当前位置: 首页>>读书讲堂>>前沿科技>>正文
3D打印技术
2015-05-04 13:38  

       3D打印(英语:3D printing),属于快速成形技术的一种,它是一种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,通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术(即“积层造形法”)。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。特别是一些高价值应用(比如髋关节或牙齿,或一些飞机零部件)已经有使用这种技术打印而成的零部件,意味着“3D打印”这项技术的普及。

基本介绍

3D打印技术(英语:3D printing),即快速成形技术的一种,它是一种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。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。特别是一些高价值应用(比如髋关节或牙齿,或一些飞机零部件)已经有使用这种技术打印而成的零部件。“3D打印技术”意味着这项技术的普及。

3D打印技术通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长,其价格也正逐年下降。

该技术珠宝,鞋类,工业设计,建筑,工程和施工(AEC),汽车,航空航天牙科医疗产业,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。

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”,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。这一技术如今在多个领域得到应用,人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。

折叠编辑本段历史发展

3D打印技术出现在20世纪90年代中期,实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同,打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为3D立体打印技术

3D打印汽车Urbee3D打印汽车Urbee1986年,Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机

1993年,麻省理工学院获3D印刷技术专利。

1995年,美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机

2005年,市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。

2010年11月,世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。

2011年6月6日,发布了全球第一款3D打印的比基尼。

2011年7月,英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。

3D打印图片3D打印图片2011年8月,南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。

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。[2]

2013年10月,全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品[3]

2013年11月,美国德克萨斯州的3D打印公司“固体概念”(SolidConcepts)设计制造出3D打印金属手枪。[4]

应用发展

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”。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。  

折叠国内发展

在2013年两会上,全国政协委员、中航工业副总工程师、中国航母舰载机歼-15总设计师孙聪透露,歼-15项目率先采用了数字化协同设计理念:三维数字化设计改变了设计流程,提高了试制效率;五级成熟度管理模式,冲破设计和制造的组织壁垒,而这与3D打印技术关系紧密。他透露,钛合金和M100钢的3D打印技术已应用于新机试制过程,主要是主承力部分。

3D打印技术3D打印技术

在传统的战斗机制造流程当中,飞机的3D模型设计好后,需要进行长期的投入来制造水压成型设备,而使用3D打印这种增材制造技术后,零件的成型速度、应用速度得以大幅度提高。如果不是采用3D打印的增材制造技术,歼-15战斗机至今能否首飞都很难讲。“钛合金3D打印技术已用于新机研制”,这一条消息立刻成为媒体瞩目的焦点。《京华时报》引述孙聪的话说,钛合金和M100钢的3D打印技术已广泛用于新机设计试制过程。报道称,于2012年10月至11月首飞成功的机型,广泛使用了3D打印技术制造钛合金主承力部分,包括整个前起落架。“2002年,3D打印技术刚萌芽时,我们就进行相关技术研发,通过与北航的合作,目前已具备一定产业能力。”

同时担任“鹘鹰”飞机(歼-31)总设计师的孙聪透露另一个好消息,希望“鹘鹰”飞机未来和歼-20进行高低任务搭配,保持持续打击能力,同时也希望“鹘鹰”的改进版能成为中国下一代舰载机。相信在3D打印技术的支持下,这一天也会很快到来。

用3D打印技术制造战机,中国并不是第一家。1984年,美国开发出从数字数据打印出3D物体的技术,并在2年后开发出第一台商业3D打印机。之所以叫“打印机”,是因为它借鉴了打印机的喷墨技术,只不过,普通的打印机是在纸上喷一层墨粉,形成二维(2D)文字或图形,而3D打印则能“打”出三维的立体实物来。以一个手电筒为例,3D打印机能通过电脑将手电筒进行立体扫描,创建三维设计图,之后对这个立体原型进行“切片”,分成一层一层的,之后,打印机就将原材料按照设计图一层一层地“喷”上去,直到最终造出一个手电筒来,只不过3D打印机喷出的不是墨粉,而是融化的树脂、金属或者陶瓷等材料。

美国空军一下子就被这种新技术吸引,他们认为,如果将这种技术用在武器制造上,产生的威力将是惊人的。在航空工业上广泛被使用的一种金属是钛,它的密度只有钢铁的一半,强度却远胜于绝大多数合金,如果通过激光将钛熔化并一层层喷出飞机来,无疑将大大提高美国战机的制造速度。为此,1985年,在五角大楼主导下,美国秘密开始了钛合金激光成形技术研究,1992年这项技术才公之于众。(右图为美国F-22战机的钛合金整体式承力框,它曾经是世界上最大的一体式钛合金构件)

3D打印技术3D打印技术不过,由于在制造过程中钛合金变形、断裂的技术难题无法解决,美国始终无法生产高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。2005年,美国从事钛合金激光成型制造业务的商业公司Aeromet由于始终无法生产出性能满足主承力要求的大尺寸复杂钛合金构件,没能实现有价值的市场应用而倒闭。美国的其他国家实验室也无法攻克这一难题,只能进行小尺寸钛合金部件的打印或进行钛合金零件表面修复。

我国于1999年开始金属零件的激光快速成形技术研究,在国家“863”、“973”计划、国家自然科学基金重点项目等的大力支持下,集中开展了镍基高温合金及多种钛合金的成形研究,形成了多套具有工业化示范水平的激光快速成形系统和装备;掌握了金属零件激光快速成形的关键工艺及组织性能控制方法,所成形的TC4、TA15、TA12等钛合金及Inconel718合金的力学性能均达到或超过锻件的水平,为该技术在上述材料零件的直接制造方面奠定了基础;我国在飞机钛合金大型整体结构件的激光快速成形方面取得了重要突破,有效解决了激光快速成形钛合金大型整体结构件的变形开裂及内部质量控制两大技术难题,通过对钛合金零件凝固组织的有效控制,所成形的飞机钛合金结构件的综合力学性能达到或超过钛合金模锻件,已通过装机评审并得到应用。

中国的钛合金激光成形技术起步较晚,直到1995年美国解密其研发计划3年后才开始投入研究。早期基本属于跟随美国的学习阶段,不过却后来居上,其中,中航激光技术团队取得的成就最为显著。“观察者网”文章表示,早在2000年前后,中航激光技术团队就已开始投入“3D激光焊接快速成型技术”研发,解决了多项世界技术难题、生产出结构复杂、尺寸达到4米量级、性能满足主承力结构要求的产品。(下图为F-35的钛合金整体框)

如今,中国已具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力,成为当今世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造、应用的国家。在解决了材料变形和缺陷控制的难题后,中国生产的钛合金结构部件迅速成为中国航空力量的一项独特优势,中国先进战机上的钛合金构件所占比例已超过20%。

对于刚接触3d打印的朋友提供点帮助!

3D打印或将整合物流供应链

3D打印技术虽然在部份国家或地区非常火爆,但是它距离大规模步入桌面端还有很大距离,主要原因还是价格因素的影响,制约着它的普及进程。

3D打印的魅力是非常大的,它吸引着我们把目光及注意力不断投入它的身上。但是与它给我们的吸引力相反的是,3D打印机距离普及还有非常长的路要走。制约3D打印普及的原因很简单,主要是价格太贵,不适合桌面端推广,即使它非常热门。

业内人士表示,小型桌面3D打印机已经变得很便宜了,售价大概为1.8万元。不过便宜也是相对而言,对桌面设备来说,1.8万对于普通大众阶层还是过于偏高,并且的它的成品率也并不能保证是百分之百的成功,有一定良品率限制,打印材料不光种类少,价格也相对较贵。此外,3D打印机打印速度是还是相对比较慢,和成熟的工业流水线生产相比,不具优势。

同时,专家认为,3D打印创造了很多新的机会。小批量制造和个性化产品制造已经成为生意。而且,互联网与3D打印跨界组合将产生更多创新和创业机会。展望未来,3D打印将让制造业供应链链条缩短,使得设计、打印、物流更好的整合。

折叠应用领域

折叠海军舰艇

2015年4月15日,在马里兰州举行的美国海军联盟之海洋-天空-太空(Navy League’s Sea-Air-Space)展览暨会议上。美国海军官员谈到了3D打印在海军的应用潜力,并谈到了正在由美国海军航空系统司令部(NAVAIR)开发的飞行关键部件。

2015年9月8日消息,据国外媒体报道,根据英国政府前国防研究实验室的报告,英国皇家海军将在15年内推出表面无人小型3D打印战舰。该战舰长15米,由金属和塑料粉末构成。该战舰还可在使用过程中在海上实时进行3D打印。[6]

折叠医学领域

2015年9月11日,3D打印技术在医学界再次获得重大突破,西班牙成功施行首例3D打印钛合金胸肋骨植入手术。目前患者已出院并恢复得很好。[7]

折叠3D打印头盖骨

2014年8月28日,西安市周至县的胡伟(化名)在盖房时不幸被电弧击中头部,由3层楼房高空处坠落,被送到医院紧急手术后虽然保住了性命,但还是导致半个“脑 盖”缺失,严重毁容。第四军医大学西京医院应用3D打印技术辅助,成功为他实施手术,使其成功恢复外观。[8]

折叠技术突破

3D打印离我们还远吗?近年来,随着产业升温,3D打印在全球掀起一股新浪潮。而与此同时,3D打印技术在各领域也实现了新突破:[5]

1、美国食品和药物管理局首次批准3D打印药物

2、澳洲科学家3D打印脑组织研究获重大突破

3、英国科学家研发3D打印高效石墨烯电池

4、澳大利亚推出3D打印的太阳能电池

5、中国金属直接烧结成型3D打印技术获突破

关闭窗口
   
 
 
 首页 | 本馆概况 | 入馆指南 | 读者服务 | 资源检索 | 参考咨询 | 读书讲堂 | 相关下载 

版权所有:图书馆