建筑模型行业已实现应用3D打印技术

建筑模型行业已实现应用3D打印技术

2013-09-13

何为3D打印技术

  传统打印机打印出的是图纸,3D打印机打印出的正是各种实物模型。3D打印技术发明于上世纪80年代,但它并不是高科技实验室的产物,而是来自一位父亲的家用工作室。目前全球最大3D打印设备商是美国的Stratasys,其创始人斯科特·克伦普在1988年为他女儿做一个玩具青蛙,学过机械工程、做过焊接工作的克伦普决定把聚乙烯、烛蜡混合物装进喷胶枪,一层一层堆叠做出青蛙形状,Stratasys3D打印技术FDM(熔融沉积成型)正是由此发展而来。

3D打印特点

  3D打印技术对于生产者来说,可大幅降低生产成本,提高原材料和能源的使用效率,减少对环境的影响,它还使消费者能根据自己的需求量身定制产品3D打印机既不需要用纸,也不需要用墨,而是通过电子制图、远程数据传输、激光扫描、材料熔化等一系列技术,使特定金属粉或者记忆材料熔化,并按照电子模型图的指示一层层重新叠加起来,最终把电子模型图变成实物。其优点是大大节省工业样品制作时间,且可以“打印”造型复杂的产品。因此许多专家认为,这种技术代表制造业发展新趋势。

3D打印原理

  3D打印是添加剂制造技术的一种形式,在添加剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D打印机相对于其他的添加剂制造技术而言,具有速度快,价格便宜,高易用性等优点。

  3D打印机就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备,功能上与激光成型技术一样,采用分层加工、迭加成形,即通过逐层增加材料来生成3D实体,与传统的去除材料加工技术完全不同。称之为“打印机”是参照了其技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。随着这项技术的不断进步,我们已经能够生产出与原型的外观、感觉和功能极为接近的3D模型。说的简单一点,3D打印是断层扫描的逆过程,断层扫描是把某个东西“切“成无数叠加的片,3D打印就是一片一片的打印,然后叠加到一起,成为一个立体物体。使用3D打印机就像打印一封信:轻点电脑屏幕上的“打印”按钮,一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上,它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在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。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。

3D打印机应用

  3D打印机的应用对象可以是任何行业,只要这些行业需要模型和原型。以色列的Objet公司认为,3D打印机需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。

3D打印机价格

  任何一款新设备要推广普及,必须拥有一个亲民的价格,这也正是3D打印机难以走入家庭的重要原因。最早的Stratasys3D打印机每台售价高达13万美元,别说家庭用户,就连企业用户也对这个售价高昂的新家伙无人问津,Stratasys在成立三年后才卖出自己的第一台3D打印机。

  经过20多年的发展,如今3D打印机早已不是当初的价格,虽然一些用于工业设计、精密程度非常高的3D打印机价格仍然不菲,但作为普通设计公司乃至家庭用户使用的桌面式3D打印机,国外品牌售价基本在2万-5万元不等,而国产3D打印机售价已经来到万元以下。

3D打印机未来有望热销

  Stratasys中国区总经理汪祥艮介绍,3D打印机主要有四个方面的应用:一是概念模型,艺术家搞概念的东西,形状、外体什么样;第二就是结构和外观的测试或者是实验;第三个是一些功能性的测试;第四是直接制造。

  过去的十几年里,3D打印技术的主要使用者是设计师、工程师和科学家,3D打印机可以帮助他们制造一次性的各种产品或模型。比如建筑设计师就可以把设计图上的原稿通过3D打印机做出建筑模型,而科学家甚至可以直接通过3D打印机来制作高科技产品,英国将3D打印拓展到人类胚胎干细胞范围。

打印金属部件,中国也行

  《十二生肖》电影中,成龙通过专业设备将所扫描的铜像进行完美打印。现在扬州是使用光敏树脂材料,打印出来的产品毕竟是塑料的,而工业制造过程中,使用的绝大多数零配件是金属制成品。那么,3D打印技术能打印金属制品吗?

  “国内刚刚研究成金属3D打印技术,是使用钛合金粉末作材料,使用激光打印机打印。而此项技术,以前也一直为外国人垄断。”据了解,国内中航重机不久前刚研制成功钛合金粉末激光3D打印技术,凭此项技术,中航重机获得了国家科学技术奖一等奖。

也能用其他不同材质

  据袁刚介绍,目前支持3D打印的材料很多。简单说,不同公司生产的3D打印机会支持不同的材料,树脂、尼龙、石膏、塑料这些都是普遍使用的材料,随着业界研发的不断进步,支持钛、不锈钢或铝、铁金属材料的打印机也已经出现。

  “但激光器要有足够的能量,且成本很高。”袁刚说,“不过我们若做金属零件一般采用激光制模和精密铸造联动,先用3D打印工艺做一个铸造模具,然后通过石蜡铸造工艺,生产出所需的金属物件。用这种工艺制造的金属零件的强度要比普通铸件强度高,制造成本也比直接打印金属零件要便宜得多。”

应用

  前景广阔 问题犹存

  想象一下,将来你家有这样一台打印机,需要杯子的时候,输入外形数据,就可以打印出一只你想要的杯子。

  但是,“神笔马良”,并不是所有人都能做的。

  困难一 耗材较贵

  耗材比较贵,如果是进口的设备,国外会控制材料,也就是说,买他们的设备一定要搭配耗材。常用的耗材一般有尼龙、光敏树脂、金属等,便宜的尼龙也要几百元/公斤,而贵的光敏树脂、金属等耗材价格高达2000多元/公斤。

  困难二 兼容性差

  不单耗材,一台3D打印机只能用同类耗材,也制约了产业的发展。“快速制造国家工程研究中心扬州示范中心”这台3D打印机,只能用光敏树脂做耗材,这类3D打印机售价高达两百多万元,金属类的3D打印机售价更需要五六百万元。

  困难三 家庭用户使用门槛高

  记者采访了解到,目前家庭使用的3D打印机已经在市面上出现,但价格昂贵,对使用者知识要求较高,因此其进入普通家庭的门槛比较高。

  一款“入门级”扫描设备价格都在十几万元以上,一台桌面级3D打印机也要两三万元。

  袁刚告诉记者,3D打印技术在我国的应用主要在三个方面,一是高端应用,如航空航天产品,二是中端工业应用,如企业新产品开发。三是民用,如在医疗领域。北京等地已经出现了为大众服务的3D打印照相馆。目前扬州只有20家左右企业及个人前来利用3D打印。由于成本及知名度的原因,此项技术还未大规模推广开来。

名词解释

  到底什么是3D打印?在“快速制造国家工程研究中心扬州示范中心”,现场的科技人员给记者进行了一回“科普”: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。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。

  “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,而所谓的3D打印机只是打印材料有些不同。”袁刚介绍说,普通打印机的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”,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。