首页 > 行业应用 > 工业行业 > 3d打印之工业应用

3d打印之工业应用-工业行业

3d打印之工业应用

    详细说明

    在20世纪80年代初以来,工业的3d打印机已经存在,并已广泛用于快速成型设计和研究目的。这些通常是较大的机器,使用专有的金属粉末,铸造介质(如沙子),塑料或磁带,并用于许多快速原型使用的大学和商业公司。制造工业用3d打印机的公司包括Renishaw,Objet Geometries,Stratasys,3d System和Z Corporation公司。

    服装

    3d打印逐渐应用到服装领域,时装设计师们也会使用3d打印的比基尼泳衣,鞋子和裙装进行时装设计构思。耐克在2012年为美国球员设计的Vapor Laser 的制模和生产中,就利用了3d打印技术,同样的,还有New Balance利用3d技术进行运动员专用跑鞋的私人定制生产。

    3d打印研发公司正在研究可投放市场的眼镜,拥有受欢迎的样式,配以定制化的全套产品(除了镜片以外)。但随着快速制模的发展,镜片的定制也逐渐成为可能。

    汽车

    2014年年初,瑞典超级跑车生产商柯尼赛格发布了新车One:1,其中使用了许多3d打印的零部件。在柯尼赛格生产的汽车中,One:1拥有3d打印的测镜内零件,风道,钛排气部件,和全套的涡轮增压器组装线。

    美国公司Local Motors与橡树岭国家实验室,以及Cincinnati公司正在合作研发大型的增量制造系统组装整车车体。Local Motors公司还计划2014年9月在国际生产科技展上在观众面前现场打印汽车:“汽车底盘和车身由纤维加强的热塑性塑料制成,没有动力传送系统,车轮和车闸重量不足450磅,全车总共也只有40个零部件,并且随着每次改进,零部件的数量会越变越少。”

    Urbee是世界第一辆使用了3d打印技术的汽车(车身和车窗是3d打印的),它由美国工程公司Kor Ecologic和斯特塔西公司(3d打印机Stratasys的生产商)共同制造,融合了多重技术,外观很有未来主义的风格。

    飞机

    2015年5月,空中客车公司宣布其最新机种空中客车A350 XWB包括超过1000的部件由3d打印制造。2016年中国华中科技大学机械教授张海鸥,研发出的“智能微铸锻铣复合制造技术”与法国空中客车公司举行技术合作签约仪式,2002年起张海鸥开始主攻金属3d打印,终将金属铸造、锻压技术合二为一成功制造出世界首批3d打印锻件,别于“铸锻铣分离”传统制造方式。由于传统的金属3d打印有铸无锻,容易产生疏松、气孔、未熔合等缺陷,为解决这一世界性技术难题,张海鸥团队经过十多年研究,独立研发此一铸、锻、铣一体化技术省去传统巨型锻压机的成本,可通过电脑直接控制成形路径大降低设备投资和材料成本,该技术以金属丝材为原料,材料利用率达到80%以上,丝材料价格成本为目前普遍使用的激光扑粉粉材的十分之一左右。制造一个2吨重的大型金属件,过去需要三个月以上,现在仅需十天左右。

    这种微铸锻生产的零组件,各项技术指针和性能均稳定超过传统锻件。华中科技大学现有设备,已打印出飞机用钛合金、海洋深潜器、核电用钢等8种金属材料,是当今世界上唯一可印出大型高可靠性能金属锻件的增材制造装备,3d打印正逐渐改变锻造的定义。

    建筑

    直到近年来,建筑模型是由手工建造,并且常常花费很长的时间。因此,建筑师经常被迫向他们的客户展示自己项目的绘图。据Erik Kinipper说,客户通常会需要从空间各个可能的角度查看产品来得到一个清晰的印象以做出明智的决定。为了在很短的时间内得到这些比例模型给客户,建筑师和建筑公司往往依靠3d打印。使用3d打印技术,这些企业可以减少50%到80%的生产时间,做出比加工件轻60%且坚固的比例模型。这样,设计和模型就只受人的想象力限制了。

    3d打印技术对精度、速度和材料质量的改进已经为3d打印从建模过程的用途转型到制造策略打开了新的大门。南加州大学Behrokh Khoshnevis博士的研究结果可以用3d打印机在24小时内建造一座房子。这个过程叫做轮廓工艺(Contour Crafting)。Khoshnevis、Russell、Kwon与Bukkapatnam将轮廓工艺定义为采用计算机控制系统反复地放下材料层(如混凝土)的一种增量制造过程。 Bushey也讨论了Khoshnevis的配备可以喷出混凝土的喷嘴并可以基于电脑图案建造房屋的机器人。轮廓工艺技术在建造整体结构和子部件的自动化方面有很大的潜力。使用这个过程,设计可能各不相同的一座房子或房屋集群,可以单次运行自动建造,并将所有电力、水暖、空调管道嵌入。

    此外,Sinterhab项目正在研究利用3d打印技术,以月球表层土为基底建造月球基底。为了替换传统的以粘合剂粘合月球表层土,科学家正在尝试使用微波烧结技术将月球表层土砌成坚硬的建材。

    类似的研究和计划可以降低建筑成本,并研究用于地球以外的栖息地。

    历史建筑的纪录过去常以图面或照片等平面信息纪录,现代因科技发展而有3d扫描技术可较精准地将历史建筑数字化进行数字典藏,而以此为基础之数据除可妥善保存外,亦可直接或经处理后成为3d数字模型,现在通过3d打印机可将原本仅存在数字世界中的数据实体化,数字化的制造过程更可将人为的误差降到最低,免除过去建筑模入的人为意识或变更产生与实体不符之状况。

    电动汽车与发电机

    电机(汽车和发电机)的磁核需要提前加工好的特殊的一层层堆叠的薄电铁片,片与片之间互相隔绝以减少型心铁的损耗。有些3d打印要求所用核心材料的性状(如材料密度,非结晶性,毫微结晶原子结构,材料分离性等)在生产过程中保持不变。这种打印要求或许只能采用不改变核心材料性质的混合3d打印技术,例如烧结,熔合,沉积等。非结晶金属薄丝层与层之间互相隔绝,如果能对其进行较好的处理,能减少最多80%的电器核心磨损。即使是著名的3d打印“层压物生产”(LOM)法,也只有在刻印凹槽以固定通电线圈的过程中,或生产后续工序中(例如为了使物体表面平整,同时提高材料的组装密度而对有气隙的表面进行碾压)减少对非结晶物体非结晶结构的破坏,才可能达到减少磨损的效果。

    在与美国能源部Arpa-E(先进研究工程机构-能量)计划签约后,一只来自联合科研中心的研究人员小组自2014年开始研究使用增量技术生产30千瓦特的感应电动机,尝试使用不含稀土磁体的电动机技术使其在每分钟0到12,000转的速度下,保持30至50千瓦特的持续电力。

    武器

    2012年,一个位于美国的“分布式防御组织”(defense distributed)计划"设计一种实用型塑料枪,只要使用3d打印机就可以进行下载和复制生产。" 该组织还设计了一种可以3d打印出来的650发AR-15型来复下机匣和30发M16弹匣。AR-15有多个机匣(上下各一个),但被序列化上传的部分受法律管制(在这个例子中指AR-15的下机匣),所以2013年5月在分布式防御组织成功用3d打印机设计生产出了塑料枪后不久,美国国务院就要求他们将相关文件从网站上撤下。3d打印使普通消费者也能接触到数控机床的生产过程,因此有人提出质疑,担心对其对相关枪支管制效果的不良影响。

    2014年,日本人由友井村成为世界上第一个因3d打印枪支而被判刑的人。他在网站上上传了枪支构造图和制作视频,被判刑两年。警方在他家里发现至少两支可开火枪支。

    医药

    3d打印已经被应用到生产移植器官和器械等医疗领域。目前成功的案例有一位英国病人移植的钛骨盆,一位比利时病人移植的钛下颌和一个美国婴儿移植的塑料气管夹板。助听科和牙科在未来有望成为3d打印技术的最大使用领域。 2014年3月,斯温席海港的外科医生使用3d打印材料对一位车祸受重伤的汽车驾驶员的面部进行了修复。针对关节炎和癌症损伤器官的移植,相关的3d打印研究正在进行中。

    医疗器械

    一个年仅5岁的英国小女孩,出生时左手五指发育不完全。2014年10月,她成为了第一个在3d打印技术的帮助下获得“人工手”的孩子。这个人工手基于这个女孩父母提供的塑胶模型制作。负责设计工作的是总部位于美国的开源设计组织E-nable。该组织下的志愿者们一直在做着主要针对儿童的弥补性组织的设计和生产工作。

    3d打印的义肢也被用于受伤动物的治疗上。2013年,3d打印技术帮助一只瘸腿鸭恢复了行走的能力。2014年,一只没有前肢的吉娃娃装上了3d打印的安全带和轮子。3d打印的寄居蟹壳则让寄居蟹过上了新房子里的生活。

    生物打印

    截至2012年,生物科技公司和学界就一直在研究3d生物打印技术在组织工程中的应用,也就是说,用喷墨技术来生产身体组织和器官。设想是,活细胞在凝胶媒介或糖基中一层一层地沉积,慢慢地组成诸如脉管系统的三维组织。第一个3d组织打印系统出现于2009年,运用NovoGen生物打印技术为基础。由此出现了一些相关术语,例如组织打印、生物打印、肢体打印、计算机辅助组织工程,等等。3d打印在整修外科软组织生产方面的应用潜力还在研究当中。

    2013年,中国科学家开始使用活体3d打印人耳,肝脏和肾脏。使用活细胞替换塑料,用特殊3d打印机生产人体器官的实验也获得成功。杭州电子科技大学的研究人员发明了自己的3d打印机Regenovo,含义是是“3d生物打印机”,用于完成较为复杂的生产工作。据Regenovo研发者之一徐民根称,该打印机一个小时内可以生产一个迷你肝脏样本或4/5英尺的人耳软骨样本。他还预测未来十到二十年后,就有可能能够打印功能齐全的器官了。同年,比利时哈赛尔大学的研究人员成功地为一位83岁的比利时妇女打印出了新的颌骨。

    电脑和机器人

    3d打印技术可以用来制造笔记本电脑和台式电脑,例子有Novena和VIA OpenBook标准笔记本机箱。即可以购买Novena主板用在打印的VIA OpenBook机箱中。

    开源机器人使用3d打印机构建的。double Robotics授权获取他们的技术(开放SdK)。另外,3&dBot是一个有轮子的Arduino3d打印机机器人而OdOI是3d打印的类人机器人。

    太空

    2014年9月,SpaceX公司将首批零重力3d打印机交付到国际空间站(ISS)。2014年12月19日,NASA通过电子邮件把套筒扳手的CAd图纸发送给了国际空间站上的宇航员,他们之后用3d打印机打印了这个工具。太空中的应用使得可以就地打印破损的零件或工具,而不是用火箭为太空任务把提前制作好的物品带到月球、火星或其他人类群落。欧洲航天局计划在2015年6月运送新的便携船载3d打印机(简称POP3d)到国际空间站,使其成为太空中第二个3d打印机。2013年底,台湾的国立交通大学前瞻火箭研究中心利用3d打印技术印制APPL-9火箭外壳,大幅降低火箭外壳成本,并使火箭内部设备的拆装及测试更加容易。