3D打印在生产工业社会文化的应用

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3D打印应用在很多领域,同时也派生出许多应用服务。

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生产应用

增量制造技术的应用始于20世纪80年代,涵盖产品开发,数据可视化,快速成型和特殊产品制造领域。在90年代增量制造技术在生产领域的应用有了进一步发展。21世纪早期增量生产在工业生产的金属加工领域也第一次达到了前所未有的规模。21世纪初,增量制造相关器械销量大幅增加,价格大幅下降。年3D打印机和3D打印服务在全球的价值为22亿美元,比年增加29%。增量制造技术同时也派生出许多应用服务,涵盖建筑、工程建造(AEC)、工业设计、汽车、航空、军事、工程学、口腔和医药工业、生物科技(人体器官移植)、时尚、鞋类、珠宝、眼镜、教务、地理信息系统、饮食等领域。分布式制造:

可以这么理解,例如你在北京,你设计好一个模型但是没有机器来打印,深圳这里有机器,你就可以把模型的数据发深圳来打印,再通过物流送到北京。

大规模定制:

客户只需使用简单的网页定制软件即可定制特殊的3D物体。

例如,小米公司推出其手机的3D设计图,消费者可以在线设计,据此设计打印自己的手机套。传统的注塑生产不能满足大规模批量小的个性化生产。

快速制造:

快速生产是一种新型生产法,3D打印技术正在进入快速生产领域。

快速成型:

20世纪80年代早期工业打印机就已经存在,并广泛地应用于快速成型和学术研究当中。这种打印机体积较大,使用特殊的金属粉末,铸模介质(沙粒等),塑料,纸张和墨盒,应用于大学和商业机构的快速成型实践当中。

研究:

3D打印因其能制作专业化、定制的几何形状,对研究实验室特别有用。

食品:

3D打印机可以进行定制食物的生产。3D食物打印机正在研发过程中,可以把巧克力、糖果、意大利面条、饺子、起司、比萨饼等食物一层一层地“挤”出来。有一类的食品打印机是打印糊状的食品,平台是可以加热到一定温度的,喷嘴喷出糊状物,接触到平台时就被加热,厚度大的要在打印完成后进行翻转加热。

未来可能利用化学物质作为3D打印机的“墨水”,进而生产药物。

MakerChef3D设计厨艺公开比赛:MakerChef3D设计厨艺公开比赛,是由主办单位WEWALab“电创坊”于年在香港透过创客活动平台MakerFaireHongKong举办全球首个结合传统烹饪与3D打印技术的比赛。MakerChef第一及第二届均以制作3D曲奇为比赛题材,参赛者自由想出一个主题,然后进行制作。把曲奇饼的材料搅拌混合,放入3D食物打印机制作出成品,然后加工,评判以设计、创意、食材及味道等方面评分。

3D打印的曲奇饼

目前已举办第二届比赛,设有学界及公开组别,以意念设计、电脑3D绘图、打印及后工序处理等方面评分。

3D食物打印的制作过程:参赛者先用电脑3D设计软件绘图,再将绘画好的3D食物模型档案输入3D食物打印机并读取模型的长度、阔度及厚度等参数。参赛者将预先搅拌好的食物材料放入食材料管,按设计模型逐层地打印出来,造出各种食品形状。最后打印完成的食物(曲奇)经焗炉烤焗完成。食品打印机和参赛者在准备材料:

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工业应用

服装:3D打印逐渐应用到服装领域。耐克在年为美国球员设计的VaporLaser的制模和生产中,就利用了3D打印技术,同样的,还有NewBalance利用3D技术进行运动员专用跑鞋的私人定制生产。

NikeVaporLaser

汽车:年年初,瑞典超级跑车生产商柯尼赛格发布了新车One:1,其中使用了许多3D打印的零部件。在柯尼赛格生产的汽车中,One:1拥有3D打印的测镜内零件,风道,钛排气部件,和全套的涡轮增压器组装线。柯尼赛格One:1

使用快速成型工业KUKA机器人制造的AudiRSQ汽车

飞机:年5月,空中客车公司宣布其最新机种空中客车AXWB包括超过的部件由3D打印制造。

空中客车AXWB

建筑:在制作过程中,可以达到零建筑废料,因此成为未来建筑的方向。

设计的模型使用3D打印技术打印出来,可以减少50%到80%的生产时间,做出比加工件轻60%且坚固的比例模型。这样,设计和模型就只受人的想象力限制了。

历史建筑的纪录过去常以图面或照片等平面信息纪录,现代因科技发展而有3D扫描技术可较精准地将历史建筑数字化进行数字典藏,而以此为基础之数据除可妥善保存外,亦可直接或经处理后成为3D数字模型,现在透过3D打印机可将原本仅存在数字世界中的数据实体化,数字化的制造过程更可将人为的误差降到最低,免除过去建筑模入的人为意识或变更产生与实体不符之状况。

巴黎圣母院大火

电动汽车与发电机:有些要求所用核心材料的性状(如材料密度,非结晶性,毫微结晶原子结构,材料分离性等)在生产过程中保持不变。这种打印要求或许只能采用不改变核心材料性质的混合3D打印技术,例如烧结,熔合,沉积等。

武器:设计一种实用型塑料枪,只要使用3D打印机就可以进行下载和复制生产。3D打印使普通消费者也能接触到数控机床的生产过程。

医疗器械:“人工手”-3D打印的义肢用于受伤的治疗上,帮助受伤的人恢复功能。

生物打印:借助3D生物打印机,制造出细胞支架,再将细胞种入支架中,使细胞得以生长的技术。3D生物打印运用层积制造法,利用生物墨水,制造出仿效活组织的细胞支架,在医疗以及组织工程领域有极大应用。

生物打印使用了许多不同的材料。目前生物打印可以用于打印用于药物试验的组织和器官。此外,3D生物打印也能制作细胞支架。这些支架可以应用在关节软骨或韧带再生技术。第一个与生物打印相关的专利在年于美国提出申请,并在年5月30日获得核准。

3D生物打印机

3D生物打印一般有以下三步骤:

1-生物打印前2-生物打印中3-生物打印后。生物打印前:需要先计划细胞支架的结构并选择打印中会使用到的材质。开始打印前,要先取得患者器官的组织检体和医学影像。使用电脑断层和核磁共振取得患者的医学影像,是最常见的方法。取得影像后,利用软件将平面的医学影像重建出立体结构,并分离出预计要培养的细胞并加以增量后,便完成打印前的准备。这些细胞将和液态的特殊生物材质,在细胞混合器中混合。这种特殊生物材质能提供,细胞生存所需的氧气与其他营养物质。在某些特殊情况,细胞甚至会被放入直径微米的小球中,被保护起来。混入液体凝胶中的细胞并不需要细胞支架即可生存。这些细胞和营养基质的混合物将被放入管状的容器中,在打印的过程被挤压出来,以形成组织的形状。生物打印中:生物打印第二步骤,将应用到生物墨水。生物墨水指的就是细胞与维生物质混合的液体基质,在第二步骤中,生物墨水将被放在生物打印机的墨水匣中,依照患者的医学影像资料,依序打印。生物打印所制造出来的初始组织物,将被送入细胞培养器中,慢慢地将充满细胞的初始组织培育成真正的组织。

生物打印常常会需要将细胞平均散布到生物相容的支架上,这些生物相容的支架由积层制造法制造而成,最终形成了立体的组织似的架构。生物打印所制造的人工肝脏与人工肾脏,目前仍旧缺乏像是血管或是肾小管等的功能性单位,而且非常难以培育成多细胞的完整器官。

电脑和机器人:3D打印技术可以用来制造笔记本电脑和台式电脑,例子有Novena和VIAOpenBook标准笔记本机箱。即可以购买Novena主板用在打印的VIAOpenBook机箱中。

Novena

开源机器人是使用3D打印机构建的。

开源机器人Rhinobot

太空:

年9月,钢铁侠马斯克的SpaceX公司将首批零重力3D打印机交付到国际空间站。

国际空间站

年12月19日,NASA通过电子邮件把套筒扳手的CAD图纸发送给了国际空间站上的宇航员,他们之后用3D打印机打印了这个工具。太空中的应用使得可以就地打印破损的零件或工具,而不是用火箭为太空任务把提前制作好的物品带到月球、火星或其他人类群落。

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社会文化应用

艺术:3D打印在定制礼品行业越来越流行,产品如个性化手机套和娃娃,以及3D打印的巧克力。3D扫描技术可以应用到真实物体的复制中,比传统的制模技术价格便宜,难度低,可操作性好。传统技术对物体进行复制操作难度大,而一些珍贵易碎文物的复制要求避免与制模材料的直接接触以防止对文物表面的伤害,操作难度就更大了。

图中为3D打印的限量版首饰。这串项链的原材料为玻璃纤维填充的染色尼龙。把材料串起来的挂绳同材料本身一样,也是3D打印出来的。

制作的3D自拍

扫描过的棘龙颅骨打印为两种尺寸

通讯:波导管,耦合器,可曲波导管等兆赫兹设备已经可以利用3D打印的增量层次技术进行生产,这是传统组装工艺做不到的。

家用:3D打印渐渐应用到日常生活中,很多孩子很小就能接触到相关产品。随着发展与不断创新,3D打印技术在家庭中的应用会越来越多。

教育研究:3D打印让学生可以不再使用昂贵的用传统减量方法制作的模型,而是利用3D技术直接设计和打印模型。这种课堂环境可以让学生学习和使用3D打印的新应用。有学者认为3D打印和设计能够提升孩童的认知和创造力,帮助他们更好的适应当今的互联信息化社会。

环境:在巴林群岛,3D打印已经投入大规模的使用,以类似砂岩的材料作为原料,生产珊瑚形状的结构,吸引珊瑚虫再次繁殖生产,来弥补已经被破坏的珊瑚礁。这些结构比用来制造人工鱼礁的其他结构更加自然的形状,并且与混凝土不同,pH值显中性。

特性材料:供消费者使用的3D打印中,引进了3D打印机专用材料。例如,用丝状物质模仿木质品的外观和质地。此外,注入式碳纤维等新科技应用到打印塑料当中,可减轻塑料重量,提高强度。

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本文参考维基百科及网络资源

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