解密 3D打印那些不为人知的“内幕”

发表于 2016-1-28 19:48:32 显示全部楼层 0 4758

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  3D打印技术的核心思想最早起源于美国。早在1892年,J.E.Blanther在其专利中曾建议用分层制造法构成三维地形图。1902年,CarloBaese的专利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。1904年,Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线,然后将这些硬纸板粘结成三维地形图的方法(如图12所示)。20世纪50年代之后,出现了上百个有关3D打印的专利。

现代3D打印技术的出现,起源于二十世纪八十年代中后期。此后,3D打印技术有了根本性的发展,出现了更多的专利。如:1986年Hull发明了立体光固化成型(SLA,StereoLithography Appearance),1988年Feygin发明了分层物体制造,1989年Deckard发明了粉末材料选择性激光烧结技术(SLS,Selective Laser Sintering),1992年Crump发明了熔融沉积成型技术(FDM,FusedDepositionModeling),1993年Sachs在麻省理工大学发明了3D打印技术等。
  随着各类3D打印专利技术的不断发明,其相应的生产设备也被相继研发而出。如:1988年,美国的3DSystems公司根据Hull的专利,生产出了世界上第一台现代3D打印设备——SLA-250(立体光固化成型机),开创了3D打印技术发展的新纪元。在此后的多年中,3D打印技术蓬勃发展,涌现出了十余种新工艺及相应的3D打印设备。

3D打印技术是一种跨学科的交叉技术,打印材料是该技术的核心。一种材料的出现,直接决定了其三维打印的成型工艺、设备结构、成型件的性能等。从1988年的立体光固化成型(SLA)技术的出现到当今的三维打印成型,都是由于某一种新材料的出现而引起的,如:液态光敏树脂决定了SLA工艺与设备,薄层材料决定了LOM工艺与设备,丝状材料决定了FDM工艺与设备等。由于材料在物理形态、化学性能等方面存在差别,才形成了今天3D打印材料的多品种和3D打印的不同成型方法。

3D打印技术在这几十年的发展中,新材料是3D打印技术的重要推动力。全世界从事3D打印技术的公司和大学等都在积极地研发用途更为广泛、打印成型更为简便的新材料。
3D打印材料分类
(1)按材料的化学性能分类
目前,3D打印涉及的成型材料主要有四大类:
1)高分子材料,如液态光敏树脂材料、塑料(ABS、尼龙、PLA等)丝料或粉料或片材等;
2)无机材料,如石蜡、石膏粉末、陶瓷粉末、砂等;
3)金属材料,如合金金属粉末、金属薄板料等;
4)生物医学材料、复合材料等。
(2)按材料的物理状态及形状分类
目前,3D打印涉及的成型材料主要有四大类:
1)液态材料:如光敏树脂等;
2)固态粉末材料:非金属粉,如蜡粉,塑料粉,覆膜陶瓷粉等;金属粉,如不锈钢粉,钛金属粉等;
3)固态薄片材料:如纸、塑料、金属等;
4)固态丝状材料,如蜡丝、ABS丝料、PLA丝料等。
下图所示为几种常用的3D打印材料。
(a)塑料粉(b)金属粉(c)丝材
3D打印可以称得上“第三次工业革命”?
3D打印是对传统制造业的一种颠覆性变革,有人甚至将3D打印机看成是第三次工业革命的影子,与蒸汽机和电力相提并论。
很显然,与传统制造相比,3D打印的制作工序、个性化需求及人力成本具有颠覆性变革意义。从操作工序上来说,传统的制造工艺是对原材料进行剪裁、拼接后连接而成,而3D打印是通过软件设计,一层一层堆积材料把产品做出来。3D打印通过将材料层层堆积的方法直接制造复杂的塑料制品、金属零件和合金元件等,而不是像以前那样对材料进行切割、锻打和弯曲等工艺,不再需要工序麻烦地制作很多不同的元件,然后再去组装它,可以不用传统的大规模机床来制造小型的零部件。

从制造模式来说,过去是生产线规模化生产,今后则可能更多的是个性化的定制生产,产品上市时间缩短,同时不再需要库存大量的零部件,也不需要大量生产。
3D打印适应越来越苛刻的个性化消费需求。传统的大批量制造生产几乎能够提供任何人们最基本的吃穿住行玩等消费产品,但是这些产品都是标准化的,比较千篇一律,在个性化方面已经无法满足人们日益增长的需求。而手工生产的个性化东西虽然地道,品质精良,内涵丰富,但是手工制造耗时巨大;而3D打印技术既可以满足人们对个性化产品的追求欲望(如市面上买不到某件产品,3D打印机或许可以满足你的心愿),还可以大大提高产品的生产效率。

从生产成本来说,3D打印无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机的三维图形自动生成实物零件,从而极大地缩短了产品的研制周期,大幅减少了材料的浪费,提高了生产效率,降低了生产成本;它还可以制造出传统生产技术无法制造的、形状结构极其复杂的零件。另外,3D打印极大地解放了劳动力,一个技术工人可以看管数台打印机,就像纺织工人看管织布机一样,可以节省大量的劳动力,而劳动效率却有数倍甚至数十倍的提高。

正因为具备上述特点,3D打印被认为是先进制造技术和生产方式变革的产物。
眼下,智能软件、新材料、机器人、新制造方法(例如3D打印)及基于网络的商业服务模式这五大要素,正共同推动制造业向数字化方向发展,我们即将迎来第三次工业革命。

正因为如此,美国政府捷足先登,将3D打印揽入怀中,试图成为新一轮工业革命的领导者,继续占据全球工业的制高点。
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