3D打印的自我介绍

撰稿: 发布时间:2020-04-22

  大家好,我叫3D打印,学术名字叫“增材制造”,我最红的时候是2012至2014年的时候,不信的话,下图有真相。

图1 3D打印各类学术发展趋势图

  那时候的我,跟现在的人工智能一样,被广泛关注,甚至有人认为,万物皆可3D打印,如图1,有关于我的报道(图1紫色线条)在2012-2014年间呈井喷式增长,随后学术界开始关注起我来了,与我相关的期刊(图1绿色线条)也不断增长,这可是超星发现系统里的数据,绝不掺假,充分的说明咱当年也是火过的,但是,随着时间的推移,社会媒体和公众关注的技术热点也在不断转移,我就渐渐的淡出了公共的视野,这并不代表我从此消失,而是意味着我已经从网红的角色,演变成真正为人类服务的工具。

  首先,对于我来说,最成熟的工艺还是打印热塑性塑料。大家可能都知道,还有个技术叫:注塑,他成型塑料零件的速度可比我快多了,那么我的优势在哪呢?我的优势在于当只需要少量的塑料零件的,我可以直接打印出来,而如果使用注塑,还需要制作模具,那成本可就太高了。而且,我还能克服注塑所面临的不充分,以及制造不了复杂形状的问题,如图3所示,因为零件注塑完后要与模具脱离,下图这种简单形状的零件可以用注塑成型快速制造,但如果零件形状较为复杂,无法脱离模具,那就不能用注塑成型,但是我就不用受此限制,也就是说,如果你只需要打印一两个形状奇怪的零件,来找我就是了,保证能满足小批量。

图2 注塑成型动图

图3 3D打印成型动图

  其次,我还可以制作金属零件,原料可以是粉末、线条、乃至板材,我都行!我在金属方面现在有那么几个用途。

  在航空航天零件的制造方面,因为航空航天对零件性能、结构等要求都比较高,相对于传统的加工技术车铣刨磨铸锻焊,我能生产更加复杂的工件,把原本需要许多零件拼在一起才能实现的功能,由我生产出的一个零件就可以做到了,比如火箭发动机喷嘴头,如图4,原本这个跟蜂窝似的的喷头需要248个零件组成,现在我可以化248为1,直接实现一体化成型。此外,对于航空航天行业来说,他们需要的往往是小量级、个性化的零件,这个活,舍我其谁?最后,一些难加工金属,如钛合金、铝合金,高温合金等,作为航空航天行业最青睐有的材料,并不容易加工出复杂零件,这时候往往就是我大展身手的时候了。

图4 3D打印的火箭发动机喷嘴头

  在模具制造方面,因为模具制造大多是把金属或者塑料融化后有一定的压力注入模具中,然后需要把注入的液体快速冷却,水冷当然是最经济好用的办法,然而需要在模具内部加装复杂流道,这种事情对于传统加工技术来说很棘手,对于我来说却轻而易举,如图5,对于传统加工技术的制造的模具水冷流道只能在一个水平面或者直上直下,并不能很全面的冷却工件,从图5(c)中可以看出成形零件的上部温度较高,而由我制造的模具,具有三维立体水冷系统,整个成型零件的温度都比较低,这就是我的厉害之处,所以现在我也被广泛应用于模具制造行业。

图5 传统制造模具与3D打印模具冷却效果仿真图

  在零件修复方面,在传统加工技术里,工件上的材料如同我们的青春一样,一去不返,所以传统加工宁可多留一分,也不少留一点。所以在实际生产中,一旦零件磨损了,就难以修复,只能换一个,但不是所有零件都能换,或因成本太高,或因零件绝版等原因,无法更换,我就可以把他们缺的那个部分给补回来,如图6那样,甚至修补部分比原本工件的强度更高,更加耐用。

图6 3D打印用于零件修复

  当然,还有让我感到最最自豪的一个领域,就是生物3D打印。从小往大了说吧,首先,我能打印骨骼支架,用于代替钛合金支架,那么我的优势在哪呢?我可以在人体内降解或者与人的骨骼融为一体,而不需要像钛合金支架那样需要再做一次手术把它取出来,这就为病人省了不少的事。其次,我能打印血管之类的形状复杂的结构,用于治疗心血管疾病。最后,我能以生物细胞为原料,打印生物器官,直接解决了医疗器官不足,而且,既降低了成本,还避免了一些工程伦理问题,如图7所示,当我想要打印一个耳朵时,先对耳朵的形状进行逆向三维建模,然后分层,然后以宿主自身的干细胞作为原料进行打印,最后培养成型,这样一个3D打印的耳朵就出来。虽然生物3D打印听上去很厉害,但是我在这方面也只是个新手,还需要更多的研究才能使我真正应用于实际意料中,敬请期待。

图7 生物3D打印示意图

  希望可以在今后的日子,凭借着科学家们的不懈努力,为国民经济发展带来更大的助益!

文章来源:中科院沈阳自动化所

作者 高孟秋 中国科学院沈阳自动化研究所硕士研究生