您当前的位置: 首页 > 时尚

一场改变消费与制造的变革3D打印机将全面

2019-03-09 22:41:22

一场改变消费与制造的变革:3D打印机将全面革新现实! 本文主要介绍了3D技术的原理,从诞生至今的发展历程,对可能的行业带来的影响以及未来进入普通大众人群中需要面对的挑战等。

近年来,随着曝光度的不断提升,相信很多人已经对“3D打印”这个词不再陌生了。3D打印给我们带来了美好的憧憬,似乎它就是创造神奇未来的神器了。

虽然听说过,但是大部分人对3D打印技术的了解应该也仅仅限于听说过而已,下面我就给大家较为详细的介绍一下3D打印技术,从原理到产品,从过去到未来。让我们一起看看,3D打印到底是怎么一回事。

其实,3D打印技术的原理是非常简单的,它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打印机相对于其他的添加剂制造技术而言,具有速度快,价格便宜,高易用性等优点。

说白了,3D打印机就是采用采用分层加工、迭加成形,即通过逐层增加材料来生成3D实体的,与传统的去除材料加工技术是完全不同的。也就是说,3D打印是断层扫描的逆过程,断层扫描是把某个东西“切“成无数叠加的片,3D打印就是一片一片的打印,然后叠加到一起,成为一个立体物体。

一般来说,3D打印机的工作过程是这样的。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。

很多人可能以为3D打印机是近两年才出现的一个新鲜玩意儿,的确,直到近两年3D打印机才开始逐渐走向大众的视野。但是很多人不知道的是从世界上台3D打印机诞生起至今已有将近30年时间了!

1986 年,Charles Hull 离开了原来为之工作的 Ultra Violet Products,开始成立一家名为 3D Systems 的公司,开始专注于研发3D 打印技术,这是世界上家生产3D打印设备的公司,它所采用的技术被称为“立体光刻技术(Stereolithography)”,其利用紫外线照射可将树脂凝固成形,以此来制造物体。到 1988 年,3D Systems 开始生产台3D打印机 SLA-250,体型还是比较大的。

自此之后3D打印技术开始不断发展进步,涌现出了越来越多的不同的3D打印技术。

1988 年,Scott Crump 发明了另外一种3D打印技术Fused Deposition Modeling,并成立公司Stratasys。这个技术的特点是它能利用腊、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体,具备性能优良的特点;

1989 年,C.R. Dechard发明Selective Laser Sintering,利用高强度激光将材料粉末烤结,直至成型。这种技术的特点在于选材范围广泛,比如尼龙、腊、ABS、金属和陶瓷粉末等都可以作为原材料;

1992 年,Helisys发明Laminated Object Manufacturing,利用薄片材料、激光、热熔胶来制作物体。然而该3D打印技术的原材料一直仅限于纸,性能低下;

1993 年,麻省理工大学教授Emanual Sachs发明Three-Dimensional Printing技术(非泛指的 3D打印技术),利用金属、陶瓷等粉末,通过粘接剂黏在一起成型。这种技术的优点在于制作速度快,价格低廉,但成品的强度较低。1995 年,Z Corporation获得麻省理工大学的许可,利用该技术来生产3D打印机。

1996 年,3D Systems、Stratasys、Z Corporation 分别推出 Actua 2100、Genisys、Z402,次使用了“3D 打印机”的称谓。

2005 年,Z Croporation 发布Spectrum Z510,这是世界上台高精度彩色3D打印机。同一年,英国巴恩大学的Adrian Bowyer发起开源3D打印机项目RepRap,其目标是制造出“自我复制机”,通过 3D 打印机本身,能够制造出另一台3D打印机。

2008 年,版RepRap发布,代号“Darwin”,能够打印自身50% 的元件,体积仅一个箱子大小。

随着3D打印技术的不断成熟发展,技术种类越来越多,对3D打印技术重要的打印原材料也不断的丰富了起来。从树脂到塑料到陶瓷再到金属。而近有消息称,3D打印的原材料已经可以扩展到金、银以及强度极高的钛,还有不锈钢等材料了。可选原材料的不断丰富极大地推动了3D技术的成熟,为其进一步的大规模市场应用奠定了基础。

3D打印技术是如此的神奇和令人向往,以至于许多人认为它将是人类第三次工业革命的中坚力量。那么我们就来看看3D打印技术颠覆哪些领域!

制造业:

要说到3D打印技术影响的领域,当属制造业。在现如今的条件下如果你想自己设计制造一件产品(哪怕是一把简单的锤头),那你可以得找个工厂,让它按照你的设计为你生产,而你需要至少几万元的费用,而且人家还不一定愿意干。因为制造工厂首先要生产一个模具制造出各种零部件,把这些部件装配起来。仅做一件产品,成本将无比高昂。当然,由于规模经济,如果你生产成千上万件的产品,每件产品的成本将大大降低。

但是如果有了3D打印机,这都将不再是问题。规模经济效应将无足轻重,无论是生产一件产品还是生产机器能容纳的量的产品,开动机器的成本都是一样的。你可以个性化生产属于自己的产品。

在太空中如果丢失了一个工具那将是很麻烦的一件事,NASA也对此很头痛,因为运送成本、时间等都将非常高,而3D打印机将带来福音。下面的视频中展示了使用3D打印机制造一个扳手的过程。

医疗器械领域:

据国外媒体报道,在不久的将来外科医生们或许就将可以在手术中现场利用打印设备打印出各种尺寸的骨骼用于临床使用。这种神奇的3D打印机现在已经被制造出来了,而用于替代真实人体骨骼的打印材料则正在紧锣密鼓地测试之中。

在实验室测试中,这种骨骼替代打印材料已经被证明可以支持人体骨骼细胞在其中生长,并且其有效性也已经在老鼠和兔子身上得到了验证。未来数年内,打印出的质量更好的骨骼替代品或将帮助外科手术医师进行骨骼损伤的修复,用于牙医诊所,甚至帮助骨质疏松症患者恢复健康。

在未来如果医生有一位病人的病变骨骼部位CT扫描图像,科学家就能将其转为CAD图纸并根据病人的病变情况制作相应的代替骨骼。

利用3D打印机制造人体器官早已并非天方夜谭,例如几天前我们刚刚报道的3D打印机为小女孩艾玛提供坚强臂膀的消息就是其中一个很好的例子。不只是在国外,虽然国内的3D打印技术还不如国外的成熟发达,但也有在医疗领域的样哟先例。例如据我所了解在上海不少医院就有已经开始利用3D打印辅助做手术,上海交通大学医学院附属第九人民医院的医生们已经开始利用3D打印机制造耳朵以帮助“先天性小耳畸形症”病人过上正常人的生活。

下面这段视频是美国维克·弗里斯特再生医学研究所(Wake ForestInstitutefor Regenerative Medicine)所长、外科医生安东尼·阿塔拉(Anthony Atala)在TED的演讲,在演讲中他甚至当众捧出了一个3D打印而成的肾脏,震撼全场!

怎么样,3D打印技术很神奇吧!它离我们并不远。

航空航天领域:

据Forbes报道,欧洲飞机制造公司Airbus的设计师透露其3D打印飞机打造计划,预计2050前达成。此计划将使用机库般大小的3D打印机,制造飞机零件,Airbus的员工Bastian Schafer如此描述他的构想:此架飞机80米长,曲面机身由透明材质制成,乘客就感觉彷佛翱翔在云端中。

一场改变消费与制造的变革3D打印机将全面

看看这段视频中展示的飞机吧,据说这就是要使用3D打印机生产出来的。

虽然这么宏大的工程距离真正实现还有一段时间,但是一些基础工程已经可以实现了。现在许多的简单工业零部件乃至战斗机上的高科技含量零件已经可以利用3D打印技术定制了。

体育行业:

很多人可能会很疑惑,3D打印技术跟体育行业有毛关系啊,难道能打印出更强壮的运动员?这倒不是,但3D打印机可以为运动员提供更加优质的装备。

刚刚结束的伦敦奥运会上演了百米飞人大战,终“闪电”博尔特以9秒63的成绩,打破了奥运会纪录,距离他自己创造的9秒58的世界纪录只有百分之五秒。我们知道在这种短跑中,0.1秒的成绩也将是一道巨大的鸿沟。因此各国运动员都采用各种高科技装备已尽可能保证自己的潜力得到激发。

对跑步来说,合适的战靴至关重要,博尔特、刘翔等明星都有Nike、Adidas等企业自己打造的专属战靴。而有了3D打印机以后,我们将能制造更合脚的鞋子,下面这段视频展示的就是利用3D打印机生产的鞋子。

据官方说这种跑鞋能提高运动员整体效能3.5%,而0.7%的提升就能显著提升运动员的成绩。以100米世界纪录9秒58计算,理论上能提高成绩0.3秒以上。这0.3秒将是质的提升,要知道人类100米短跑速度100年才提高了2秒而已。

以后3D打印技术成熟以后,我们也能在家生产适合自己、个性的鞋子了。

以上列举的这些行业仅仅是个开始而已,也是我们基于3D打印技术目前的发展状况作出的判断。但我相信未来由3D打印技术的发展带来的行业变革绝不仅限于此,未来如何,人类永远无法预测,我们只能边走边看。

3D打印技术很美很神奇,但要真的走入社会大众之中,成为主流的生产制造技术,至少还要面临下面的这些考验:

首先,个挑战也是的挑战在于3D打印材料的可用性。Shapeways表示他们正在努力为用户提供更多的3D打印材质,如蜡,钛、金等高端金属,可以的话,甚至是木材也在考虑范围之列。另外,Xerox PARC的研究人员正在致力于可打印电子产品的研究,如随机存储器,传感器以及晶体管等,这就意味着消费者可以根据的自己设计来打印或者MP3播放器之类的电子产品。虽然目前的可用原料还不多,但正如我们之前说过的,从树脂到塑料到陶瓷再到金属,乃至的金、银以及强度极高的钛和不锈钢等材料,3D打印正在扩展,正在逐步打印出整个世界。

第二个挑战在于价格。在某些情况下,3D打印产品终耗费的成本和零售店产品的价格差不多,3D打印不具备规模经济的优势,价格方面的优势尚不明显。所以对于大多数产品来说,不管你是打印1件还是100件,价格都相差无几。但是我们已经看到了趋势,相信成本的问题慢慢会得到解决。

其中一个信号是3D打印机的价格正在下降。1999 年 3D Systems 的 SLA 7000 要价 80 万美元,而公司今年年初推出的 Cube 要价仅 1299 美元。近创立的 Soldoodle 所生产的 3D 打印机仅 499 美元(Basic 版)。而在 Kickstarter 上,出现了售价仅为 300 美元的 3D 打印机 Makibox。也许3D打印时代会来的比我们想象的快!

第三个挑战在于知识产权的保护。3D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,单靠创意也是很危险的,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。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。现如今看似与此无关的实体物品一旦被数字化,就极有可能像当初的音乐领域一样面临盗版的威胁。

当然这也不是无法解决的,在未来人们可能会创造出更多的手段来保护原创者的支持产权,这不会阻挡科技前进的脚部。

第四个可能的挑战可能就是生产技能了。3D打印技术需要依靠数字模型来进行生产,但是对普通用户来说学会使用CAD工具还是有一定难度的。但随着社会发展,越来越多的学生开始学习这方面的技能,未来许多人都将能掌握一定的技术。而且企业也会提供一些简单的产品使用户不必学会3D设计技能就能制作模型,就像傻瓜相机的发展一样。

3D打印离我们已经不远了,它正在慢慢地走入我们的现实生活之中,也许要不了多久你就可以在家里打印专属于你的产品了。还是那句话,希望科技的发展能给人类带来更多的便利更多的福音。

推荐阅读
图文聚焦