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admin POSTED ON 2018-8-6 14:53

3D打印技术这35年:从做个模型到制造业的未来丨钛科普

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原标题:3D打印技术这35年:从做个模型到制造业的未来丨钛科普

1983年,美国发明家Chuck Hall发明了世界上第一台3D打印机,采用立体光刻技术,但这一技术由于机器庞大和费用高昂,市场并没有很快接受这个概念。但随着更加便宜的3D打印技术(熔丝制造和选择性激光烧结技术)被研发出来,在90年代有多个3D打印公司被创立,这项技术才有了更多的人力和资源来支持其的发展。

35年前,3D打印只能够打印简单模型,而现在3D打印出来的人工关节,在2012年国内就有患者装上了,而家用的3D打印机在淘宝上也可以随意购买。越来越普及的3D打印技术却一直停留在模型和少数产品的制作阶段,如果要进一步打开市场,3D打印需要进入制造业,给传统的制造方式带来一场方式上的革新。

不同于传统的制造业,3D打印的优势在于:不需要花大量的时间来制造生产磨具,产品从设计到生产周期短,可以造出传统制造业造不出的复杂结构,对于原材料消耗小等。但相对于传统的制造业,3D打印最后成品依旧面对着材料强度物理性能不达标,产品外观不光滑,实际生产时间较长,成本高等缺陷。

今天我们就着3D打印的三个大板块:金属打印,塑料打印,陶瓷玻璃打印, 来分析一下3D打印这项科技目前的发展现状和在制造业前景。

金属打印:点“粉”成“金”

金属打印目前主要以直接金属激光烧结(DMSL)为主,通过用激光融化金属颗粒来成型。在打印的时候激光扫过一层金属粉末,激光高温融化需要融化的粉末,形成2D图像。当这一层金属冷却成型之后,机器铺上另外一层颗粒,重复之前过程,最后形成3D形状。

直接金属激光烧结部件

直接金属激光烧结部件

直接金属激光烧结技术能够打印出来较为复杂的结构,而且随着金属纳米粉末制造技术的成熟,这一技术能实现较好的外观和物理性能。但是由于这一技术的生产时间相对传统的CNN金属切割成型技术过长,而且纳米金属粉末的成本很高,目前还停留在模型制作的阶段。

塑料打印:百花齐放

塑料3D打印从30年前研发出来的熔丝制造(FFF/FDM),已经发展成多种固态,液态粉末态的打印形式了。除了固体状态下的熔丝制造,还有粉末状态下的选择性激光烧结(SLS)液态光定型制造(CLIP)等各种技术

熔丝制造(FFF/FDM)是最常见的3D打印技术,通过融化塑料丝,移动打印头来构造一层2D图像,然后一层一层搭成3D形状。利用这项技术的3D打印机因为占地面积不大,操作方便简单,已经非常普及。同时由于这项技术发展多年,市场上的各种塑料都有为这一技术做熔丝,所以这一项技术在材料方面有很大的选择空间。

熔丝制造多彩的熔丝原材料

熔丝制造多彩的熔丝原材料(图片来源WWW.DELL.COM)

然而,熔丝制造的缺陷在于最后成品并不美观,表面会留下塑料丝融化过的痕迹,需要通过后期加工磨砂抛光才能让表面光滑。 同时该技术由于在打印垂直和横向方向的内部结构和材料密度不一样,产品的物理各向异性特别明显,不适合用于打印要承受较大重量的部件。不过由于这项技术的方便快捷以及材料多的特点,已经在生产支具,做产品模型中被较为广泛的应用。

熔丝制造(图片来源:视觉中国)

熔丝制造(图片来源:视觉中国)

选择性激光烧结(SLS)的技术原理和直接金属激光烧结技术非常相似,主要通过用激光融化塑料颗粒来成型。和金属的激光烧结技术一样,塑料选择性激光烧结也需要大型机器和专业人员来操作。同时相比金属的激光烧结可以达到纳米级别的颗粒,塑料并没有纳米级别的颗粒,这也限制了产品最后表面的光滑性和美观性。

不过这一技术由于不需要额外支撑材料,可以打印出非常复杂的结构。这一技术另一大优点是原材料较为便宜,答应时间较短,有成为大批量生产主力军的潜力。

选择性激光烧结部件 (来源:stratasysdirect.com)

选择性激光烧结部件 (来源:stratasysdirect.com)

液态光定型制造(CLIP)是利用液态的原始材料在光照的驱动下固化成型来制造的。通过投影技术在液态材料与空气的接触面上投影需要打印的2D图像,在固化之后将打印好的图像向上移动,打印下一层。 该技术的优点在于液态材料可以形成光滑的表面,打印出来的成品美观。

液态光定型制造(CLIP)跑鞋 (来源:carbon3d.com)

液态光定型制造(CLIP)跑鞋 (来源:carbon3d.com)

目前拥有这一项技术的公司Carbon3D已经通过这一技术和阿迪达斯联合生产出了一款跑鞋的超轻超弹中底,各位有钱的大佬们有兴趣可以考虑一下。

陶瓷玻璃打印:目前并不成熟

由于陶瓷的高熔点,陶瓷的3D打印技术目前还没有商业化的推广,陶瓷的3D答应也停留在一个基础的熔丝制造阶段。但是,麻省理工大学的的“黑科技制造厂”媒体实验室(Media Lab)已经做出了玻璃3D打印的艺术品灯罩。该项技术熔丝的直径目前还又有有效的减小,打印出来的成品表面还是会非常凹凸。

玻璃3D打印部件 (来源:media.mit.edu)

玻璃3D打印部件 (来源:media.mit.edu)

3D打印技术能替代制造业么,未来还能为我们做什么?

在小范围内,Carbon3D和阿迪达斯的合作已经充分证明了3D打印的好处,它的从设计到出产品时间短,能构造相对复杂的结构。金属3D打印在美观和物理性能方面已经接近传统工业届要求,但生产时间长,价格高。塑料3D打印由于发展之间长,较为成熟,被应用得较为广泛,但是其主要问题还是成品美观不行,物理性能不达标。

陶瓷3D打印技术还处在较为基础的阶段,需要不断的研发。这些成本,技术和性能的问题不解决,在广义程度上3D打印离制造业还有距离。

目前已经有一些人开始试验3D打印的水泥房子,不需要砌砖,不需要人工,只需要一块空地。这项技术目前还处在“隔壁家小强捣鼓出来了“的阶段,没有被较为广泛的推广。不过想想不打地基的房子是不是会有被风吹走的危险呢?

瑞士苏黎世联邦理工研究团队研究出来的3D打印出的人造心脏 (来源:www.ethz.ch)

瑞士苏黎世联邦理工研究团队研究出来的3D打印出的人造心脏 (来源:www.ethz.ch)

实际上已经有多家实验室开始利用3D打印能制造复杂精确结构的优点开始打印器官:瑞士联邦理工大学的一组研究团队就研究出了3D打印的心脏。该心脏只要模拟血流的流动,就可以像正常心脏一样搏动。但是由于塑料还是比不过天生的肌肉,目前这个心脏只能存活45分钟的时间,短暂的昙花一现。可以想象到,未来3D打印将在器官制造上有大作为,也许可以解决器官短缺的问题。(本文首发钛媒体,作者/黄竹皮,编辑/项欧)

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