3D打印技术的新发展带来了哪些新的工业机遇?

今年5月初,中国第一枚成功的长征五号乙运载火箭搭载了新一代载人飞船试验船,并首次在试验船上搭载了“3D打印机”。

中国首个“空间3D打印”实验也是首个连续纤维增强复合材料在空间的国际3D打印实验。其主要目的是支持未来空间站的长期在轨运行,并发展空间超大型结构的在轨制造和扩展。

这相当于计划在太空建造一座建筑工厂,并直接为空间站提供建筑材料,而不是从地球上发射重型设备,并且直接提供“建筑材料”可以维持空间站的建设。

3D打印技术、15年至16年间一度在科技界流行的黑色技术,以及同样流行的无人机和虚拟现实眼镜等设备,一度成为利基技术爱好者种草的新技术。

然而,经过几年的观察,3D打印技术并没有迎来消费行业的爆发。对大多数人来说,启动入门级3D打印机的成本并不高,但使用场景和要求却非常尴尬。廉价的工业产品基本可以满足日常需求,而个性化产品往往对设计和工艺要求很高,普通设备难以处理。

然而,3D打印技术一直在不断发展,并正在成为许多科技领域和制造企业的标准配置。我们不妨深入3D打印技术,看看这种一度备受推崇的黑色技术取得了哪些新进展,以及未来技术大规模产业化有哪些新的可能性?

3D打印:颠覆传统制造业中的古腾堡革命

顾名思义,3D打印不同于我们的平面打印,它是在三维空间中创造事物。它的技术原理也很简单,最直观的理解是,做蛋糕的人挤出一点奶油来形成各种形状的管道。然而,3D打印可以使用更多的材料,制造更复杂的物品。然而,这仍然无法理解3D打印给制造业带来的革命性变化。

传统制造业有两个制造过程,一个是同等材料制造,另一个是缩减材料制造。

同等材料制造意味着加工前后没有材料损失。就像古代铸剑一样,铜或铁被熔化,倒入研磨工具中,然后不断地敲打和淬火。铸剑的重量与原始材料的重量相似,属于同等材料制造。这种工艺已有3000多年的历史,其特点是局限性大,可制造的工具有限。

材料还原制造是随着工业革命的发展而出现的一种新技术,即在零件和工具的制造过程中,材料被以各种方式切割以获得期望的形状,因此材料消耗将会发生。例如,在现代金属制造中,使用切削技术,如车削、刨削、磨削和钻孔,这就是这种材料减少制造。虽然这种工艺只持续了300年,但它把整个世界带进了工业时代。

不同于同等材料制造和缩减材料制造的过程,3D打印带来了一种全新的制造方法,——添加技术。3D打印技术也称为附加制造,即通过自下而上的打印过程来制造产品,它可以制造传统工艺难以实现的复杂结构。这项技术被称为“第三次工业革命”的颠覆性技术,正如“古腾堡印刷机”的发明带来了西方文明的进步。

以3D打印为代表的添加剂制造代表了生产方法的颠覆性变化,主要体现在以下几个方面:

首先,3D打印可以完成无损生产。例如,最初制造涡轮发动机时,传统的材料还原工艺使用300千克原材料,最终生产出50千克成品。和3D pr

第二,3D打印可以满足大规模定制的需求。只要商品价格相同,人们就会更愿意购买个性化和定制化的设计产品。设计方面将大大发展,而3D打印和耗材的普及将大大降低生产成本。在未来,无论是服装设计、家居装饰还是日常用品,各个行业的企业都可以提供尽可能多的定制解决方案来满足消费者的个性化需求。

第三,3D打印可以完成复杂的工艺生产。由于3D打印级联打印的生产特性,几乎可以打印出无比复杂的内部结构和纹理,就像传统工艺需要精细的镂空设计一样,这对于3D打印来说是一件简单的事情。例如,在保护珊瑚礁方面,以前的方案是人们用混凝土和其他东西代替珊瑚礁,但他们不能模拟原始珊瑚礁的小洞穴,让鱼藏起来。然而,一些海洋生物学家可以利用3D打印技术和砂岩作为材料来打印各种形状的珊瑚礁,从而完美地解决了这个问题。制造超复杂和特殊形状的物体已经成为3D打印技术的独特优势。

因此,在日常生活中使用3D打印制作肖像、漫画和打印各种物品只能发挥3D打印技术的罕见能力。我们可以继续快速了解3D技术今天可以实现的一些功能。

3D打印的新进展:新光固化、微尺度多材料和4D活化技术

3D打印的概念提出和技术成熟已经有一百多年的历史了。1892年,美国专利局注册了一项通过层压制作3D地图模型的专利技术,这成为3D打印技术的最初形式。直到20世纪80年代,3D打印技术才真正开始成熟。

1984年,美国科学家查尔斯赫尔发明了立体平版印刷术(SLA),利用光催化光敏树脂,然后形成它,并首次尝试将3D印刷商业化。1986年,美国赫利斯公司开发了分层固体制造技术(LOM)。1988年,美国人斯科特克虏伯发明了熔融沉积成型(FDM),1992年,他引进了第一台基于FDM的3D工业打印机。

此后,3D打印技术进入了快速迭代发展时期,如激光烧结技术、紫外光传感和液滴喷射综合技术,极大地提高了制造精度和范围。到2007年,一些公司试图用3D打印机制造另一台3D打印机。到2012年,3D打印机可以打印出完整的汽车和飞机,还可以打印出人体的下颌假体,并利用人体细胞制造人工肝组织。

值得一提的是,2015年,美国一家名为Carbon3D的公司发布了一种新的光固化技术,即——连续液体界面制造(CLIP),其速度比以前的任何3D打印技术都快25到100倍。

(碳3D树脂加速3D打印机)

在这种方法中,可以将工作台浸入树脂容器中,然后用投影仪通过容器底部的透明窗口将预编程图像照射到工作台上。然后,通过激光照射一次固定一层树脂。由于底部窗口可以穿透中央企业的窗口区域,工作台将持续上升并将完成的部分从液态树脂中拉出。

(目前世界上最快的树脂3D打印机)

基于这项技术,西北大学的化学家查德米尔金和他的同事开发了一种新型高速树脂3D打印机,比2015年的设备快十倍。米尔金选择在容器底部泵入一层清水,以防止聚合物反应。同时,这层油还起到冷却剂的作用,带走印刷过程中产生的热量,防止印刷部件变形。这也意味着该打印机不仅可以打印厌氧树脂,而且为3D打印的新材料开辟了广阔的空间。

3D打印的另一个发展是各种粘性材料的3D打印,它可以在微米级上控制打印对象的材料属性。

今年年初,《自然》杂志发布了这种新的印刷技术,它可以用一个喷嘴在各种粘性材料之间快速切换,也可以使用多个喷嘴,大大减少了特定结构的印刷时间。这项技术的灵感来自3D打印软件或生物材料的“墨水直写”过程,但难点在于如何以高频率切换多种材料。研究小组开发了一种微流体喷嘴,这种喷嘴可以有多达八种粘性流体,在喷嘴顶端形成相互分离的细丝。其工作原理是将不同的流体依次加压,物料可以在最高50Hz的频率下切换,印刷特性刻度可达250微米。

该切换频率足够高以打印“类体素”结构——,即,表示3D网格中的结构的每个点(体素)可以具有不同的材料属性,从而使得可以精确地控制各种3D打印的局部材料属性,例如使用具有不同硬度的材料来使纸通过折叠折叠,以及使用由具有不同硬度的硅胶制成的软机器人。

新材料的应用给3D打印增加了一个新的维度,即及时性。也就是说,通过结合形状记忆聚合物,这些材料将在环境温度和湿度变化时发生反应,从而使3D打印物体具有一定的机械运动能力。这项技术可以称为4D印刷。

一种4D印刷方法是引入变化的外部磁场来触发该动作。其中一个3D印刷网格结构可以填充有随着磁场而硬化的液体。如果它在受到冲击时变硬,它可以用于保护未来的汽车座椅。

更有希望的4D印刷可以应用于人体器官,包括可压缩和可膨胀的血管支架,其可以在打开和膨胀结构之前精确地控制其到达血管的指定位置。目前,图像宽度仅为50微米的4D印刷支架已经实现了对皮肤、肝脏器官和组织的印刷,但最雄心勃勃的发展方向是印刷完整的功能性人体器官,但目前的技术还远未达到应用于人体器官移植的水平。

新技术的发明促进了新材料的应用,新材料的应用将创新各种产品特性。当3D打印技术越来越多地从微观层面控制对象的构成,即打印由不同材料和不同特性组成的对象时,它将不可避免地给许多材料和制造行业带来新的可能性。

3D打印新工业机器:新生产模式和新供应链模式

当3D打印技术达到微米级、多材料和活性材料集成的创新节点时,3D打印在工业上的大规模应用似乎指日可待。那么,3D打印技术会对主要行业和日常生活产生什么样的破坏性影响呢?

(“可击败的心”由以色列科学家通过3D细胞印刷)

首先,3D技术的工艺、结构和材料的创新将带来全新的产品。

1.新技术带来新产品创新。在医疗行业,医生需要为患者做出特殊的个性化诊断。例如,需要应用于人体的医疗设备也需要非常定制的制造技术,例如适合股骨头坏死的关节、能够承受咳嗽和打喷嚏压力的3D打印气管以及可移动的心脏。对于一些复杂的肿瘤切除手术,医生可以使用三维建模和打印逼真的器官模型,供医生事先练习。

在服装和鞋类的生产中,美国足球运动员生产的橡胶中底和头盔衬垫等产品也可以通过最新的立体光刻设备技术大规模生产。

2.3D打印的结构创新也将带来新的突破。例如,使用计算机和机器人精确控制自动浇注,用3D混凝土打印出更稳定、更长的桥梁;一家名为相对论空间的初创公司正在制造3D打印火箭。其优点是可以生产出传统制造方法无法实现的几何形状的制冷通道;波音、罗尔斯罗伊斯和普惠公司等航空公司开始使用3D打印来制造喷气发动机的金属部件,这比铣削更便宜,并且使复杂的部件更轻。

3.新材料的使用也将带来新的生产方法。例如,3D打印技术可以利用一种称为微晶晶格的新金属材料,该材料是中空的并且完全透明,但是具有优异的弹性,并且适用于高安全性和低质量的要求,例如飞机机舱壁和机舱门。由于结构复杂,传统的工业制造工艺难以应用,但3D打印技术可以轻松完成这类材料的制造。

此外,3D打印技术将极大地改变供应链系统。

例如,一个英国医疗小组在坦桑尼亚诊断出疟疾寄生虫,但光学显微镜的一些设备部件和消耗品经常损坏或供应不足。研究人员设计了一个显微镜的三维模型,它可以打印除相机、马达和镜头之外的其他部分。

例如,最初在中国的太空舱中测试的3D复合印刷,也为未来的太空建设提前积累了技术。在未来,只要有成熟高效的印刷设备,只需要获得待生产产品的数据模型,就可以获得和印刷当地的材料,这将彻底改变传统的耗时、呆滞、臃肿和线性的供应链系统。

现在,我们已经看到3D打印技术给医疗设备、航空航天、建筑、汽车、工业制造等领域带来了许多变化。从目前的情况来看,这种变化会越来越快,而且领域会越来越广。

未来,3D打印将颠覆传统产业的生产模式,带来更多新的产业机遇。

创造了《奇点临近》的伟大的上帝未来学家库兹韦尔曾用“荷塘效应”来比喻技术的指数增长。如果用荷叶覆盖半个荷塘需要8天,覆盖整个荷塘只需要一个晚上,而不是另外8天。

3D打印技术的发展似乎也有这种微妙的指数增长。从概念到真正的技术用了将近100年,而从技术开始到今天的微观尺度、多材料、活化和其他技术用了30年。在未来10年,我们可能会看到越来越多的3D技术产品出现在我们的生活中。

最后,打开一个脑洞。

在这个“传播经济”的炎热夏天,你能为那些有想法和设计能力的人启动入门级3D打印机,为路过的用户提供个性化的设计和玩偶、头像和装饰品的打印吗?

你看,只靠一个小“盲盒”发家的泡泡超市已经申请在香港上市,而你的创业之路可能已经从3D打印机开始了。

最起码,这样一个“人间烟火”摊位经济是否突然尝到了高科技的甜头?