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3D打印技术的应用和发展前景

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  • 更新日期:2013-10-16 11:03
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详细介绍
本文对3D打印技术原理、工艺流程、特点、发展现状作了简单描述,并对其应用进行了较详细地介绍,同时对其发展前景也作了简单分析。1 前言
每一次全球经济危机都能产生新技术,新技术产生会带来社会和行业大变革。前几轮工业革命,蒸汽机、电气和IT改变了我们的生存环境和社会发展轨迹。中航重机年初两个月时间股价从最低5元多飙升到17元多,涨幅两倍,因为是3D打印概念。概念毕竟是概念,还没有带来实际经营业绩的改善,但这项新技术带来的资本市场反应值得我们深度关注。3D打印的概念在上个世纪80年代就出现了。1995年MIT创造了了“3D打印”这个名词,随后3D打印便开始在实验室萌芽。然后慢慢的3D技术开始逐渐广泛运用在医疗模型、建筑模型等行业。直观说,就是在普通的二维打印的基础上再加一维,平面变立体。打印机先像普通打印一样在一个平面上将塑料、金属等粉末状材料打印出一层,然后将这些可黏合的打印层一层一层的粘起来。通过每一层不同的“图形”的累积,最后就形成了一个三维物体,就像盖房子一样。最初工业设计常将此技术用于建造模型,现在正向产品制造的方向发展,形成“直接数字化制造”。在一些高价值应用中(比如髋关节或牙齿,或一些飞机零部件)也已经有打印而成的零部件出现,可以预见未来3D打印能改变的的几大趋势已经慢慢产生。1)医疗行业:最近一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染,因此换上了由3D打印机“打印”出来骨头。3D打印并非是新鲜的技术,这个思想起源于19世纪末的美国,并在20世纪80年代得以发展和推广。1995年MIT创造了用“3D打印开始尝试打印巧克力。或许在不久的将来,很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。当然,到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。2)配件饰品:这是最广阔的一个消费市场,个性化设计和生产将变得更容易。 虽然3D打印目前尚处于起步阶段,但据美国沃勒斯同仁咨询公司数据,现有3D打印的市场规模约为17亿美元,到2015年会增加至37亿美元,也许新技术的产生和应用引来的经济效应爆发,远快于我们的预期,如曾经的计算机、互联网等。3D打印仅是概念还是未来能真实带来整个工业的颠覆和革命,我们看到了新技术苗头,但还需要深入琢磨下去,仔细思考市场实现可能性和时限?如何会改变我们产业的结构?产业链有哪些板块和个股机会?后续博客内容会陆续给大家呈现。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。 3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长,其价格也正逐年下降。
3D打印技术,是以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同,3D打印将三维实体变为若干个二维平面,通过对材料处理并逐层叠加进行生产,大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。我们日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品,而所谓3D打印机与普通打印机工作原理基本相同,只是打印材料有些不同,普通打印机打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料,打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说,3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备,比如打印一个机器人、打印玩具车,打印各种模型,甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。
2 3D打印原理及工艺流程
2.1 原理
在3D打印时,软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D打印机上,后者会将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成型。堆叠薄层的形式有多种多样。有些3D打印机使用“喷墨”的方式。例如,一家名为Objet的以色列3D打印机公司使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质 喷涂在铸模托盘上,此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离,以供下一层堆叠上来。另外一家总部位于美国明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一种叫做“熔积成型”的技术,整个流程是在喷头内熔化塑料,然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层,然后由喷出的液态粘合剂进行固化。它也可以使用一种叫做“激光烧结”的技术熔铸成指定形状。这也正是德国EOS公司在其叠加工艺制造机上使用的技术。而瑞士的Arcam公司则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒。
当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时,介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸,最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。
2.2 工艺流程
3D打印的工艺流程是:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器,其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。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。打印机打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的。一般的厚度为100微米,即0.1毫米,也有部分打印机如Objet Connex系列还有三维Systems' ProJet系列可以打印出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。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。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,当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。
传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品,而三维打印技术则可以以更快,更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。
3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够(在弯曲的表面可能会比较粗糙,像图像上的锯齿一样),要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法:先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体,再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物,比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西(如可溶的东西)作为支撑物。[page]
3 3D打印主要工艺技术
3D打印的技术主要包括SLA、FDM、SLS、LOM等工艺。
3.1 立体光刻造型工艺技术(SLA)
先由软件把3D的数字模型,“切”成若干个平面,这就形成了很多个剖面,在工作的时候,有一个可以举升的平台,这个平台周围有一个液体槽,槽里面充满了可以用紫外线照射固化的液体,紫外线激光会从底层做起,固化最底层的,然后平台下移,固化下一层,如此往复,直到最终成型。其优点是精度高,能达到每层厚度0.05毫米到0.15毫米,可以表现出准确的表面和平滑的效果。缺点则为可以使用的材料有限,并且不能多色成型。
3.2 熔融沉积成型工艺技术(FDM)
同样是先需要把3D的模型薄片化,但是成型的原理不一样。学过高等数学的人都知道积分,熔融沉积成型技术,就是把材料用高温熔化成液态,然后通过喷嘴挤压出一个个很小的球状颗粒,这些颗粒在喷出后立即固化,通过这些颗粒在立体空间的排列组合形成实物。这种技术成型精度更高、成型实物强度更高、可以彩色成型,但是成型后表面粗糙。
3.3 选择性激光烧结工艺技术(SLS)
由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面,并刮平;用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面;材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起,得到零件的截面,并与下面已成形的部分粘接;当一层截面烧结完后,铺上新的一层材料粉末,选择地烧结下层截面。特点是比SLA要结实的多,通常可以用来制作结构功能件;激光束选择性地熔合粉末材料:尼龙、弹性体、未来还有金属;材料多样且性能接近普通工程塑料材料;工艺简单,不需要碾压和掩模步骤,因此Z(高度)方向的精度不容易保证好;使用热塑性塑料材料可以制作活动铰链之类的零件;成型件表面多粉多孔,使用密封剂可以改善并强化零件;使用刷或吹的方法可以轻易地除去原型件上未烧结的粉末材料。
每种工艺技术都有各自的优缺点,因而一些公司会提供多种3D打印机供选择。许多相互竞争的技术都是可用的,它们的不同之处在于以可用的材料的方式不同层构建创建部件。一些方法利用熔化或软化可塑性材料的方法来制造打印的“墨水”,例如:选择性激光烧结(selective laser sintering, SLS)和熔融沉积成型(fused deposition modeling, FDM),还有一些技术是用液体材料作为打印的“墨水”的,例如:立体光刻造型(stereolithography, SLA)、分层实体制造(laminated object manufacturing, LOM)。
一般来说,采用何种工艺技术,主要的考虑因素是打印的速度和成本(三维打印机的价格,物体原型的成本,还有材料以及色彩的选择和成本)。可以直接打印金属的打印机价格昂贵,有时候人们会先使用普通的三维打印机来制作模具,然后用这些模具制作金属部件。
4 3D打印用材料
4.1 工程塑料
指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料,是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。
● PC材料,是真正的热塑性材料,具备工程塑料的所有特性。高强度,耐高温,抗冲击,抗弯曲,可以作为最终零部件使用,应用于交通工具及家电行业。
● PC-ISO材料,是一种通过医学卫生认证的热塑性材料,广泛应用于药品及医疗器械行业,可以用于手术模拟,颅骨修复,牙科等专业领域。
● PC-ABS材料,是一种应用最广泛的热塑性工程塑料,应用于汽车,家电及通信行业。
4.2 光敏树脂
即是UV树脂,由聚合物单体与预聚体组成,其中加有光(紫外光)引发剂(或称为光敏剂)。在一定波长的紫外光(250-300纳米)照射下立刻引起聚合反应完成固化。一般为液态,一般用于制作高强度、耐高温、防水等的材料。
● Somos 19120材料,为粉红色材质,铸造专用材料。成型后直接代替精密铸造的蜡膜原型,避免开模具的风险,大大缩短周期。拥有低留灰烬和高精度等特点。
● Somos 11122材料,为半透明材质,类ABS材料。抛光后能做到近似透明的艺术效果。此种材料广泛用于医学研究、工艺品制作和工业设计等行业。
● Somos Next材料,为白色材质,类PC新材料,材料韧性较好,精度和表面质量更佳,制作的部件拥有最先进的刚性和韧性结合。
另外3D打印常用材料还有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料等。
5 3D打印的技术优缺点
5.1 优点
5.1.1 可以加工传统方法难以制造的零件
过去传统的制造方法就是一个毛坯,把不需要的地方切除掉,是多维加工的,或者采用模具,把金属和塑料融化灌进去得到需要的零件,这样对复杂的零部件来说加工起来非常困难。而立体打印技术对于复杂零部件而言具有极大的优势,立体打印技术可以打印非常复杂的东西。
5.1.2 实现了首件的净型成形
后期辅助加工量大大减小,避免了委托外加工的数据泄密和时间跨度,尤其适合一些高保密性的行业,如军工、核电领域。再者由于制造准备和数据转换的时间大幅减少,使得单件试制、小批量出产的周期和成本降低,特别适合新产品的开发和单件小批量零件的生产。
5.1.3 具有速度快、高易用性
打印的产品是自然无缝连接的,结构之间的稳固性和连接强度高等。
5.2 缺点
3D打印带来的变革还有负面的问题,不过不必太过担心,人类的发展总是伴随着双刃宝剑披荆斩浪冲刺前进的。如果我们抱着全是消极的态度只“堵”不“疏”,那么社会与技术就不会发展。
5.2.1 盗版问题
万能的拷贝和万能的复制功能让靠智慧吃饭的人士再次担忧,人们再次将面临新的版权问题。
5.2.2 资源消耗增加,环境问题
在自由想像与创造欲望的驱动下,随心所欲地涂鸦将带来灾难性的后果;而模型设计软件将分支出与结构优化与耗材压缩相关的数学模型,尽可能减少材料使用但能强化结构。
5.2.3 道德与伦理
偷透扫、偷拍、平面照片直接转为3D等高科技的民用化将让人们防不胜防。
5.2.4 设计海洋
创意疲劳将很快出现,信马由缰积极滥造,个性化展示反而让人们有了新的审美需求,类似谷歌那样的信息海洋指南必将出现。
5.2.5 怪异变造人或人造人出现
人兽更加难辨、雌雄更加难分。
6 3D打印设备中的磁性元件
3D打印机是一种复杂而精密的机械电子装置,是由机械装置和控制电路两部分组成。机械装置是打印机系统的执行机构,永磁步进电机是其执行机构的一个重要元件,由控制电路统一协调和控制;控制电路则包括驱动电路、数据处理电路、电源及输入输出模块,工件输出基板和喷头及检测电路等。喷头是3D打印机的关键部件,喷嘴、永磁环、驱动线圈和导磁环等是其主要部件。打印机的电源电路系统实际上是由整流稳压电路构成的,大多为用软磁铁氧体材料制作的开关电源整机电路提供电源。一般情况下,主控电路、接口电路和传感器电路采用5V电源电压,而喷头驱动电路及步进电机则采用28V和24V电压。交流抗干扰电路通常由1~2只电感和4~6只电容组成滤波网络,用软磁铁氧体材料制作的电源变压器将消除干扰后的交流220V电压变换为后级直流稳压电源。根据3D打印的工艺流程可知,3D打印要先通过计算机建模软件建模。众所周知,计算机中很多地方都使用了软磁铁氧体材料和元件,如:1)降低电源线与地间产生噪声的铁氧体软磁共模滤波器;2)除去让数字信号失真的高次谐波噪声成份的片式磁珠滤波器;3)噪声屏蔽吸收体;4)夹持在电缆线上的噪声滤波器;5)电池供给的直流电压变为电路所需的直流电压用DC-DC变换器;6)液晶背光源高压交流电压用DC-AC逆变器;7)需大幅度降低磁损耗,以达到电脑低发热、节能的铁氧体变压器;8)IEEE1394/USB接口抗干扰片式磁珠、共模滤波器磁心等。为使计算机平面显示器更薄,质量更高,电磁噪音更低,一些重要磁性电子元件得到使用。这些磁性电子元件是:三端子滤波器可以用来消除噪音,防止视频画面质量下降;扼流圈、贴片电感用来消除直流-直流转换器的高频噪音,还能用作低通滤波器;把箝位滤波器芯安装在电缆上可消除噪音;液晶背光源高压交流电压用DC-AC逆变器是将直流电转变为高压交流电以点亮液晶显示器的背光灯;貼片变阻器是用来吸收电涌(不正常高压)和静电以防止电子线路的故障或损坏。从上述分析不难看出,单是3D打印设备就将给磁性材料和磁性元件带来一个可观的应用市场。[page]
7 3D打印技术的实际应用
如今可用于打印的介质种类多样,从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质,令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。科学家们正在利用3D打印机制造诸如皮肤、肌肉和血管片段等简单的活体组织,很有可能将有一天我们能够制造出像肾脏、肝脏甚至心脏这样的大型人体器官。如果生物打印机能够使用病人自身的干细胞,那么器官移植后的排异反应将会减少。人们也可以打印食品。几乎所有人都相信,食品界的杀手级应用将是能够打印巧克力的机器。3D打印机已经在建筑设计、医疗辅助、工业模型、复杂结构、零配件、动漫模型、飞机、核电和火电使用重型机械和高端精密机械的行业等领域都已经有了一定程度的应用。
7.1 航模飞机3D打印技术
美国弗吉尼亚大学工程系的研究人员采用最新的3D打印技术制造了一架无人飞机,机翼宽6.5英尺(约合1.9米),巡航时速达到45英里(约合72千米)。
这个飞机是由美国弗吉尼亚大学工程系学生研制的,它的机翼宽6.5英尺,是由打印零件装配构成。2012年8月和9月初,在弗吉尼亚州米尔顿机场附近进行了4次飞行测试,这是迄今第三架用于建造飞行的3D打印飞机,巡航速度可达到45英里/小时。美国弗吉尼亚大学工程师大卫-舍弗尔称,3D打印技术现已证实是应用于教导学生的一种宝贵工具。据悉,这架3D飞机是他和工程系学生史蒂芬-伊丝特和乔纳森-图曼共同建造的。舍弗尔称,五年前为了设计建造一个塑料涡轮风扇发动机需要两年时间,成本大约25万美元。但是使用3D技术,设计和建造这架3D飞机仅用4个月时间,成本大约2000美元。
7.2 宇航员所需工具3D打印技术
科学家研制了一款神奇的3D打印机,可用于未来行星登陆时建造基地的任务中。比如,未来在月球基地中生活的宇航员可以使用这款3D打印机,将月球上岩石或者特殊材料“打印”成所需要的工具。研究人员演示了如何将月球岩石土壤作为3D打印机的原材料,其应用范围几乎可以将任何固体材料制造成所需的工具,可以允许未来的探险家建设外星球基地。
7.3 骨骼3D打印技术
华盛顿州立大学苏斯米塔·博斯带领研究小组,耗费4年时间开发类骨骼物质。发现在生物陶瓷粉主要成分磷酸钙中添加硅和氧化锌可以使其强度提升一倍。磷酸钙生物陶瓷材料是整形外科领域一类重要的骨修复材料,可模拟人体自然骨结构,适宜细胞和骨组织的长入。他们使用一部先前用于打印金属材料的3D打印机制造类骨骼物质。它在粉末层上喷出塑料黏合剂,粉末层厚度仅为一根头发丝宽度的一半。粉末层层叠加,干燥后达到要求的支架厚度,然后在1250摄氏度下烘烤2小时。实验室环境下的未成熟骨细胞生长测试显示,支架上的骨细胞在移植一周内开始生长。这种类骨骼物质可被添加到受损自然骨上,当作支架材料,促使细胞和骨组织生长,而且这种类骨骼物质可最终降解,没有“明显负面效果”。他们说,数年后,这种类似骨骼的材料,它可被用于骨科、牙科治疗或开发治疗骨质疏松症药物,医生可利用这一技术定做更换骨组织。
将3D打印技术引入骨骼制造并非博斯首创。2009年,瑞士研究人员复制出一名男子的拇指骨骼;德国夫琅禾费界面工程与生物工程研究所研究人员把立体打印技术与双光子聚合技术相结合,开发出血管打印技术。打印时,打印机发出两束强激光,焦点对准同一分子。这个分子同时吸收两个光子,即所谓的双光子聚合。经过双光子聚合的分子变成一个有弹性的固体,用它来制造高精度的弹性结构,也就是血管。
美国的一家医院使用康涅狄格州牛津性能材料公司提供的原材料,用3D打印机打印出人的头骨,来替代患者原本高达 75% 已受损骨骼,患者术后恢复良好。
7.4 建筑3D打印技术
荷兰阿姆斯特丹建筑大学的建筑设计师Janjaap Ruijssenaars设计了全球第一座3D打印建筑物“Landscape House”,而且特别模拟了奇特的莫比乌斯环。莫比乌斯环(Mbius strip/Mbius band),是一种拓扑学结构,只有一个面(表面)和一个边界,由德国数学家、天文学家莫比乌斯和约翰·李斯丁1858年独立发现。它可以用一个纸带旋转半圈再把两端粘上之后轻而易举地制作出来,本身具有很多奇妙的性质。Ruijssenaars和数学家、艺术家Rinus Roelo fs共同设计了这个项目,将会利用3D打印机逐块打印出来,每一块的大小都达到了6×9米2,然后拼接成一个整体建筑,预计需要耗时一年半才能完成。和打印一般小东西不同,这次需要用到的3D打印机也十分庞大,是由意大利发明家Enrico Dini设计出来的“D-Shape”,可以使用砂砾层、无机粘结剂打印出一幢两层小楼。尽管如此强大,让它打印一座庞大的建筑也太难了,Dini因此建议只用它打印整体结构,外部则使用钢纤维混凝土来填充。
7.5 胚胎干细胞3D打印技术
英国研究人员首次用3D打印机打印出胚胎干细胞,该干细胞鲜活且保有发展为其他类型细胞能力。这种技术或可制造人体组织以测试药物,制造器官,乃至直接在人体内打印细胞。检测结果显示,打印24小时后,95%以上细胞仍然存活,打印过程未杀死细胞;打印3天后,超过89%细胞存活,而且仍然维持多能性,即分化出多种细胞组织的潜能。胚胎干细胞3D打印机配备两个“生物墨盒”,一个装着浸在细胞培养基中的人体胚胎干细胞,另一个只有培养基。计算机控制微调阀喷出“墨水”,速度可通过改变喷口直径实现精确控制。打印机上有显微镜显示细胞打印情况。两种“墨水”一层一层间隔喷洒,形成不同浓度细胞飞沫,最小飞沫体积仅2纳升,包含大约5个细胞。飞沫被喷入有诸多凹孔的培养皿中,翻转培养皿,飞沫形成悬液,在各凹孔内“抱成团”。打印机可精确控制飞沫大小,使干细胞达到分化最佳状态。
7.6 房屋3D打印技术
英国伦敦的一家建筑企业Softkill Design率先提出了3D打印房屋的新概念——原材料来自塑料,外观像蜘蛛网。该企业表示,如果市场接受这种新概念3D打印房屋,今年夏天或可建造出首个实体房屋。设计成员之一的吉尔·瑞特森表示,这项发明不仅对房屋建筑行业是一场革新,甚至还有望解决英国的住房危机。按照发明者的设计:将所有的组件制造好,需要三个星期的时间,装配起来则仅需一天的功夫。这种房屋将用维可牢尼龙搭扣或类似按钮的紧固件固定在一起,而这些在传统建筑技术中则不需要。据悉,这一构想是2012年10月伦敦3D打印展上展出的一款打印房屋原型的延伸,原型以极具特色的纤维尼龙结构作为骨架,来代替实心的墙体。房屋组件采用激光烧结的生物塑料,在3D印刷厂中制造,这将会比用沙子或混凝土印制的质量更好。纤维结构的厚度只有0.7毫米,用石头打印是不可能的,因为沙子没有足够的结构强度和完整性。而在工厂环境中,则可以用到像塑料或金属之类更高强度的材料。目前,建造这样一座3D房屋的成本并未向外透露。但瑞特森表示,3D印刷业的蓬勃发展将会提升经济规模,这意味着在不久的将来,这样的房屋可能因其经济性而在市场竞争中取得优势。
7.7 玩具3D打印技术
来自英国伦敦成立于2011年的互联网公司MakieLab宣布,其第一款3D打印玩具产品Makies-10寸的Poseable玩具娃娃已经成功满足欧洲玩具安全标准,成为世界上第一个通过CE认证的3D打印玩具,Makies允许3岁及以上孩子使用。早期由于材料的限制Makies都是白色的,经过多次试验,在2013年1月公司公开宣布,客户可以订购4款不同颜色的Makies,将继续改进相关产品。
7.8 电影微观模型3D打印技术
西雅图国际电影节(SIFF)创立了一场名为SIFFcurious(隐秘栏目)的活动,欢庆该电影节致力于展现出各式各样的电影—从鲜为人知的小众影片到名声大噪的主流大片。此次活动的宣传片是一场感怀电影往事的旅途,所有的电影形象都用微缩模型的方式用3D打印机无停歇工作一个月(雕刻和绘制同时进行)打印出来的:一颗长满苔藓的树旁,一位女子通过苍老的树洞放眼望去,深深陶醉于眼前一幕幕的电影微片段中。这些曾经在SIFF中展出的电影片段,如《勇敢传说》、《月升王国》、《太空漫游》、《星球大战2:地球反击战》、《奇爱博士》、《驱魔人》以及《异形》等。
7.9 地面和空中快车道3D打印技术
来自世界各地的汽车爱好者们密切关注MakerBot和GrabCAD公司的未来交通工具设计展,其中包括:汽车、摩托车、飞机和航天器。未来的运输工具意味着一件事情——任何人都能够单独驾驶。
世界上第一款3D打印汽车已经面世,这次不是玩具,而是真正能开上马路的汽车。据《连线》杂志报道,Urbee 2是一款三轮的混合动力汽车,它的所有零部件都是3D打印出来的。正如Makerbot和Form 1正在重新定义制造业,Urbee正在致力于改变我们制造汽车的方式。这款汽车是Jim Kor和他的Kor Ecologic团队头脑风暴的产物,他们一直专注于研究未来的3D交通工具。他们在网站上展示了对于未来汽车的构想:“用最少的能耗开最远的路程;把生产、使用、回收过程的污染降到最低;尽可能用汽车产地附近的原材料生产汽车”
3D打印机能打印出单个的、一体式的汽车车身,再将其他部件填充进去。据称,新版本3D汽车需要50个零部件左右,而一辆标准设计的汽车需要成百上千的零部件。Urbee的原型使用了asb塑料的"熔融沉积建模"(fused deposition modeling)方法。车辆由大块和许多个小块组成。根据thewire的报道,544公斤的车辆花费了大约2500个小时来打印,原型车的造价约为5万美金。
7.10 人工耳3D打印技术
美国康奈尔大学和威尔·康奈尔医学院的研究人员合作,利用三维(3D)打印技术和含有牛耳活细胞的凝胶造出一种新型人工耳,无论在外观还是功能上,均可与真耳相媲美。通常的人工耳材料密度和泡沫聚苯乙烯差不多,质感与真耳相差较大;如果用病人的肋骨组织以手术方式重塑外耳,不仅难度大,还给病人带来很大痛苦,因此很难制成既美观又实用的人造耳。为造出这种生物工程耳,研究人员先用快速旋转3D相机拍摄数名儿童耳朵信息,输入计算机形成3D图像,然后按照图像用3D打印机打出一个固体模子,并在其中注入一种高密度胶原蛋白凝胶,其中含有能生成软骨的牛耳细胞。此后数周内,软骨逐渐增多并取代凝胶,3个月后软骨会形成柔韧的外耳,替代最初用于塑形的胶原蛋白支架。
7.11 类生物组织材料3D打印技术
英国牛津大学的黑根·贝利教授及其同事2013年4月4日在《科学》杂志上发表报告说,他们利用特制3D打印机打印出类似生物组织的材料,这一成果将来有望应用在医疗领域。据介绍,他们利用3D打印机分层次喷出大量被脂类薄膜包裹的液滴,这些液滴形成网状结构,构成特殊的新材料。这样打印出来的材料其质地与大脑和脂肪组织相似,可做出类似肌肉样活动的折叠动作,且具备像神经元那样工作的通信网络结构,可用于修复或增强衰竭的器官。由于这是合成材料,因此它还可避免一些用干细胞等方式制造活体组织而引发的问题。常规的3D打印机无法打印这种新材料,实验中使用的是一种特制3D打印机,目前这种打印机喷出的液滴直径约50微米,有5个活体细胞那么大,但相信将来能够将液滴尺寸缩小。
7.12 文物保护复制品3D打印技术
博物馆里使用复制品替代原始作品,保护不受环境或意外事件的伤害。史密森尼博物馆就因为原始的托马斯·杰弗逊要放在弗吉尼亚州展览,所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。(“十二生肖”电影情节)
7.13 珠宝3D打印技术
最早加入Shapeways的成员早已开始利用3D打印制造首饰。3D打印所具备的优势正好可以平衡消费者需求与加工成本之间的矛盾。
7.14 电影道具3D打印技术
3D打印是一种快速成型技术,对于制作复杂电影道具具有成本低,时间快的优势,高仿真的电影道具已经使用了3D打印技术来制作面具模型,汽车模型,和其他功能性道具。
7.15 智能表带3D打印技术
来自美国布鲁克林的设计师多米尼克普雷斯科德,在Indiegogo上推出了他全新设计的3D打印智能表带。这款智能腕表带,是模仿了普通手表带,使用户可以根据自己的手臂尺寸来调整。这款3D打印的智能腕表在crowdfunding网站上的售价为25美元,有5种不同的颜色:黑色,黄色,白色,红色和蓝色。[page]
8 3D打印技术的应用现状
8.1 世界3D打印技术的应用现状
美国和欧洲在3D打印技术的研发及推广应用方面处于领先地位。美国是全球3D打印技术和应用的领导者,美国总统奥巴马在国情演讲中宣布,计划建立3D打印中心。美国政府将人工智能、3D打印、机器人作为重振美国制造业的三大支柱,其中3D打印是第一个得到政府扶持的产业。全球有两家3D打印机制造巨头,分别是Stratasys和3D Systems,均在美国纳斯达克上市,2011年营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元,2012年股价分别翻了2倍和3倍。欧洲十分重视对3D打印技术的研发应用。除欧美外,其他国家也在不断加强3D打印技术的研发及应用。澳大利亚制定了金属3D打印技术路线;南非正在扶持基于激光的大型3D打印机器的开发;日本着力推动3D打印技术的推广应用。
纵观整个世界3D打印市场,已形成寡头垄断的市场竞争格局。行业领军者Stratasys与3D Systems属于全产业链公司,其业务包括工业级打印机、桌面打印机生产等各种相关服务。此类公司每年都会增加研发投入的比例,侧重于新技术、新产品的研发。与上述两家公司不同,MarketBot专注于桌面级3D打印机,作为该细分市场的领军企业,除生产家用3D打印机,还向用户提供可以长期互动的网络社区。3D打印技术虽然名气很大,但是规模很小,全球从事3D打印技术研发和生产制造的科研单位和上下游企业(含材料、软件开发、商业运营)不足100家。世界3D 打印设备及服务产值各地区比重见图1。
8.2 中国3D打印技术应用现状
3D打印技术在中国还处于初级阶段,从整个产业角度来看,由于缺少龙头企业的带动作用,政府暂时缺少针对性的扶植措施,整体产业体量还较小;产业整合度较低、主导技术标准、开发平台尚未确立、技术研发和推广应用还处于无序状态。另一方面由于中国制造业还处于粗放形式,各个环节对3D打印技术带来的冲击认识还不足,接受度较低。但是中国3D打印设计服务市场在快速增长,已有几家企业利用3D打印制造技术生产设备和提供服务。2012年全球3D打印的市场规模为21亿美元,中国3D打印市场规模只有10亿元人民币。国内有40多家从事3D打印技术的上下游企业、科研单位和小而散的国内企业主要以某一种技术为主,商业化能力相对比较弱。
市场研究机构Frost&Sullivan指出,与全球相比,中国3D打印市场由于缺少原创的核心技术和材料资源的支持,行业整体体量较小,企业分散、社会影响力有限。2011年中国3D设备保有量仅占全球总量的8.6%,可见这一技术在中国应用领域的推广相对缓慢,与欧美等国家仍存在一定的差距。但随着技术及设备开发的不断进步,中国3D打印市场也呈现良好发展势头,逐步实现了商品化,技术设备在产品设计、快速模具制造、铸造、医学等领域的应用也日趋深入。部分技术处于世界先进水平,其中激光直接加工金属技术发展较快,已基本满足特种零部件的机械性能要求,有望率先应用于航天、航空装备制造;生物细胞3D打印技术取得显著进展,已可以建立制造立体的模拟生物组织。
陕西恒通智能机械(依托西安交通大学)、湖北滨湖机电(依托华中科技大学)等已对3D打印设备进行产业化运作,还有的公司生产的便携式桌面3D打印机价格已具备国际竞争力,成功进入国际市场。一些中小企业购买了国内外各类3D打印设备,专门为相关企业的研发、生产提供服务,其中广东省工业设计中心、深圳普立得科技有限公司等设立了3D打印服务中心,发挥科技人才密集优势,向国内外客户提供了良好服务,取得明显的经济效益
深圳迈普再生医学科技有限公司已初步在实验室进行人体器官打印技术。这是根据个人要求,采用生物打印机将生物材料、细胞等结合,个性化地进行三维复制,打印具有生物活性和正常功能的组织和器官,对受损部位进行修复、替代和再生。目前,该项技术已初步在实验室得到验证,相信在不久的将来,这项技术将可应用于临床。
一台高智能数据读取装置,在对着汽车汽缸体进行扫描的同时,与电脑相连通的快速制造成型机内,汽车汽缸体三维立体模型已逐渐成型,去年5月15日,在烟台开发区先进制造技术创新服务平台启动仪式上,路通公司快速制造国家工程研究中心烟台示范中心展示了其3D打印技术的最新成果。据介绍,该服务平台采取“一院、一站、一所、三中心”的组织架构,依托路通精密、丛林机械等30多家烟台制造骨干企业,着力在仿真模拟、3D打印制造和低压铸造智能化方面实现技术突破。其中,路通精密当年内将申请建设数字化铸造工厂,届时有望成为国内低压铸造领域首家3D打印应用技术的数字化工厂。
首届中国国际技术进出口交易会上,3D打印成为高人气展区,现场展出了许多3D打印的玩具、工艺品等。据了解,这些玩具、工艺品等使用一台小型3D打印机就能完成,每台机器售价在6800元左右。现场还展出了一个为国产大飞机打印的钛合金构件,长度超过3米,这显示了我国在3D打印领域已经获得较大突破。此外,在医学领域,量身打印的钛合金人工骨,也给患者带来福音。
杭州铭展公司作为国内第一家3D打印服务商,为企业提供一体化的3D打印综合解决方案,同类型的公司还包括福斐科技、太尔时代等。与此同时,具有强大科研背景的企业凭借着其独立知识产权异军突起,如华曙高科、紫金立德等高新技术企业也开始逐渐受到市场的广泛认可。
家住天津市西青区的韩冰,自2012年了解到3D打印技术后便迷上了这项技术。他在网上自学了3D打印机的制造方法,并通过网络店商购买了激光切割机和各种配件,历时近4个月、花费2000多元自制一台小型3D打印机。利用这台3D打印机,他可以把计算机里设计好的茶壶、口哨、模型配件等三维图像直接“打印”制作成实物。
我国首台万瓦连续光纤激光器在光谷的武汉锐科问世,标志着中国成为继美国后第二个掌握此技术的国家;苏大维格有类光刻技术的相关积累,与国外厂商技术类似,具备快速切入新行业的特点;中航重机合资成立的中航激光成形制造公司,是国内唯一生产激光喷粉成型设备的公司,已经实现收入;华中数控在国内3D打印研发方面处于领先地位,已展开3D打印设备的开发。国内目前3D打印的重点在于材料部分,低成本的民用材料难以在高端的领域应用,3D打印的耗材非常有限,国内生产材料的企业不多,主要依赖进口,特别是金属材料。目前过小的市场导致企业缺少加大研发投入的能力与动机。
9 3D打印技术的发展前景
3D打印技术被誉为是“改变世界的制造新技术”,是“增材制造”的主要实现形式。区别于传统的“去除型”制造,“增材制造”能简化产品的制造程序,缩短产品的研制周期,提高效率并降低成本。依托于多个学科领域的尖端技术。3D打印在消费电子、航空航天、车辆、家电、生物医学等领域得到了一定应用,对改善制造业的产品设计和制造水平起到了巨大作用,在工程和教学研究等应用领域也占有着独特地位。
人类有移居月球的打算,可是居住基地该如何打造?有一种说法是月球的重力只有地球的六分之一,目前建造房屋的技术,无法打造出适合人类居住的环境。研究认为,未来月球基地只能用3D打印技术来打造,设计理论显示建造月球人类基地的90%材料存在于月球表面,只需要实施3D打印建造的机器人和轻重量建筑组件,比如:膨胀螺丝、实心驳接件、嵌入组件等,这些组件必须从地球运输。
我国3D打印技术领军人物、北京航空航天大学教授王华明认为,现在3D打印这么热,可能与两大因素有关,一是美国总统奥巴马在重振制造业过程中,将3D打印列为重要发力点;二是英国权威机构将3D打印等数字化生产模式列为第三次工业革命的主要内容。
从发展情况来看,3D打印目前仍停留在“高级玩具”阶段,并没有实现完全成熟的产业化。但是,各个区域都非常认可3D打印技术可能带来的改变,这些改变将如何影响现有生产、经济、社会模式是值得关注的问题。
3D打印机目前的实际使用仍属于快速成型范畴,即为企业在生产正式的产品前提供产品原型的制造,业内也将这类原型称作手板。据统计,3D打印机生产的产品中80%依旧是产品原型,仅有20%是最终产品。虽然3D打印机技术近年来已取得不小的进步,比如材料增多、打印机和原材料价格逐渐下降,但从目前看,它依旧是一项年轻的技术,在没有变得更加成熟和廉价前,并不会被企业大规模采用。3D打印——按需定制、以相对低廉的成本制造产品——一度被认为是科幻想象,而现在正逐渐变成现实。这种趋势在今后将逐渐加速。在3D打印技术可以打印假肢、汽车、飞机的今天,它还在创造无限的可能。目前国际新技术发展最具期待的技术3D打印居首,但是,事实上3D打印技术要成为主流的生产制造技术还尚需时日,技术要达到平稳、成熟期可能需要十年左右。
市场研究机构Frost & Sullivan发布了《2012年全球3D打印市场研究报告》,该报告细致讨论了全球3D打印领域的市场动态、成长概况与竞争格局等,对3D打印行业的未来发展趋势进行了预测分析。报告显示,2011年全球个人3D打印设备销售量呈现爆发式增长,销售量从5987台猛增至23265台,增幅接近300%,大幅超过商用3D打印设备增速。从1994年到2011年,全球3D打印机市场规模一直保持高速增长态势,复合增长率达到了17.6%。随着产业从萌芽期向成长期转移,预计未来3D打印市场仍将保持稳定高速增长,预示着广大的市场空间的广大。从2011年全球3D打印设备保有量区域分布分析显示(见图1),美国以37.2%的份额位居第一,其次是欧洲、日本、中国和韩国。同时,根据出货量区域分布分析,美国所占份额高达64.5%,远远超过其他国家和地区。Frost & Sullivan认为,3D打印个体创意需求正在迅速膨胀,有望创建一个属于个体创意制造者的新时代。虽和标准化的流水线制造相比,3D打印在短期内不具备规模生产的经济性,但当这一技术将专业技术封闭的制造大门向普通个体打开时,它能激发出的个性化创意设计是无法想象的。在网络交易平台和“云制造”的辅助下,这些创意可转化为可以盈利的产品,或将以几何级数的速度增长。3D打印技术有望与其他数字化生产模式一起推动并实现更具颠覆性的第三次工业革命。预计到2015年全球市场规模将超过30亿美元。据美国消费者电子协会最新发布的年度报告显示,随着汽车、航空航天、工业和医疗保健等领域市场需求的增加,3D打印服务的社会需求量将逐年增长,有望从2011年的17亿美元增长至2017年的50亿美元。也许新技术的产生和应用引来的经济效应爆发,远快于我们的预期,如曾经的计算机、互联网等。
发达国家面对近年来制造业竞争力下降,大力提倡“再工业化、再制造化”战略,提出智能机器人、人工智能、3D打印是实现数字化制造的关键技术,并希望通过这三大数字化制造技术的突破,巩固和提升制造业的主导权。我国工信部宣称将推动“3D打印”产业化,即将制定路线图和中长期发展战略。科技部公布的《国家高技术研究发展计划(863计划)以及国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》中,3D打印产业首次入选。科技部将3D打印技术纳入国家863计划,表明我国政府决策层开始从战略高度重视和认可3D打印技术,无疑会对该技术进一步成熟和产业化运用起到关键的作用。发展3D打印技术,可以提升我国工业领域的产品开发水平,可以生产出复杂、特殊、个性化产品,有助于攻克技术难关,易形成新的经济增长点;加快3D打印技术发展,推动我国由“工业大国”向“工业强国”的转变;发展3D打印技术,可以提升我国工业领域的产品开发水平,提高工业设计能力,摆脱传统的工业开发方法等等。
随着3D打印技术的普及,大批量的个性化定制将成为重要生产模式,它与现代化服务业的紧密结合将衍生出新的细分产业,新的商业模式,创出新的经济增长点。3D打印技术可能带来的一大挑战,由于人们有了可以随时随地制造自己喜欢的产品的能力,他们将不再依赖于大量廉价生产的一模一样的产品,中国的制造业地位也将发生改变。中国工程院院士卢秉恒说,3D打印的一大特点是“所想即所得”,只要能在电脑里设计出三维模型,3D打印机就能帮你实现。“这可以大大缩短新产品的开发周期,帮助中国企业从制造走向创造。”“未来三年国内3D打印技术市场规模可以达近百亿元,成为全球最大的3D打印市场。”中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军描画这样一个美景。他认为,未来几年国内3D打印技术市场规模将以每年至少一倍以上的速度增长。
(参考文献)略

 
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