话说3D 打印高新技术:发展历程

2021年09月06日 10:54 6965次浏览 来源:   分类: 新材料前沿   作者:

导读: 3D打印是一种以数字模型文件为基础,采用数字技术材料打印机实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后来逐渐用于直接制造一些产品与零部件。从打印一些装饰件、鞋类,而后扩大到工业设计、建筑结构、工程机械、汽车自行车、航空航天器、牙科和医疗器械、教学用品、地理信息系统、武器装备等领域都有所应用,已成为一种万能的制造工艺。


3D打印的世界首辆汽车Urbee。


空间站用的3D打印机。


3D打印是一种以数字模型文件为基础,采用数字技术材料打印机实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后来逐渐用于直接制造一些产品与零部件。从打印一些装饰件、鞋类,而后扩大到工业设计、建筑结构、工程机械、汽车自行车、航空航天器、牙科和医疗器械、教学用品、地理信息系统、武器装备等领域都有所应用,已成为一种万能的制造工艺。

3D打印技术发展过程中,立体光固化成型法(SLAStereo Lithography Appearance) 是最早被使用的,将特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由点到线,由线到面依次凝固,完成一个层面的绘图,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面,这样层层叠加构成一个三维(3D)实体。

SLA3D打印的原料为液态光敏树脂,其工艺过程:首先通过CAD(计算机辅助设计,Computer Aided  Design)设计出三维实体模型,利用离散程序切片处理模型,设计扫描路径,产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动;激光光束通过数控装置控制的扫描器,按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面,使表面特定区域内的一层树脂固化,当一层加工完成后,就形成零件的一个截面;然后升降一定距离,在固化层上覆盖另一层液态树脂,再进行第二层扫描,第二层固化层牢牢粘结于前一固化层上,如此这般一层又一层地叠加而成三维工件原型。将原型件从树脂中取出后,进行固化、打磨、再电镀、喷漆、着色,便完成制造,得到了符合要求的商品工件。

SLA技术主要用于制备模具、模型等,还可以向原料中加入其它成分,用SLA原型模取代熔模铸造的蜡模。SLA法成形速度快,精度也高,不过树脂固化时会产生收缩,从而产生应力,引起变形,因而应开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料。

国外3D打印技术发展概要

3D打印技术是20世纪80年代中期才在美国诞生的,至今还不到40 年,但发展极快,国外工业发达国家 3D打印产品和服务收入年复合增长率约25%,例如,2013年的销售额为28.43亿美元,比2012年的22.04亿美元上升了29%,美国是应用最多的国家,其次是以色列和欧洲经济共同体,中国占的市场份额小,2020年占的份额可能还不到10%,比日本的还小一些,而美国则占全球份额的约60%。据有关公司预测,2021年全世界的销售收入将达到108亿美元。今后二三十年内中国3D技术的发展速度将居全球之冠。

1986年,美国科学家查尔斯·赫尔(Charles Hull)制成首台商业3D 打印机。

1993年美国麻省理工学院获3D 打印技术专利。

1995年,美图Z公司(Z Corp)从麻省理工学院获得唯一3D打印技术专利授权,开始研发3D打印机。

2005Z Corp公司研发的并推向市场的首款高清晰彩色3D打印机Spectrum Z 510问世。

201011月,美国Z Corp公司吉姆·科(Jim Kor)团队打印成功世界上首辆3D打印汽车厄比(Urbee)。

201166日,全球第一款3D打印的比基尼诞生。

20117月英国科学家制成世界上首台巧克力打印机。

20118月英国南安普敦(South ampton)大学的科学家开发出世界上第一架3D打印的飞机,可不是小孩玩的飞机。

201211月,苏格兰科学家和医学家利用人体细胞首次采用3D打印机成功打印人造肝脏组织。

201310月,纽约拍卖行成功拍卖全球首款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。

201311月,美国得克萨斯州奥斯汀市(Austin3D打印公司利用“固体概念(Solid Concepts)”设计制出3D打印金属手枪。

201881起,3D打印枪支在美国是合法的,成为管控对象,3D打印手枪设计图可以在互联网上自由下载。

20181210日,俄罗斯宇航员利用国际空间站上的3D生物打印机在零重力环境打印出实验鼠的甲状腺。

2019114日,美国加利福尼亚大学圣迭戈(San Diego)分校在《自然医学》上发表论文,首次利用快速打印技术,制造成功模仿中枢神经系统结构的脊髓支架,在装以神经干细胞后将其植入严重受损的大鼠脊柱内,成功使大鼠恢复了运动功能。该支架仿照中枢神经系统结构设计,圆形,厚仅2mm,支架中间呈H形,周围有数十个直径约200μm的通道,用于引导植入的神经干细胞和轴突沿着脊髓损伤部位生长。

2019415日,以色列特拉维夫(Tel Aviv)大学科学家以病人自身的组织打印成功全球第一颗拥有细胞、血管、心室和心房的“完整心脏”。

20199月在欧洲自行车展览会(Eurobike)上,阿里沃(Arevo)公司展出了3D打印自行车车架,用碳纤维打印,以及3D打印热塑性轮辋。

20213月法国赛峰起落架系统公司为公务机制成首个3D打印的大型钛合金前起落架壳体,尺寸为455mm×295mm×805mm,其质量比铝合金锻造的轻15%,计划在2022年对其进行测试,这是认证过程中的关键一步。

中国3D打印技术拾零

笔者对中国3D打印产业并没有系统资料,下面介绍的仅是一些不全面的情况,但由这几则例子也足以看出,中国在3D打印技术领域虽不是领跑者,但已跻身先进之林。

20141月,3D打印的几栋精致建筑物在苏州工业园区现身,包括一栋1100m2的别墅和一栋6层居民楼,它们的墙体由大型3D打印机一层又一层喷绘而成,而打印使用的“油墨”全由建筑垃圾制成。

20148月,103D打印建筑在上海张江高新青浦园区内交工,作为当地动迁工程办公用房,其墙体是用建筑垃圾制成的特种“油墨”打印的,按照电脑设计的图纸和方案,由一台大型3D打印机层层叠加喷绘而成,仅用了24h就打印成了10栋办公用的建筑。

2015717日上午,由3D打印的模块新材料别墅现身西安市,搭建这座别墅仅用了3h,打印方说:这座3h建成的精装别墅,只要摆上家具就可以拎包入住。

2016419日,中国科学院重庆绿色智能技术研究院3D打印技术研究中心对外宣称,经过该院和中科院空间应用中心2年多的研制,并在法国波尔多完成抛物线失重试验, 中国首台空间在轨3D打印机宣告研制成功,可打印最大零部件尺寸为200mm×130mm,可以帮助航天员在失重环境下自制所需的零件,显著提高了空间站实验的灵活性,减少了空间站备品备件的种类和数量,降低了空间站对地面补给的依赖性。

这台3D打印机装于202055日首飞成功的长征五号B运载火箭的新一代载人飞船试验舱内,是中国首次太空3D打印实验,也是世界上第一次在太空开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。

3D打印头盖骨等。中国在3D打印钛材人体器官方面成就非凡,处于世界领先水平,2014828日陕西周至农民在修理房屋时左头盖被砸坏,后用3D打印钛网重建缺损颅眶骨,制作出缺损的左“脑盖”,得到治疗与恢复容貌。

3D打印的钛脊椎植入一名12岁男孩体内。20148月,北京大学医学研究团队为一名12岁男孩成功地植入了3D打印钛脊椎,属全球首例。

201510月,中国“863计划”3D打印血管项目取得长足进展,世界首创的3D生物血管打印机由四川蓝光英诺生物科技股份有限公司成功研制问世,可在短短的2min打印出100 mm长的血管,同时所制血管拥有独特的中空结构、多层不同种类细胞,这都属世界首创。

一体化3D打印的10m级高强铝合金重型运载火箭连接环样件。20211月中国增材制造创新中心、西安交通大学卢秉恒院士团队采用3D打印技术制成了世界上首件10m级高强铝合金2219重型运载火箭连接环样件。

他们利用电弧熔丝增减材一体化制造技术,在整体制造工艺的稳定性、精度控制及变形与应力调控等方面均有重大技术突破与创新。该样件重约 1t,创新采用多丝协同工艺装备,大大简化了打印工艺,成本也大幅下降,制造周期缩短到30天。

中国铝合金、钛及钛合金3D打印产品领域制造技术已跻身世界先进行列,但在整体研发能力与制造技术方面,与美国及以色列相比还有一定的差距。

责任编辑:杨一鸣

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