3D打印机应用领域

1.产品设计领域

3D打印使复杂的产品结构成为可能,同时产品结构设计的一体化趋势逐渐显现。由于目前生产工艺的限制,一般产品大多由若干部件组装起来共同构成产品的主体结构。这种组装结构增加了产品的质量、体积、复杂度和故障几率,同时在生产和装配过程中浪费了大量的材料及能源。
3D打印技术的“加式”方法使产品结构一体化,变得更加简单,甚至某些特殊铰接结构可借助辅助性材料一次成型而无需组装,不仅提高了生产效率,也提高了产品的结构强度和可靠性。

2. 模具制造领域

传统的模具制造方法周期长、成本高,一套简单的塑料注塑模具其价值也在10万元以上。设计上的任何失误反映到模具上都会造成不可挽回的损失。与数控加工相比,3D打印制造技术可以更快更方便的制造出各种复杂的原型。将3D打印制作的样件用于模具制造,一般可使模具制造的成本和周期减少一半,显著提高生产效率。间接用3D打印样件实现快速模具制造的方法一般有硅胶模、环氧树脂模、金属冷喷涂等。由于锻造方法常用来制造形状很复杂的零件,所以3D打印与传统的锻造方法相结合,可解决传统铸造加工困难的瓶颈问题。

3. 汽车领域

利用3D打印技术生产汽车零部件可快速成形,特别是在设计早期验证产品装配可行性时,能及时发现产品设计差错,缩短开发周期,降低研发成本,快速验证关键、复杂零部件或样机的原理及可行性,例如缸盖、同步器开发,以及橡胶、塑料类零件的单件生产,无需金属加工或任何模具,免去了模具开发、铸造、锻造等繁杂工序,省去试制环节中大量的人员、设备投入。

4. 在航空领域的应用

波音公司已经利用3D打印技术制造出300种左右的飞机零部件,同时波音公司正在与霍尼韦尔公司研究利用3D打印技术打印飞机机翼等更大型的产品。空客公司最近提出“透明飞机概念”计划,即先打印飞机的小部件,然后一步步发展,到2050左右利用3D打印技术打印出整架飞机。由于概念飞机本身结构的复杂性,采用传统制造方法难以实现,比如能让乘客看到周围蓝天白云的透明机壳、仿生的弯曲机身等,采用3D打印技术都可以实现其制造。在国内,西北工业大学黄卫东教授团队利用3D打印技术,制造出长达5m的钛合金机翼前缘,并且通过了中国商用飞机公司的5项测试,其性能略高于此前业界常用的锻造件;北京航空航天大学王华明教授团队,针对大型飞机、航空发动机等国家重大战略项目,经过多年研究,在国际上首次全面突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂整体关键构件激光成形工艺、成套装备和应用关键技术,并已在飞机大型构件生产中研发出五代、10余型装备系统,已经接受近10年的工程实际应用考验,使我国成为迄今唯一掌握大型整体钛合金关键构件激光成形技术并成功实现装机工程应用的国家。

5. 在医学领域的应用

3D打印技术在打印牙齿、骨骼修复等方面的技术已经比较成熟。同时,3D打印技术在打印细胞、软组织、器官等方面也有所发展。
2013年,来自杭州电子科技大学等高校的科学家研发出中国首台自主知识产权细胞组织
3D打印机,该3D打印机使用生物医用高分子材料、无机材料、水凝胶材料或活细胞,目前已成功打印出较小比例的人类耳朵软骨组织、肝脏单元等。

6.在建筑领域应用

当前应用于建筑领域的3D打印技术主要有三种:D型工艺、轮廓工艺和混凝土打印。

D型工艺由意大利发明家恩里克·迪尼发明.

D型工艺打印机的底部有数百个喷嘴,可喷射出镁质黏合物,在黏合物上喷撒砂子可逐渐铸成石质固体,通过一层层黏合物和砂子的结合,最终形成石质建筑物。工作状态下,三维打印机沿着水平轴梁和4个垂直柱往返移动,打印机喷头每打印一层时仅形成5mm~10mm的厚度。打印机操作可由电脑CAD制图软件操控,建造完毕后建筑体的质地类似于大理石,比混凝土的强度更高,并且不需要内置铁管进行加固。事实上这种方法类似于选择性粉末沉积,打印所使用的材料为氯氧镁水泥。目前,这种打印机已成功地建造出内曲线、分割体、导管和中空柱等建筑结构。
2013年1月份,一位荷兰建筑师与恩里克·迪尼合作,尝试运用D型工艺技术建造一栋建筑,命名为“Landscape House”,预期在2014年完成。该工艺甚至可以用于建筑人类在月球上的居所。

“轮廓工艺”是由美国南加州大学工业与系统工程教授比洛克·霍什内维斯提出的。

与D型工艺不同是,轮廓工艺的材料都是从喷嘴中挤出的,喷嘴会根据设计图的指示,在指定地点喷出混凝土材料,就像在桌子上挤出一圈牙膏一样。
然后,喷嘴两侧附带的刮铲会自动伸出,规整混凝土的形状。这样一层层的建筑材料砌上去就形成了外墙,再扣上屋顶,一座房子就建好了。轮廓工艺的特点在于它不需要使用模具,打印机打印出来的建筑物轮廓将成为建筑物的一部分,研发者认为这样将会大大提升建筑效率。目前,运用该技术已经可以打印墙体,而且该团队正在与美国宇航局合作,试图将轮廓技术运用到美国未来“火星之家”项目中,建造人类在火星上的居所。

混凝土打印由英国拉夫堡大学建筑工程学院提出.

该技术与轮廓工艺相似,使用喷嘴挤压出混凝土通过层叠法建造构件。该团队研发出一种适合3D打印的聚丙烯纤维混凝土,并测试了这种混凝土的密度、抗压,抗折强度,层间的粘结强度等物理性质,证实该混凝土可以用于混凝土打印技术。目前该团队用混凝土打印技术制造出了混凝土构件。
2014年8月21日,苏州的建筑材料公司盈创使用一台巨大的3D打印机,采用特殊的墨水—混凝土进行打印,在一天内主要利用可回收材料,建造了10栋200平方米的毛坯房,展示了3D打印机的强大功能。

图1.盈创公司用3D打印技术生产的建筑构件和用构件组装的房屋.png

7.在军事领域应用

在军事领域,3D打印技术给装备保障带来的变化无疑也是革命性的。在未来信息化战场上,无论武器装备处于任何位置,一旦需要更换损毁的零部件,技术保障人员可随时利用携带的3D打印机,直接把所需的部件一个一个地打印出来,装配起来就可以让武器装备重新投入战场。(据外媒报道,美国陆军已经加入扩展3D打印行动,为“增强小型前线作战基地的可持续作战能力”,2012年,他们先后向阿富汗战区部署了两个移动远征实验室,实验室由一个6m的集装箱制成,配备有实验室设备、成型机、3D打印机和其他制造工具,可以将塑料、钢铁和铝等材料打印为战场急需零部件。)

8. 在食品领域应用

3D打印在食品领域也有成功的应用,做成的鲜肉特别有弹性,而且烹饪后肉质松散有嚼头,丝毫不逊于真正的肉。美国泰尔基金会近日已投资成立了“鲜肉3D打印技术公司”,希望能够为大众提供安全放心的猪肉产品;德国科技公司Biozoon最近推出了一种叫
“Smoothfood”的3D打印食品,以解决老人的进食困难问题,为进食困难的老年人带来福音,这种食品的制作方法是:将食品原料液化并凝结成胶状物,然后通过3D打印技术制造出各种各样的食物。这种食物很容易咀嚼和吞咽,很可能成为老人护理行业的革新者;国内福建省蓝天农场食品有限公司利用3D打印技术做出色彩缤纷的个性化饼干,受到儿童和年轻女孩的喜爱,市场销路非常好。

9. 在考古文物领域的应用

3D打印技术在考古文物领域主要用于修复已经破损的古文物。在应用3D打印技术进行文物修复时,需要使用3D扫描仪扫描破损文物,完成数据采集,并处理数据,建立相应的模型之后进行打印美国哈佛大学闪族博物馆的两位研究人员通过3D打印修复了一个3000年前被打碎的瓷器狮子(如图2所示)杭州铭展科技有限公司采用3D打印技术修复的天龙山石窟的石像(如图3所示)古文物的修复展示了3D打印技术在保存物质文化方面的作用。

图2.瓷狮子修复png
图3.天龙山石窟的破损石像和复原石像对比图png

10. 在时尚界中的应用

3D打印技术在时尚界主要用于制作个性化的衣服鞋子等时尚品。目前,3D打印技术主要是应用尼龙蜡ABS聚碳酸酯金属和陶瓷等粉末材料,采用选择性激光烧结成型的技术制作衣服和鞋子,如美国Continuum Fashion工作室打印的3D时尚凉鞋(图4),首款3D打印礼服(图5),3D打印技术在时尚界引起轰动。

图4.时尚凉鞋png
图5. 时尚晚礼服png

11. 在日常生活中的应用

3D打印技术在日常生活用品中主要用于制作个性饰品,如个性笔筒手机外壳戒指以及各种饰品都可以通过3D打印技术打印出来
.图6是3D打印一次性打印的音乐扩音器,该扩音器外壳电线膜片磁体都是打印的,它是一个集成的系统不是一个无源的部件,属于消费级别的电子产品。在未来的几年,这种个性化的生活品可能更加流行。

图6.音乐扩音器png

12.IT应用

最近,迪士尼的一组研究人员利用3D打印技术在与有机玻璃同样效果的高透光塑料上,以低廉造价打印出了L C D屏幕与多种传感器,实现了I T应用中的新突破。利用3D打印光导管可以制造出高科技的国际象棋,这些国际象棋的棋子可以侦测并显示当前位置。尽管这种单色屏与日常生活中见到丰富多彩的显示屏相比有些微不足道,但其拥有3D打印技术成本低廉、制造工艺简单的优势。除了显示屏,利用3D打印技术还能够打印出多种传感器。这些传感器可以通过红外光来侦测触摸、振动等刺激,并将结果输出。3D打印技术必将为智慧生活和智慧城市创造出更多的IT应用。

13.在制造业的应用

3D打印技术在制造业主要用于控制大规模生产质量,降低传统制造业的制作成本,提高速度和精确度。从3D打印技术造出世界首艘3D打印皮划艇,并且成功下水开,到世界上首辆3D打印汽车Urbee在加拿大亮相,3D打印技术对传统制造业产生了一种颠覆性的变革 3D打印技术通过软件将材料一层层堆积制作出产品,无需对材料切割、锻打组装等工序,节约人力资源,提高了产品的生产效率。
康奈尔大学创意机器人实验室HodLipson提出使用3D打印技术打印机器人的零部件,比如电池电线,甚至微处理器等,打印机不仅可以打印出形状随意的机器人,也可以一次性打印而成机器人所有的机械装置和内部部件,并在打印出来时就完全装配好,无需组装过程(如图7所示)打印机还可以打印出如图8所示的仅3克重的轻便型的机器人,该机器人制动翅膀在空中自由飞行可以持续90秒,除了发动机和电池,其他部分都是打印出来的。


图7.3D打印机器人png
图8.轻便型机器人png

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