D打印技術是一種以數字模型文件為基礎,運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層打印的方式來構造物體的技術,其被譽為“第三次工業革命”的核心。
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3D打印技術:第三次工業革命的核心
2019-06-21 17:06
來源:科技日報
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   D打印技術是一種以數字模型文件為基礎,運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層打印的方式來構造物體的技術,其被譽為“第三次工業革命”的核心。

  3D打印存在著許多不同的技術,其不同之處在于以可用的材料以及其材料層積的方式。3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料、生物細胞等。根據材料層積的方式不同,可將其分為熔融沉積式、激光燒結、光聚合等不同的形式。而不同的成型方式所需的成本也有很大的差別,便攜式的民用熔融沉積3D打印機只需幾千元,而能夠對生物材料進行打印的設備則需要百萬以上的投入。

  不論采用何種方式,3D打印技術的成型過程都可以分為三維設計、切片處理和進行打印三個部分。

  在三維設計中,首先需要通過計算機的三維建模軟件建模,也就是說將想要打印的物體在計算機中畫出來。接著需要將畫好的模型“分區”成逐層的截面,也就是切片,一般采用三角形來模擬模型的表面。

  在切片處理的過程中一般使用專用軟件對模型進行編輯,同時對打印的一些參數進行設置,包括每層的厚度以及模型內部的填充率等。通過改變以上參數可以對模型打印的表面強度、尺寸精度、速度以及消耗材料產生一定的影響。

  在打印過程中,打印機通過讀取文件中的橫截面信息,用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來,再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。

  這種技術的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。打印機打印的截面的厚度以及平面方向的分辨率是以dpi(像素/英寸)或者微米來計算的。一般的厚度為100微米,即0.1毫米,也有部分打印機可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機相近的分辨率。用傳統方法制造出一個模型通常需要數小時到數天,根據模型的尺寸以及復雜程度而定。而用三維打印的技術則可以將時間縮短為數個小時。

  3D打印技術不僅在制造模型和樣品方面有著巨大的優勢,其在航空航天、軍用器材以及醫學領域也得到了廣泛的應用。

  美國海軍曾試驗利用3D打印等先進制造技術快速制造艦艇零件,希望借此提升執行任務速度并降低成本。美國宇航局的工程師們則完成了3D打印火箭噴射器的測試,驗證了3D打印技術在火箭發動機制造上的可行性。

  中科院重慶綠色智能技術研究院3D打印技術研究中心與中科院空間應用中心,經過兩年多的努力,研制成功國內首臺空間在軌3D打印機。這臺3D打印機可打印最大零部件尺寸達200×130mm,它可以幫助宇航員在失重環境下自制所需的零件,大幅提高空間站實驗的靈活性,減少空間站備品備件的種類與數量和運營成本,降低空間站對地面補給的依賴性。

  在醫學領域中,已經實現采用3D打印技術打印器官模型輔助醫生進行病例分析,使用3D打印的人造骨骼植入人體也有多個成功案例。

  日本的科研團隊研發出用3D打印機低價制作可以看清血管等內部結構的肝臟立體模型的方法。這種模型是根據CT等醫療檢查獲得患者數據用3D打印機制作的。

  北京大學研究團隊也曾成功地為一名12歲男孩植入了3D打印脊椎,這種植入物可以跟現有骨骼非常好地結合起來,而且還能縮短病人的康復時間。此外,研究人員還在上面設立了微孔洞,它能幫助骨骼在合金之間生長。

  可以說,隨著3D打印技術快速發展,未來必將深刻地影響著人類生產生活的方方面面。

  (作者鄧元,系北京航空航天大學材料學院副院長)


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