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随A博士游科技岛 (3D打印篇)
更新日期:2014-09-04  
      汽车在海峡大桥上行驰,"明天,这桥是可以打印出来的。"正在开车的A博士自言自语道。"你说什么?"我问。"明天,这桥是可以用3D打印打印出来的。" A博士又补充说道。看到我一脸的惊讶,  A博士解释道:
     3D打印(Three Dimension Printing ),又称三维打印,增材制造技术,快速成形技术。它综合了数控技术、激光技术、材料技术等多项高新技术于一身,是先进制造技术的一种。3D打印机组件基本上和传统打印机一样,由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成。打印原理是:用计算机辅助设计(CAD)软件在电脑上设计一个完整的三维数据图,在把各种金属或非金属粉末状或其它形状材料放进3D打印机中,机器会按照程序把零部件或产品一层层印造出来,形成“直接数字化制造”。 3D打印从成形角度看,零件可视为“点”或“面”的叠加。从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息,再与成形工艺参数信息结合,控制材料有规律、精确地由点到面,由面到体地堆积成型。3D打印从制造角度看,它根据CAD造型生成零件三维几何信息,控制多维系统,通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成实物。3D打印最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说,任何加热后能够形成原子间粘结的材料都可以作为3D打印的成型材料。 

  3D打印,这种为现代社会带来强大冲击和震撼的新技术起源于1988年诞生的“快速成型”技术。1988年,美国3D System 公司推出的SLA-250液态光敏树脂选择性固化成形机,标志着快速成型技术的诞生。它采用一种"立体光刻工艺",基于液态光敏树脂的光聚合原理工作。通过一束紫外激光束在偏转镜作用下扫描照射树脂使其固化,逐层制造得到一个三维实体模型。 

  3D打印采用了全新的无模具自由成形技术来制造三维实体,这种新型成形技术改变了传统的制造技术路线。

      我们知道,现有的材料成形方法采用的是减材成形等三种技术路线。以机械加工为例,加工一个所需的零部件,人们通过不断去除材料来获得所需要的零件形状;热加工的锻造成形则是采用变形原理来成形金属零件,即金属材料在强大的机械压力下改变形状来获得所需的零件;而铸造、粉末冶金等方法采用的是“赋形+固化”的成形原理,即先通过模具赋予液态或粉末状的金属材料以形状,再通过冷却凝固或高温烧结的方法使材料固化来获得具有所需形状和强度的金属零件。快速成型技术的成形原理与这些传统方法截然不同,它采用逐渐增加材料的方法成形实体。因为这种成形方法不需要模具,因而又被称为实体自由成形技术。这里“自由”指不需要模具来成形,省去了十分冗长的制造模具过程和昂贵的模具制造成本。 
      放眼全球,3D打印领域的新闻不绝于耳,让人震惊!3D打印被英国的《经济学人》评价为,将“与其他数字化生产模式一起,推动第三次工业革命的实现”。美国政府将人工智能、3D打印、机器人作为重振美国制造业的三大支柱,3D打印是第一个得到政府扶持的产业。
     目前已有医院利用这项技术实现快速地制造出与病人需求一致的关节、骨头。3D打印版的关节骨头正在帮助病人正常行走。文物工作者通过3D扫描技术,将一些有待保护的文物,转变为三维数据图像,再用3D打印机打出模型,供文物研究和保留。我国科学家通过3D打印技术,已研制生产了我国飞机装备中迄今尺寸最大、结构最复杂的钛合金及超高强度钢等高性能关键整体构件,并在C919等大型客机生产中得到应用,这在世界尚属首例。可以预见,在下一个十年,3D打印应用范围将进一步扩大,巨型的3D打印机甚至可以“打印”整幢大楼,整座大桥。所以我说"明天,这桥是可以打印出来的",是对3D打印愿景的遐想。  

  A博士继续说道:粉末材料的物理性质与化学性质,如粉末粒度、密度、热膨胀系数等对成型物中缺陷形成具有重要的影响。成型物在成型过程中,由于材料参数、工艺因素等影响,会使烧结件产生裂纹、变形、气孔、组织不均匀等各种缺陷。粉末粒度和密度不仅影响成型件中缺陷的形成,还对成型件的精度和粗糙度有着显著的影响。粉末的膨胀和凝固机制对烧结过程的影响可导致成型件孔隙增加和抗拉强度降低。因此,3D打印技术的发展给材料科学提出了更高的要求。

       汽车在海峡大桥上行驰,我眼望窗外,一群海鸥正在波浪上奋力翱翔。
(作者:陈福日)