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你真的了解3D打印嗎?

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你真的了解3D打印嗎?

發布日期:2019-09-11 作者: 點擊:

3D打印突然大熱,令我們以為它是橫空出世的新技術。其實,任何新奇技術都不是一蹴而就的。3D打印從正式出現到現在較為廣泛的應用,已經有將近30年的曆史了。


3D打印的發展史

3D打印技術的核心製造思想最早起源於19世紀末的美國,到20世紀80年代後期3D打印技術發展成熟並被廣泛應用。1892年,美國登記了一項采用層合方法製作三維地圖模型的專利技術。1860年,法國人Fran?ois Willème申請到了多照相機實體雕塑(Photosculpture)的專利。1979年,日本東京大學生產技術研究所的中川威雄教授發明了疊層模型造型法。1980年,日本人小玉秀男又提出了光造型法。雖然日本人研究出3D打印的一些方法,但是此後20多年的時間裏,把這些科學方法轉化為實際用途的都是美國人。


最早從事商業性3D打印製造技術的是美國發明家查爾斯·赫爾。1986 年,查爾斯離開了原來為之工作的紫外光產品公司,成立一家名為“3D係統”的公司,開始專注發展 3D 打印技術。這是世界上第一家生產 3D 打印設備的公司,而它所采用的技術當時被稱為“立體光刻”,是基於液態光敏樹脂的光聚合原理工作的。1988 年,查爾斯生產出世界上首台以立體光刻技術為基礎的3D 打印機 SLA-250,體型非常龐大。


1988年,美國人斯科特·克朗普發明了一種新的3D打印技術—— 熔融沉積成型。該工藝適合於產品的概念建模及形狀和功能測試,不適合製造大型零件。1989年,美國人德卡德發明了選擇性激光燒結技術,這種技術的特點是選材範圍廣泛,比如尼龍、臘、ABS、金屬和陶瓷粉末等都可以作為原材料。1992年,美國人赫利塞思發明層片疊加製造技術。

在1995年之前,還沒有3D打印這個名稱,那時比較為研究領域所接受的名稱是“快速成型”。1995年,美國麻省理工學院的兩名大四學生吉姆和蒂姆的畢業論文選題是便捷的快速成型技術。兩人經過多次討論和探索,結果想到利用當時已經普及的噴墨打印機。他們把打印機墨盒裏麵的墨水替換成膠水,用膠水來粘接粉末床上的粉末,結果可以打印出一些立體的物品。他們興奮地將這種打印方法稱作3D打印(3D Printing),將他們改裝的打印機稱作3D打印機。此後,3D打印一詞慢慢流行,所有的快速成型技術都歸到3D打印的麾下。


正如200多年前,瓦特發明了蒸汽機,拉開了近代工業革命的序幕一樣,許多人也認為3D打印也能引發一場工業革命,甚至其本身就是第三次工業革命。但是我們不要忽略就是並不是蒸汽機引發了近代工業革命,而是它使機械動力驅動成為主流的社會理念和主要的開發手段這一理念引發了第二次工業革命,因此3D打印也不會成為第三次工業革命,它要促生新的產業革命,必須通過誘發新的人類理念轉化來實現。


我國的3D立體打印技術研究起步並不算晚,大致在1999年,即美國解密其3D激光打印研發計劃之後三年多,中國就開始了相關的研發。大體上講,中國起步的時間比美國晚了十五年,但進步非常顯著,在某些領域的確超越了美國。冷靜地審視我國3D打印行業,形勢並非某些文章講的那麽樂觀。目前我國從事3D打印研發的企業和科研院所,加起來不過二三十家,綜合實力也都不怎麽強。除了鈦合金大尺度構件我們傲視群雄之外,其他領域還真沒有什麽可自豪的。我國在傳統的精密機械、重型機械製造方麵因為材料和加工工藝等問題,製造出的產品質量別說比不上德日,甚至有些還不如韓國、西班牙之類的國家,這是急需利用3D打印技術追趕與突破的方麵。而3D打印隻是解決了快速成型問題,而材料本身的特性則是需要攻關解決的。


3D打印的應用

麻煩製造者。世界第一支3D打印手槍已經在美國德州奧斯丁試射成功。在此之前許多人不將3D打印當一回事,但是這個創造著實扇了他們一巴掌。從技術上講,這把手槍除了子彈外的其他部件幾乎由3D打印機製造,工作的基本原理與普通槍支無異。製作這把手槍的這個美國民間團體先用3D打印將手槍的部件製造出來,在組裝在一起。


醫學神器。在最近的江西聯體女嬰的案例中,複旦大學附屬兒科醫院在全國首次使用3D打印技術,等比例地還原了患兒臀部聯體的脊柱、皮膚融合的情況,直觀地展現了患兒骨性連接和皮膚連接的部位和程度,可以虛擬地進行術前切割,皮瓣翻轉,為手術方案的設計和改進提供了極大的幫助,這在我國兒童醫院聯體兒分離中屬首次采用3D打印技術來精準地輔助手術操作。


使用3D打印製造出了骨小梁結構的精確複製品,該複製品具有納米結構的特點,可促進病人骨頭的愈合和融合。該植入物的生物力學特性使其可以實現與現有骨骼的內生長,從而可以防止出現再次進行骨移植治療。德國神經外科醫生Uwe Spetzger教授宣稱,一位具有退行性頸椎問題的患者通過手術接受了3D打印的鈦金屬融合植入物。這還是曆史上首次成功完成此類手術。


考古福音。一直以來文物古跡的保護始終困擾著考古界,文物作為不可再生資源,一旦毀壞便難以再生。例如西安秦始皇兵馬俑,剛出土的兵俑色澤亮麗,表情栩栩如生,現如今早已失去了剛出土時的風采,風化嚴重,色澤暗淡如黃泥。21世紀的今天,科技發展速度令人震驚,現在的考古水平遠遠高於以往,文物古跡的保護力度也更強。倘若3D打印技術能夠“複刻”文物,一定能夠彌補不少遺憾。不少關於3D打印文物方麵的消息,的確沒讓人失望。


隨著智慧型數字博物館的建設,眾多博物館與文物修複工作者,開始利用3D打印與3D掃描技術,使破敗不堪的古文物“起死回生”,不僅修複了文物也讓古代文化得以傳承。早在好幾年前,陝西博物館已經利用3D打印技術,製作國寶級文物-鹿形金怪獸的仿品。3D打印技術可以在不接觸文物的前提下,通過立體掃描、數據采集、繪畫模型打印等一係列步驟,對文物進行修補甚至複刻。這對文物的修繕、鑒定和保存有著很大的意義。


住房難題、移居月球。既然3D打印機什麽都能打印,那麽它可能打印出大規模的建築嗎?世界首座3D打印的房子目前正建於荷蘭阿姆斯特丹北部一條運河旁,配有13個房間;混凝土將隻用於提供結構支撐。2014年8月21日,上海,10幢3D打印建築在上海張江高新青浦園區內正式交付使用,作為當地動遷工程的辦公用房。這些“打印”出來的建築牆體是用建築垃圾製成的特殊“油墨”,按照電腦設計的圖紙和方案,經一台大型的3D打印機層層疊加噴繪而成,10幢小屋的建築過程僅花費24小時。


3D打印還在汽車,無人機等方麵滲透到我們的生活中,改變這我們的生活方式。而就目前我國的3D打印產業化程度並不是很高,總體處於新型技術產業化的初級階段,具體表現在產業規模化程度不高、技術創新體係不健全、產業政策體係尚未完善等的現狀下,要依靠國家政策的大力扶持,逐步打開3D打印市場,為未來3D打印技術成為新型產業技術的典範做準備。

3d打印模型

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