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盘点2016年即将爆发的3D打印技术

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发表时间:2016-03-04 10:46:37


  最近许多针对3D打印行业的预测普遍认为:2016年是世界3D打印行业市场的爆发年。或许我们对这种看法已经见怪不怪了。像去年,人们无时无刻不在说3D打印将爆发,但大都被看作是行业炒作。

 

  但今年这些预测或许有据可依,因为在经历了2015年的跌跌宕宕之后,3D打印逐渐从过去的“虚浮缥缈”变得更加明了。而如今的市场也不会像2015年初那样被疯狂炒作。因为,随着惠普、东芝、三星、微软等国际性大企业的陆续加盟,整个行业将会迎来一场新的变革,而这些大公司恰恰起到了推动和引领作用。在这种大趋势下,2016年将会出现更多3D打印新技术,推动3D打印产业向前发展。接下来我们就来看看,2016年哪些3D打印技术将“火”起来:

 

1.纳米3D打印

 

  或许你还对去年10月习主席获英国帝国理工学院赠送的中国长城模型记忆犹新,这是一段只有100微米长的中国长城。这项技术由Hamlyn中心医疗机器人部的研究人员开发,并由NanoScribe公司的Photonic Professional GT 3D打印机打印出来的。

 

  这种技术是通过三维激光直写系统通过超短的激光脉冲曝光,预先勾勒出三维立体微纳米结构的轮廓;再经过显影程序,最终获得可自行支撑的立体结构固着于衬底材料上,从而实现了纳米3D打印。其类似于光固化快速成型技术,是一种“纳米光学”3D打印法,这种基于选择性固化液体物质的3D打印技术是双光子聚合技术,通过实用“飞秒脉冲激光”选择性逐层固化感光性树脂,打印机分辨率达到0.0001毫米,打印出来的东西比细菌还小。这种技术不但可以制造能够游泳的微型机器人,精确高效地将药物送至到身体的目标区域,而且可以制作极小的手术工具成为显微外科手术所需的纳米工具。在科研上的潜力价值体现在,医生可以精确的将癌症治疗药物送至目标位置而不再需要大范围用药。另外,由于尺寸微小,这种纳米工具还能帮助医生完成极其复杂的眼部手术而无需担心会对眼镜造成伤害。

 

  如今,这种纳米3D打印技术的市场越来越凸显出来,而且应用面积非常广泛,目前已经应用在了诸如细胞生物学(三维细胞生物支架)、组织工程学、光子-光半导体和材料、铸造-PDMS结构复制工程、光子线键-芯片互连技术、超材料-机械微晶结构、微桁架和微流控芯片等各种领域。

 

2.碳纤维3D打印

 

  碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防军工和民用方面都是重要材料。而针对碳纤维作材料的3D打印技术近期也在全球陆续兴起,各大企业和研究机构也都是看中了碳纤维材料相对普通材料的极大优势,这成为碳纤维打印技术快速发展的动力之一。

 

  据悉,其中比较高端的是由美国硅谷的Arevo Labs推出的一个可扩展的以机器人为基础的增材制造设备用来打印复合材料。该平台由一个市售的机械臂,复合沉积端执行器和一个全面的软件套件组成,根据机器人的大小,打印体积可以从1000立方毫米达到8立方米,而且自由度得到了更大的提高。而另一家公司Impossible Objects推出的CBAM工艺则更为不同,它是将一层层的特定材料堆叠起来,并用内置热源把它们融合在一起。最后,由一名技术人员将不需要的材料移除,打印过程就算完成了,打印完成后的零部件要比使用传统热塑性材料3D打印出来的部件强度要高2倍-10倍,打印成品可以抵抗许多恶劣的环境,可见碳纤维3D打印技术的优势非同一般。

 

  而国际上并非都是关于机械臂或者仅限于大型工业级碳纤维打印,还有一种桌面级碳纤维3D打印产品叫做Mark One,其机器长宽高分别为575*322*360mm,成型尺寸为305*160*160mm。其优势在于,一是可使用碳纤维作为打印材料,二是使用复合材料,直接制作高强度的部件和工具。该机型采用双挤出头,可兼容碳纤维、玻璃纤维、尼龙和PLA耗材;制作实际部件时能够选择合适的材料,兼顾强度和成本;3D打印的部件甚至能够取代经过金属加工的部件,这是碳纤维3D打印实现轻便化一大重要例证。故此,在往后的不断发展中,传统塑料等各种性能低下的材料将逐渐被碳纤维所代替,而与之相称的快速成型技术也将逐渐与碳纤维材料融合实现真正的高强度,高质量。

 

3.多射流熔融技术


  惠普公司(HP Inc.)即将进军3D打印市场已经不是新闻,而在去年的时候该公司还发布了其号称将彻底改变3D打印行业的多射流熔融(MJF)3D打印技术,该技术基于他们现有的高分辨率2D热喷墨技术,据称比现有的大多数工业级3D打印机快10倍。

 

  据惠普公司爆料,该技术的工作方式简单来说就是:先铺一层粉末,然后喷射熔剂,与此同时还会喷射一种精细剂,以保证打印对象边缘的精细度,然后再在上面施加一次热源。惠普公司表示,这将使其打印速度比选择性激光烧结(SLS)技术、熔融沉积成型(FDM)技术快10倍,而且不会牺牲部件的精细度。得益于其易叠放的喷墨组件的设置,MJF 3D打印机的可打印尺寸范围相当大,从4.25英寸直到40英寸宽都可。但这个数字会受到固化时间和支撑材料生成能力的限制。我们的猜测是,其最大打印高度可能会在8至12英寸之间。综合惠普在Autodesk University2015大会上披露出来的信息,其全彩MJF 3D打印机对打印过程中对象属性的控制达到了3D空间中体素级的水平。这给了他们对最终打印对象的材料属性更多的控制权,尤其是与传统的3D打印技术相比。MJF 3D打印机将能够控制对象部件的密度、强度、摩擦系数、纹理,甚至包括部件的电学和热性能。

 

  传统的3D打印技术往往需要牺牲精度和表面光洁度来实现零件的强度,或者相反。而MJF 3D打印工艺将使打印部件的质量无论是强度还是表面质量都类似注塑成型的产品。他们将在其专有的打印工艺中通过使用多种粘合剂和固化剂来实现这一目标。MJF的喷墨组件是如此精确,它可以选择性地将熔剂施加到对象特定的点上以获得最大的粘合度,同时,使用一种精细的介质,该公司可以减少或者增加融合度,以获得不同的纹理、表面和耐久度,而且MJF技术的打印喷头施放材料的分辨率可以从600dpi直到2,400 dpi,也就是42微米到11微米范围。该技术的打印速度和广泛的适用性都是其它3D打印技术无法望其项背的。

 

4. 热熔玻璃缝纫机

 

  早在2015年8月,麻省理工学院(MIT)媒体实验室的Mediated Matter项目成功地开发出了具有相当精度的玻璃3D打印机。而近期,Mediated Matter与该校玻璃实验室以及著名数学家Pierre-Thomas Brun博士共同合作,借助流体动力学研发了“热熔玻璃缝纫机”技术,从字面上就不难理解,这个技术将会让打印出来的玻璃以螺旋状的形式存在,然后再进行“编织”构成更为复杂的模型。

 

  由于在制作工艺上很像是用缝纫机将一条条线织成一块布,因此 Pierre Thomas Brun 才会以“(缝纫机)”来给其命名。这种编织的方式打造出来的玻璃制品将会提供一定“整体柔韧性”,玻璃束越细,那么编织出来的产品柔韧性更强,如果与其他材质相融合的话,或许能够做成一种功能性相当不错的“服装”,因此,该应用可以使得Mediated Matter项目开发的玻璃3D打印机创建出复杂的3D打印玻璃器皿和其他产品,这项技术的突破性在于大大凸显了3D打印应用于玻璃造型工业的巨大潜力,未来有望在玻璃产品制造产业大展宏图。

 

  不过目前此项技术相比传统的堆栈式打印要昂贵不少,好在诸如 HP这样的大公司已经开始着手玻璃 3D打印的相关工作,未来将此技术普及化并不是什么大问题,成本降低也是迟早的事,毕竟这项技术还存在着改善光导纤维的制程与降低成本等各种优点。

 

5.智能增材制造技术

 

  如今,随着智能加工和机器人技术的进步,人类干预的必要性可能很快就会成为过去的事情了。近日,由神户大学教授Shirase Keiichi领导的一群研究人员开发出了一种机床原型,它能够像3D打印机那样制造精密部件。神户大学研究团队开发的这台机器与大多数3D打印机或者机加工切削工具所不同的是,这实际上是一台可以自己决定根据一个加工信息和切削条件的数据库制订优化加工流程的机器。

 

  据该校工程研究生学院的研究人员称,这一进展可以加速定制产品的制造,比如牙科植入物和人工骨等。Keiichi还期望它能够为智能制造系统的持续开发铺平道路,这种系统能够通过减少错误和提高生产效率来降低成本和缩短制造时间。该项目的出现主要是为了解决金属制造当前所面临的一些问题:一方面,金属切削需要大量的劳动来创造出指导机器的程序;另一方面,一旦切削过程开始之后,机器就无法对预想不到的问题做出调整,这意味着,如果出现问题,整个过程将不得不从头开始。

 

  使用这种智能增材制造机床之后,用户要做的只是准备目标部件的一个3D模型和材料模型,而该机床将使用一个加工信息和切削条件的数据库自行确定最佳加工过程,然后相应地自动选择它的指令。业内普遍表明这种智能化3D打印技术在未来会很有市场,而目前这个3D打印机式的机床原型实际上是日本神户大学正在进行的关于智能机床研究的一部分,并在最近举办的国际上三大机床贸易展之一的Emo Milano 2015上进行了展示,并受到了业内的广泛关注。 

 

6.生物细胞打印

 

  在很多人还不清楚生物3D打印究竟是何处神圣的情况下,这项技术已经渐渐走向了商业化。近日,一家专门研究生物3D打印的美国企业——Organovo宣布正式成立商业部,专注于提供3D打印人类肝脏细胞。此前,Organovo公司和耶鲁大学医学院合作研发用于器官移植研究的3D打印组织,制作出了一个3D打印肝脏,可以用来检测药物的毒性,为生物3D打印开启了一扇全新的大门。

 

  想要进行生物3D打印研究,一项必不可少的材料就是人体细胞。为此,Organovo专门成立了这个商业部,旨在为体内外研究应用提供高质量的初始人体肝脏细胞。人类肝脏包含的细胞有多种,目前有一小部分可以通过3D打印制造出来,不过Organovo目前只计划将肝星形细胞商业化,这种细胞在肝脏受到损伤后会变得活跃起来并且迅速繁殖,产生瘢痕组织;相反,在健康的肝脏中,它们则处于休眠状态。这种细胞也是导致肝病的主要因素之一,比如脂肪肝、纤维变性。

 



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