发展是利好的--因为彩色复印机解决不了的防伪问题,3D打印轻而易举就打印实现了。 

资源消耗增加,加重环境问题:环境保护者要特别头痛了,在自由想像与创造欲望的驱动下,随心所欲地涂鸦将带来灾难性的后果,耗材厂商要乐了,而模型设计软件将分出与结构优化与耗材压缩相关的数学模型,尽可能减少材料使用但能强化结构。 

道德与伦理2D平面时代,偷拍、艳照已经足够令人恐慌,如今3D时代来临,人们更应当做好屏蔽与自我保护,偷透扫(透视扫描)、偷拍、平面照片直接转为3D等高科技的民用化将让人们防不胜防--透视扫描用于人体简直就是秒杀。 

怪异变造人或人造人出现:人兽更加难辨、雌雄更加难分。医学上的有益应用,比如医学修复、整形,骨植、义肢等等无疑能帮助人们摆脱疾病与残疾的困扰。但邪恶的想象一定会让人类生出恶魔的翅膀,如果用打印出的零件组合功能模块,结合核心驱动或智能芯片,会不会出现人造人,从而以假乱真,真假难分? 

艺术品收藏3D打印技术让文物制造者有了更好的工具。举例说:油画耗材的出现,只要做油画表面的精细扫描,轻易就能一比一打印出一件艺术品。有人也许从各种角度反驳这一担忧,但这种可能性应该被考虑到,也许在某一个角落,就已经有人调好颜料,打算用电子商场买来的2D喷墨打印机逐层细打实现以上所设想的仿制品。 

下面再看影响和制约3D打印产业快速大规模产业化的技术因素,主要有以下三点: 

一是材料的限制:目前3D打印耗材有限,多为石膏、塑料、可粘结的粉末颗粒、树脂等,制造精度、复杂性、强度等难以达到较高要求,一般只能应用于模型、玩具等产品领域。对于金属材料来说,如果液化打印则难以成型;采用粉末冶金方式,除高温还需高压,这些技术恐怕短期很难成熟。 

二是价格成本的制约:当前3D打印机价格高企,昂贵的设备只能提供有限的价值。即使3D打印机成本能够降下来,但单个商品的制造成本依然得不到解决。使用3D打印机制造商品,其成本要远高于大型企业规模化生产后均摊到每一件商品的成本。而后者批量生产也比3D打印产品的制造速度要快得多。 

三是3D打印技术产品性能缺陷暂时无法弥补3D打印不适合直接制造高精度零件,后期仍需经过人工处理。由于3D打印是材质一层一层堆积成形,每一层都有厚度,这决定了它的精度难以企及传统制造方法。提高制造精度需不断降低每一层的厚度,难度提高的同时,制造时间也大幅延长。即便层和层之间粘结再紧密,其产品性能也无法和传统模具整体浇铸的零件相媲美。 

83D打印技术发展的前景 

3D打印的价值体现在想象力驰骋的各个领域,3D打印正让天马行空的想象转变为脚踏实地的可能,人们利用3D打印为自己所在的领域贴上了个性化的标签,并纷纷展示了如何3D打印马铃薯、巧克力、小镇模型,甚至扩展到用3D打印汽车和飞机。 

科学家们正在利用3D打印机制造诸如皮肤、肌肉和血管片段等简单的活体组织,将来有一天我们很有可能能够制造出像肾脏、肝脏甚至心脏这样的大型人体器官。想得再远一些,如果生物打印机可以使用病人自身的干细胞,那么器官移植后的排异反应将会明显减少。 

不过,尽管3D打印有很多优点,但它是否能完全取代目前的各种加工技术、很快在制造业中唱主角,从而得到量大面广的应用,还有一大段距离。原因很简单,尽管3D打印从出图到出产品的过程堪称闪电般迅速,在制造上可以实现散地生产而无须再集中于一个大工厂中进行,但如果需要很大的产量,3D打印的速度还有待提高,尺度和规模可能也太小,所以即使单件甚至小批量的定制加工十分可行,也不意味着大批量生产就能行得通。3D打印作为一个新概念炒作一段时间,拉动一些投资肯定没问题,但让它马上走进我们的生活,在我们身边每一个消费品中都起到主导作用,肯定还有很大的难度。 

3D打印技术虽然具有广阔的发展前景,但目前还不可能大量地应用于军工制造领域。具体来看,3D打印又可看做堆积成形技术,每一层材料都有厚度,这就决定了目前它的精度还难以企及传统的减材制造方法。并且打印材料也主要限定在塑料、树脂、可粘结的粉末颗粒等等,打印出来物品的强度和硬度都差强人意。 

从技术本身来说,3D打印存在的上述缺陷或许将随着技术的发展一一得到解决,而它衍生的伦理和安全问题,才更加令人担忧。对于恐怖分子和犯罪分子而言,“3D打印枪能射击一次就够了。随着3D打印机的普及,未来如果有人想要一把AK47,先在网上下载模型图纸,然后用3D打印机打印配件进行组装,无需申请生产许可证,无需掌握制枪技术,即可轻松拥有一支突击步枪。而且,由于枪支上没有序列号,也没有销售途径,塑料材质的枪支还能逃过金属监测器的检查,警方将很难追踪到枪支究竟来自哪里。因此,如何建立一套有效的监管机制,保证3D打印技术被用于正途,是我们在加快发展该项技术的同时,必须预先解决的一个重要问题。 

3D打印行业的发展犹如其定义本身,始终凸显着创新突破这一关键特质。今后可能取得突破的领域有: 

创新突破13D打印应用领域扩展延伸 

3D打印的优势在2011年被充分应用于生物医药领域,利用3D打印进行生物组织直接打印的概念日益受到推崇。比较典型的包括Open3DP创新小组宣布3D打印在打印骨骼组织上的应用获得成功,利用3D打印技术制造人类骨骼组织的技术已经成熟;哈佛大学医学院的一个研究小组则成功研制了一款可以实现生物细胞打印的设备;另外,3D打印人体器官的尝试也正在研究中。 

随着3D打印材料的多样化发展以及打印技术的革新,3D打印不仅在传统的制造行业体现出非凡的发展潜力,同时其魅力更延伸至食品制造、服装奢侈品、影视传媒以及教育等多个与人们生活息息相关的领域。 

创新突破23D打印速度、尺寸及技术日新月异 

创新突破3:设计平台革新 

新的制造方法需要新的一系列处理工艺配合,3D打印目前只能算初现一丝曙光,真正达到大规模应用并产生效益,还需要很长的时间发展和积累。 

3D打印技术的出现,是信息革命在攻克传统工业的最后堡垒的终结的冲锋号,因而引发了一系列的科学技术领域研究的新课题,激光粉末冶金,微沉积金相学,微观淬火、锻造,激光冲击强化等一系列机械制造,冶金等领域的课题将会让已经暮气沉沉的传统冶金科学和制造科学领域重新充满发展的动力,在未来的数十年间,谁在这些技术领域获得应用化的实际成果,可能会影响和颠覆现有的制造工业的基本面貌。 

3D打印之所以能引起全球的高度关注和技术热潮,是因为它确实能制造新的工业革命。3D打印能极大的降低制造业建立工厂的基本要求和投资额度,并且能引发新一轮的小型企业兴旺和扩张的潮流,在现有垄断化、大规模超大规模化的工业模式下,3D打印以现代工业缺乏的创新和灵活的生产机制促进大量的有竞争力的小型企业的诞生,未来制造工业进入的瓶颈将会大幅度降低,很多企业将可以重新将制造从现在的专业分工的OEM状态解放出来,现在全球产品近似化、雷同化、科技以换壳为本等现象将会得到终止。中国在3D打印领域目前较为积极,但是这一技术正处于快速进步的时代,更替时间短,每几个月就会发生一次技术换代,逆水行舟,稍微有停顿就会落后,而且在取得一定成绩以后还需要注意市场化,未来3D打印的设备市场广大,耗材方面则更是惊人,可以达到数千亿的水平,可以说掌握了3D就可以统治世界。 

3D打印对物体直接复制成型的特点,使其在单个或小批量模具和复杂零部件的生产中占得优势,然而,传统工艺的成本和速度优势却是3D打印技术无法比拟的。比如,传统工艺只要开好模具,便可以短时间实现量产,而受制于材料等因素,3D打印技术只是理论上可行,现实中却遇到重重阻碍。 

3D打印技术概念已经起伏了好几次,每当应用往前突破一步,产业界、科技界就会兴奋地讨论未来的可能性,但试探一段后,就会发现这样那样的问题,热度也便迅速降下来。 

最近刺激产业憧憬的,是在航空航天和生物医疗领域的应用。北京航空航天大学利用激光烧结技术,做出了飞机钛合金大型复杂整理构件,标志着在3D打印在大型金属构件上取得重大突破。而在生物医疗方面,3D打印虽然受制于材料,但病理模型制作以及组织工程器官培育,已经被看作该技术未来非常有前途的应用。 

3D打印的关键是设备,而关键的关键则是材料。3D打印技术可用的材料品种少、精度差、成本高昂,这些都限制着其产业化和相关研究的推进。在欧美国家,航空航天、医疗、汽车和模具制造四大行业,3D打印技术已有较为成熟的应用。今后,如果技术取得进一步完善,材料品种增多,3D打印产业可能会有一个爆发性的增长。 

不过,3D打印技术是技术革新,还是技术革命,各界仍然有不同的观点。 

公众关心的是能进入家庭的3D打印机,该打印机主要是指桌面级的3D打印机,即爱好者使用的低端设备,这并不代表市场的主流,未来工业级打印是主要市场。与家庭电脑不同,3D打印技术对使用者的设计能力有较高要求,因而对“3D打印进家庭这一概念不应有太高期望。 

而军工和健康医疗的投资较少考虑成本,为3D打印试验提供了可能。即使如此,3D打印技术也只能说是对传统制造方式有改变,是原有方式的补充,还称不上有根本的革新。 

大家熟知,在第一次工业革命中最伟大的发明是蒸汽机,它让机器代替了手工,提高了生产效率,使商品极大丰富,从而让英国率先进入了工业时代,并带来了交通运输业的快速发展,增强了全球与欧洲的联系,最终让西方领先于东方。而目前,没人可以证明,某个工厂能够依靠3D打印技术规模化提高生产力或是完成业务转型。3D打印最多的应用依旧聚焦于工业设计领域。而且对设计师而言,它也不过是个工具。 

幸运的是,今天我们处在一个技术大爆炸的时代,各种流行的技术都可能对人类的未来产生深远影响;不幸的是,今天我们处在一个信息大爆炸的时代,泛滥的信息既影响着我们的直觉,又左右着我们的判断。所以,看似高调的技术,未必能和蒸汽机媲美,而那些默默发展的低调技术,没准恰恰是蒸汽机 

9.什么是4D打印技术? 

4D打印技术,比3D打印技术多了一个“D”的时间纬度,人们可以通过软件设定模型和时间,变形材料会在设定的时间内变形为所需的形状。4D打印本质上其实就是利用复合材料进行的3D打印,通过这种方式你增加了一项功能,那就是变形。 

所谓的4D打印技术,准确地说是一种能够自动变形的材料,只需将该材料放入水中,不需要连接任何复杂的机电设备,就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。4D打印技术,这个非常棒的概念创造出一种能够在被打印出来之后发生改变的物体,而且它们能够进行自我调整。打印不再是创造过程的终结,而仅仅是一条路径。4D打印技术由MIT(美国麻省理工)与Stratasys教育研发部门合作研发的,是一种无需打印机器就能让材料快速成型的革命性新技术。 

下图为在一次4D打印展示会上,3D打印出来的直线形管子放在水中(),自动组装成为一个立方体(),中图显示的是由直线形管子变化成立方体的过程。 

 

形象的讲,4D打印技术 = 3D打印技术 + 时间,即由3D打印技术打印出来的复合材料,随着时间的推移,慢慢发生自我调整,实现自我变形。这种变形是在打印之前就设定好的,关键在于使用了一种智能材料,这种材料在水、热等环境下会发生变形。由这种材料制成的管子可以根据水流量大小来调整自身的大小,此外,这一技术还可以应用到家具、自行车甚至是建筑领域。有科学家认为,这一技术的发明预示着家具自我组装时代的来临。 

4D打印技术牵涉到对特殊材料的应用,这些材料在感知到运动状态,或是暴露于水、空气、重力场、磁场或感知到温度改变时会改变自身的形状。 

4D打印技术的出现,有可能在未来彻底颠覆传统的制造工业,让制造行为在一些严苛的环境条件,如外太空,变得更加容易。 

104D打印和3D打印的不同及其发展前景 

4D打印技术让快速建模有了根本性的转变。与3D打印技术的预先建模、扫描,然后使用物料成形不同,4D打印技术直接将设计内置到物料当中,简化了从设计理念实物的造物过程。让物体如机器般自动创造,不需要连接任何复杂的机电设备。传统而言,造物过程一般是,先模拟后制造,或者一边建物一边调整模拟效果。而通过硬件和软件的紧密结合,4D打印技术颠覆了传统的造物方式。与之前3D打印概念相比,4D打印具备更大的发展前景。 

人们相信,4D打印技术不但能够创造出更有智慧、更有适应能力的新事物,还可以彻底改变传统的工业打印甚至建筑行业,与此前的3D打印技术相比,它将具有更大的发展前景。4D打印技术更为智能,物料可自行创造,简化了打印过程,但对打印材料有了更高要求。 

和较为成熟、已经得到应用的3D打印技术相比,4D打印技术目前还远不成熟,但研发人员坚信这项技术终将带来对生物科学,材料科学,软件,机器人,制造业,运输,基础设施建设,施工,艺术甚至太空探索领域的革命性变化。现阶段,4D打印还仅仅是概念,没有相关企业投产。3D打印曾在股市掀起多次投资风暴,而新提出的4D打印概念则距生产、生活更加遥远,还停留在概念炒作阶段,其发展前景特别值得我们关注。

 

打印技术不会对传统的车间、数字机床产生太大的冲击。3D打印技术在目前来看,最适合用于新产品的开发,而从制造角度来看,它并不是最合适的。现在大多数的3D打印技术精度还达不到传统制造的程度,也很难实现传统制造方式的大批量、低成本制造。
 
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