设为首页 | 加入收藏

24小时服务热线:139-3393-8816

tel:010-57102522

蓄势待发的3D打印机及其发展

2016-09-11 23:46:00编辑:沐彤包装

3D打印机作为3D领域的一种前瞻性产品,目前成为一种潮流正迅猛发展。3D打印机被称之为改变未来世界新的创造性科技,不仅改变了许多工厂的生产方式,给制造业带来一场革命,还将进入到我们的家庭,给工业生产和我们的生活带来巨大的革命性改变。3D打印机特点优势3D打印机(3DPrinters)又叫三维立体打印机,就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备,功能上与激光成型技术一样,采用分层加工、叠加成形,即通过逐层增加材料来生成3D实体,与传统的去除材料加工技术完全不同,之所以称之为“打印机”是参照了其技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。3D打印机是一种用于快速原型和模具制造的强大工具,相对于其他的添加剂制造技术而言,无须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,能够在各个零部件的构造复杂性和重量轻型化两者之间找到最佳平衡点。3D打印机具有打印精度高、速度快、价格便宜、高易用性等特点,极大地缩短了产品研制周期,降低了生产成本,提高了生产效率。3D打印机工作原理3D打印是添加剂制造技术的一种形式,在添加剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D打印是断层扫描的逆过程,断层扫描是把某个东西“切割”成无数叠加的片,3D打印就是一片一片地打印,然后叠加到一起,成为一个立体物体。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。3D生物打印机有两个打印头,一个打印头最多可放置8万个人体细胞,被称为“生物墨”,另一个可打印“生物纸”,生物纸主要成分是水的凝胶,可用作细胞生长的支架。“生物墨”细胞和“生物纸”凝胶交替打印,直至打印完成新器官。3D打印机可以用各种原料打印三维模型,同时使用3D辅助设计软件。根据3D打印机的原理,只要电脑能设计出产品,或是对原来的物体进行360°的扫描,无论设计的是一所房子还是人工心脏瓣膜,打印机都能够根据图纸把它制作出来。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,腔体、沟槽等形态特征位置准确。不同的打印机厂商所提供的打印材质不同,打印的原料可以是有机或者无机的的材料,例如橡胶、塑料、人体器官。3D打印机的应用及技术发展3D打印机广泛的应用领域3D打印技术作为一种高科技技术,综合应用了CAD/CAM技术、激光技术、光化学以及材料科学等诸多方面的技术和知识,让产品设计、建筑设计、工业设计、医疗用品设计等领域的设计者,快捷方便地获得全彩色实物模型,便于重新修定CAD设计模型,节省了为错误设计制造工艺装备的费用和研制时间。3D打印的应用领域越来越广泛,目前主要应用于工业、医疗、建筑、航天、机械制造等行业的模型制作,包括精密的医疗器械和工艺品等。在工业生产领域,3D打印机可以为金属铸件直接打印模型、模型插件和图案。在医疗领域,3D生物打印机可以使用来自患者自己身体的细胞,利用一层层的生物构造块,制造真正的活体组织,可打印出皮肤、骨骼和软骨组织等。在建筑领域,3D打印机能够为曲面异形建筑的重要精密构件快速制作精确模型,实现传统建筑模型制作无法达到的工艺水平,甚至可以“打印”出一幢完整的建筑。在地理空间领域,3D打印机可以轻松将GIS数据转化为三维地形及城市景观模型或沙盘。在教育领域,3D打印机能够将抽象概念带入现实世界,将学生的构思转变为他们可以捧在手中的真实立体彩色模型,令教学更为生动。在娱乐艺术领域,3D打印机可根据电子游戏、三维动画以及其他创作产生的三维数据轻松制作自定义头像和雕像。3D打印机的最新技术发展3D打印技术经过十多年的探索与发展,目前能够实现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。当然受到喷墨打印原理的限制,打印速度势必不会很快,目前较先进的产品可以实现每小时25毫米高度的垂直速率,相比早期产品有10倍提升,而且可以利用有色胶水实现彩色打印,色彩深度高达24位。2010年2月,Invetech公司和Organovo医学公司合作,研制出了首台商业化的3D生物打印机,对提取的活体进行组合排列,打印出所需要的细胞,误差可以控制在20微米之内,能够打印人体的组织和器官,包括动脉和静脉血管以及小到牙齿、大到血管网在内的身体器官。2010年5月,意大利发明家恩里科丒迪尼成功研制出一种叫做“D外形”的大型三维打印机,能够打印出整个立体建筑体。“D外形”三维打印机的底部有数百个喷嘴,可喷洒出沙子和镁质黏合物薄层。打印机喷头打印出的每个薄层仅有5~10毫米厚,通过一层层地将黏合物和沙子结合,可逐渐铸成石质固体,最终形成与岩石一样坚固的石质建筑物,已建造出内曲线、分割体、导管和中空柱等各种建筑结构,且打印建筑物的速度是普通建筑方法的4倍,几乎不会产生废弃物,十分环保。2010年9月,美国科学家发明了一种可打印出塑料立体物品的3D打印机,美国医疗行业生产模型公司用3D打印机“打印”出拥有完美功能的假肢。2010年11月,美国与加拿大两家公司研制成功全球首辆利用3D打印技术制造的Urbee双座汽车。Urbee用电池和汽油作为混合动力,每加仑汽油能够在高速公路上行驶320公里。2010年12月,美国康奈尔大学科研人员研制出3D食物打印机,只要把“食物墨水”预先放进一组注射器内,再下载食谱软件“FabApp”,机器便会根据电子设计图,结合计算机辅助设计(CAD)软件,令各种“墨水”按照指令准确落墨,逐行逐层“打印”出立体食物。2011年1月,美国公司开发出“Thing-O-Matic”3D塑料打印机,能在几分钟内用塑料打造出结构简单的塑料物品。如浴缸塞、塑料瓶、镜框、支架垫、螺帽等,以及任何几何形状物体。2011年1月,麻省理工学院媒体实验室的研究人员使用了一台Objet公司生产的Connex500成功“打印”出了一只长笛。2011年6月,时装设计师玛丽黄与3D模型专家詹娜费瑟利用Rhino3DCAD设计软件创造出3D打印泳衣的蓝图,然后通过3D打印机打印出比基尼泳衣,最薄处仅为0.7毫米。由于采用了尼龙12材料,质地非常柔软而且不易破裂。2011年6月,英国伦敦皇家艺术学院产品设计专业学生设计出“太阳能烧结”3D打印机,能在全自动的情况下将阳光和沙子转化成玻璃制品。它运用了烧结技术,先是将一些沙子加热至熔点,然后再将它们冷却并凝结成固体(即变成玻璃)。此外,这台3D打印机还能自动移动到合适的位置,以获取最多的太阳光射线融化。2011年7月,英国埃克塞特大学的研究人员开发出世界第一款使用液态巧克力作为“油墨”的“3D巧克力打印机”。可以打印出既有实用功效又不乏食用价值的巧克力日用品和服装。2011年7月,美国明尼苏达州厂商开发出StratasysFortus250mc3D打印机。它使用ABSplus塑料进行3D打印,可注入多种颜色的塑料,支持0.007英寸、0.01英寸和0.013英寸3种厚度的单层材料输出,可以打印出形状较为准确的模具、工艺品。2011年8月,英国南安普敦大学的工程师设计并放飞了世界上第一架“打印”出来的飞机“SULSA”,这是一种无人驾驶飞机,整个结构均采用这种“打印”方式,包括机翼、整体控制面和舱门。“SULSA”使用EOSEOSINTP730尼龙激光烧结机打印,通过层层打印的方式,整架飞机可在几分钟内完成组装并且无须任何工具。这款电动飞机翼展2米,最高时速接近160公里。目前的全球3D打印机行业,美国ZCorporation和Stratasys两家公司的产品占有绝大多数市场份额。美国Stratasys公司率先推出了基于FDM技术的快速成型机,并很快发布了基于FDM的Dimension系列3D打印机。FDM技术有其得天独厚的优势,适合汽车、家电、电动工具、机械加工、精密铸造及工艺品制作等领域。3D打印在中国自20世纪90年代,我国国内有多所高校自主研发RP技术,但是没有一款达到国际水平的3D打印机成功推向市场。清华大学主要研究RP方面的现代成型学理论、SSM分层实体制造、FDM工艺,并开展了基于SL工艺金属模具的研究;华中科技大学研究LOM(分层实体制造)工艺,推出了HRP系列成型机和成型材料;西安交通大学开发出LPS和CPS系列的光固化成型系统及相应树脂,CPS系统采用紫外灯为光源,成型精度0.2mm。我国港台地区的很多高校、企业都有自己的3D打印设备,RP技术应用更为广泛,但并非自主研发。3D打印机面临的问题与挑战综上所述,我们可以发现,3D打印机的发展和普及仍面临许多困难和挑战,成本、材料多样性、打印精度、速度和效率、技术研究、知识产权保护等方面都有待完善。第一,成本方面。3D打印机造价十分昂贵,这给其进入家庭带来了困难。已有一些小规模的3D打印机制造商推出较低价的3D打印机,一些爱好者参与改良3D打印机,共同促成低价3D打印机的诞生和普及。第二,材料多样性方面。3D打印机的成型材料多采用化学聚合物,材料的安全性是一个很重要的参考因素。开发更为多样的3D打印材料,如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及其他方法难以制作的复合材料等,金属材料、直接金属成型技术将会成为今后研究与应用的又一个热点。第三,精度、速度和效率方面。改善3D打印系统的可靠性、生产效率和制作大件能力,提高3D打印的速度和效率。开拓并行、多材料制造的工艺方法,提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能,以便能够直接面向产品制造,许多新的成型方法与工艺会应用于3D打印机。第四,技术研究方面。如3D生物打印机的困难并不是制造器官本身,而是复制器官内部错综复杂的血管网络,这些血管起到了滋养器官、为器官提供氧气的作用。有专家设想打印出一个器官最大的连接性血管,然后给那些大血管细胞留出充足的时间、空间和理想环境自造剩余血管,最终器官便可以被植入体内,用病患自己的细胞打印出功能齐全的肝、肾或者心脏。世界各地医药、生物、化学、工程等领域的专家们正致力于研究这些难题。第五,知识产权保护方面。3D打印机让资本和工作重组,产品更容易被复制和扩散,外型专利也许会变得难于保护,盗版几率可能大增。如果对3D打印工艺收紧,有可能阻碍创新;如果放松现行监管法律,则是在鼓励盗版。为此,法律界人士正在急切地寻找可行的对策。3D打印机已经向我们走来,随着3D打印技术的不断发展,3D打印机将成为市场的主流,有可能颠覆其涉及的许多领域,政府、监管者、企业经营者、消费者都应该对它的应用认真思考。未来,3D打印机服务将会与发送电子邮件、即时短信通讯一样普及;制造业将彻底摆脱集中式管理模式,大规模定制化将超越传统的规模化生产方式;3D打印机会在未来像电脑、照相机、微波炉一样进入千家万户,为我们的生活增添无穷乐趣。
用户评论