3D打印技术的应用范畴

美国海军用3D技术打印的潜水艇

军事领域

海军舰艇

2014年7月1日,美国海军试验了利用3D打印等先进制造技术快速制造舰艇零件,希望借此提升执行任务速度并降低成本。

2017年7月,美国海军和橡树岭国家实验室共同研发出了一种概念验证性的潜水艇,其最大的特点是通过3D打印而成,并且基于海军海豹突击队现使用的潜水器打造。

对于这个新装备来说,美国海军目前正在测试,如果一切顺利将全面推广。 跟传统制造潜艇过程相比,这种3D打印的成本降低90%(原来的一艘造价要60-90万美元),并且生产时间缩短到4周。

据悉,这艘潜艇已经成为了美海军目前最大的3D打印物体。

航天科技

2014年9月底,NASA预计将完成首台成像望远镜,所有元件基本全部通过3D打印技术制造。NASA也因此成为首家尝试使用3D打印技术制造整台仪器的单位。

这款太空望远镜功能齐全,其50.8毫米的摄像头使其能够放进立方体卫星(CubeSat,一款微型卫星)当中。据了解,这款太空望远镜的外管、外挡板及光学镜架全部作为单独的结构直接打印而成,只有镜面和镜头尚未实现。该仪器将于2015年开展震动和热真空测试。

美国国家航空航天局(NASA)官网2015年4月21日报道,NASA工程人员正通过利用增材制造技术制造首个全尺寸铜合金火箭发动机零件以节约成本,NASA空间技术任务部负责人表示,这是航空航天领域3D打印技术应用的新里程碑。

2015年6月,俄罗斯技术集团公司以3D打印技术制造出一架无人机样机,重3.8公斤,翼展2.4米,飞行时速可达90至100公里,续航能力1至1.5小时。

公司发言人弗拉基米尔·库塔霍夫介绍,公司用两个半月实现了从概念到原型机的飞跃,实际生产耗时仅为31小时,制造成本不到20万卢布(约合3700美元)。

2016年4月19日,中科院重庆绿色智能技术研究院3D打印技术研究中心对外宣布,经过该院和中科院空间应用中心两年多的努力,并在法国波尔多完成抛物线失重飞行试验,国内首台空间在轨3D打印机宣告研制成功。

这台3D打印机可打印最大零部件尺寸达200×130mm,它可以帮助宇航员在失重环境下自制所需的零件,大幅提高空间站实验的灵活性,减少空间站备品备件的种类与数量和运营成本,降低空间站对地面补给的依赖性。

2017年8月,国际空间站ISS中的俄罗斯宇航员表示,将在8月17日发射第一颗3D打印制成的俄罗斯卫星。

医学领域

3D打印人体器官

美国日本等国的科学家已经研发出用3D打印技术打印各种人体器官并应用于临床手术,极大地帮助了病患康复。

此外,3D打印技术能够让医生提前练习,从而减少病人在手术台上的时间。3D模型有助于减少手术步骤,使手术变得更为安全。 

2016年7月,全球知名的健康医疗公司罗氏(Roche)使用Organovo的3D打印活性人类肝脏组织对药物性肝损伤进行了建模。

2016年7月,美国techshot公司将在太空中3D打印人类心脏,这将是一个重大的医学突破。

3D打印制药

2015年8月5日,首款由Aprecia制药公司采用3D打印技术制备的SPRITAM(左乙拉西坦,levetiracetam)速溶片得到美国食品药品监督管理局(FDA)上市批准,并将于2016年正式售卖。这意味着3D打印技术继打印人体器官后进一步向制药领域迈进,对未来实现精准性制药、针对性制药有重大的意义。该款获批上市的“左乙拉西坦速溶片”采用了Aprecia公司自主知识产权的ZipDose3D打印技术。

通过3D打印制药生产出来的药片内部具有丰富的孔洞,具有极高的内表面积,故能在短时间内迅速被少量的水融化。这样的特性给某些具有吞咽性障碍的患者带来了福音。

模具模型

3D打印将精确的虚拟3D模型和真实的实体对象结合在一起,以往建筑师通常使用的是木头或泡沫来制造比例模型,但是越来越多的人意识到了3D打印模型的好处。在其他领域也一样,设计师越来越喜欢用3D技术制作模具、打印模型。

建筑设计

2014年1月,数幢使用3D打印技术建造的建筑亮相苏州工业园区。这批建筑包括一栋面积1100平方米的别墅和一栋6层居民楼。这些建筑的墙体由大型3D打印机层层叠加喷绘而成,而打印使用的“油墨”则由建筑垃圾制成。

2014年8月,10幢3D打印建筑在上海张江高新青浦园区内交付使用,作为当地动迁工程的办公用房。这些“打印”的建筑墙体是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”,按照电脑设计的图纸和方案,经一台大型3D打印机层层叠加喷绘而成,10幢小屋的建筑过程仅花费24小时。

2014年9月5日,世界各地的建筑师们正在为打造全球首款3D打印房屋而竞赛。3D打印房屋在住房容纳能力和房屋定制方面具有意义深远的突破。在荷兰首都阿姆斯特丹,一个建筑师团队已经开始制造全球首栋3D打印房屋,而且采用的建筑材料是可再生的生物基材料。这栋建筑名为“运河住宅(Canal House)”,由13间房屋组成。这个项目位于阿姆斯特丹北部运河的一块空地上,有望3年内完工。

2015年7月17日上午,由3D打印的模块新材料别墅现身西安,建造方在三个小时完成了别墅的搭建。据建造方介绍,这座三个小时建成的精装别墅,只要摆上家具就能拎包入住。

2016年12月1日,江苏苏州,盈创新材料的厂区内,矗立起十余座用3D打印机“打印”出的房子,其中包括中式古典庭院、中式现代庭院、3D打印6层楼、可移动式建筑、异形建筑、3D打印1100㎡奢华别墅等多种建筑。

汽车行业

2014年9月15日,世界上已经出现3D打印建筑、裙帽以及珠宝等,第一辆3D打印汽车也终于面世。这辆汽车车身上只有40个零部件,建造它花费了44个小时,最低售价1.1万英镑(约合人民币11万元)。

这辆由美国Local Motors公司设计制造、名叫“Strati”的小巧两座家用汽车开启了汽车行业新篇章。这款创新产品在为期六天的2014美国芝加哥国际制造技术展览会上公开亮相。

之后来自美国旧金山的Divergent Microfactories(DM)公司推出了世界上首款3D打印超级跑车“刀锋(Blade)”。该公司表示此款车由一系列铝制“节点”和碳纤维管材拼插相连,轻松组装成汽车底盘,因此更加环保。

2017年8月,梅赛德斯-奔驰卡车宣布首个3D打印金属零配件核准通过。

食品产业

2014年年初,3D Systems公司曾经与著名巧克力品牌好时合作,开发了全新的食物3D打印机,可以支持巧克力、糖果等零食打印。这台打印机售价为5000美元起(约合人民币30284元)。它不仅能够打印出多种形状的糖果,还支持巧克力、香草、薄荷、樱桃、酸苹果和西瓜口味,相当丰富。

与此同时,一家英国公司Chocedge,已经研发出巧克力边打印机,售价为4783美元(约合人民币28970元),巧克力注射器成本则为25美元(约合人民币151元),可以打印蛋糕装饰的巧克力边。

此前,美国国家航空航天局曾授权厂商Systems&Materials,研发可以打印披萨的3D打印机,以改善宇航员的膳食水平。打印机原型能够使用保质期很长的油及面粉,同时最大限度地减少披萨中的不健康成分。打印机首先会在加热板上打印面饼、然后将番茄、水和油打印上去,最后再在表面上打印一个“蛋白层”,简单美味又营养。

2014年Natural Machine公司曾推出一款Foodini 3D打印机,售价为1400美元(约合人民币8480元),可以打印很多带馅的食物,如意大利方饺。

电子行业

2014年11月10日,全世界首款3D打印的笔记本电脑已开始预售了,它允许任何人在自己的客厅里打印自己的设备,价格仅为传统产品的一半。这款笔记本电脑名为Pi-Top,于2015年5月正式推出。

服装服饰

几乎每个行业都能找到3D的影子,服装也不例外,自从2010年荷兰设计师在伊里斯·凡·赫本在阿姆斯特丹时装周时装周上首度发表3D打印服装之后,3D打印的服装就开始不断涌现,2015年,以色列申卡尔设计与工程学院学生Danit Peleg设计了一系列3D打印的服装,将科技与艺术完美地结合在了一起,该视频已获得超过100万次的观看。

文物保护及修复

2015年9月,哈佛牛津决定联手3D打印重建伊拉克受损文物。牛津大学数字化考古学研究所(IDA)与联合国教科文组织合作,打算在2016年年底前拍下100万张照片,在2017年前拍下 2000万张。一旦文物被IS破坏,考古学家将利用3D打印技术重建文物的原貌。

依据三维扫描获得的文物三维数字模型,使用数控加工手段,可以复制出文物的真实形貌或制作文物衍生品,用于代替文物真品进行实物展示,使人们能够欣赏文物造型的同时,减少和避免对文物真品的损坏。

3D打印技术还可以解决一些传统文物修复过程中的难题,如修复瓷器的弧形嘴和不规则手把,借助3D打印技术,先扫描获取缺损部位的数据,然后在三维逆向软件中建立模型,打印出来后,进行黏合,再上色做旧,修复就完成了。

随着3D打印技术的成熟,结合利用计算机技术实现文物及考古现场的数字模型的建立和信息化存储,进而对数字模型进行管理和应用,3D打印技术在文物修复领域将具有更加广阔的研究和应用前景。

除了文物保护,3D打印技术未来还有望对濒危生物提供保护。2016年9月,来自悉尼的建筑师James Gardiner已经完善了3D打印人工礁石的技术,建筑师希望用世界上最大的3D打印机拯救珊瑚礁。

制造业

制造业也需要很多3D打印产品,因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产,所以制造业利用3D技术能带来很多好处,甚至连质量控制都不再是个问题。

文化艺术领域    

在文化艺术领域的应用,3D打印技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。

位于纽约的一家3D公司3Dphotoworks公司致力于将2D世界的艺术品3D化,以便让盲人也能够通过触觉领略到画作和照片等艺术品的魅力。即使是盲人,也是可以像正常人那样,通过触摸来“看到”3D打印的“画作”、并在脑海中重现这个画面。

总结

虽然3D打印已涵盖汽车、航天航空、日常消费品、医疗、教育、建筑设计、玩具等领域,但由于打印材料的局限性,产品多停留在模型制作层面。也就是说,目前3D打印技术的优势主要是缩短设计阶段的时间,使得设计者的模型实现起来比较便利。譬如,在传统的制造业流程中,不管什么行业,设计师的图纸,需要在拆分为各个元素后,去开模,然后再组装,其弊病就是花费的周期比较长。而当设计师对模型做出调整后,相同的步骤又得重复一遍,循环往复。而有了3D打印,设计师的图纸可以快速变成实体的东西,然后开模,进行规模化大生产。 3D打印技术的意义,更在于设计环节的时间成本的节约。

编辑:Julie
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