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3D打印技术:第三次工业革命的核心
2019-06-21 17:06
来源:科技日报
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   D打印技术是一种以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,其被誉为“第三次工业革命”的核心。

  3D打印存在着许多不同的技术,其不同之处在于以可用的材料以及其材料层积的方式。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料、生物细胞等。根据材料层积的方式不同,可将其分为熔融沉积式、激光烧结、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别,便携式的民用熔融沉积3D打印机只需几千元,而能够对生物材料进行打印的设备则需要百万以上的投入。

  不论采用何种方式,3D打印技术的成型过程都可以分为三维设计、切片处理和进行打印三个部分。

  在三维设计中,首先需要通过计算机的三维建模软件建模,也就是说将想要打印的物体在计算机中画出来。接着需要将画好的模型“分区”成逐层的截面,也就是切片,一般采用三角形来模拟模型的表面。

  在切片处理的过程中一般使用专用软件对模型进行编辑,同时对打印的一些参数进行设置,包括每层的厚度以及模型内部的填充率等。通过改变以上参数可以对模型打印的表面强度、尺寸精度、速度以及消耗材料产生一定的影响。

  在打印过程中,打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。

  这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。打印机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)或者微米来计算的。一般的厚度为100微米,即0.1毫米,也有部分打印机可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天,根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时。

  3D打印技术不仅在制造模型和样品方面有着巨大的优势,其在航空航天、军用器材以及医学领域也得到了广泛的应用。

  美国海军曾试验利用3D打印等先进制造技术快速制造舰艇零件,希望借此提升执行任务速度并降低成本。美国宇航局的工程师们则完成了3D打印火箭喷射器的测试,验证了3D打印技术在火箭发动机制造上的可行性。

  中科院重庆绿色智能技术研究院3D打印技术研究中心与中科院空间应用中心,经过两年多的努力,研制成功国内首台空间在轨3D打印机。这台3D打印机可打印最大零部件尺寸达200×130mm,它可以帮助宇航员在失重环境下自制所需的零件,大幅提高空间站实验的灵活性,减少空间站备品备件的种类与数量和运营成本,降低空间站对地面补给的依赖性。

  在医学领域中,已经实现采用3D打印技术打印器官模型辅助医生进行病例分析,使用3D打印的人造骨骼植入人体也有多个成功案例。

  日本的科研团队研发出用3D打印机低价制作可以看清血管等内部结构的肝脏立体模型的方法。这种模型是根据CT等医疗检查获得患者数据用3D打印机制作的。

  北京大学研究团队也曾成功地为一名12岁男孩植入了3D打印脊椎,这种植入物可以跟现有骨骼非常好地结合起来,而且还能缩短病人的康复时间。此外,研究人员还在上面设立了微孔洞,它能帮助骨骼在合金之间生长。

  可以说,随着3D打印技术快速发展,未来必将深刻地影响着人类生产生活的方方面面。

  (作者邓元,系北京航空航天大学材料学院副院长)


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