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3D打印行业的现状以及发展趋势分析

常州标识行业协会    3D打印行业的现状以及发展趋势分析

3D打印技术可以追溯到1976年喷墨打印机的发明。1984年,查尔斯·赫尔将光学技术应用于快速原型制造,拉开了3D打印的帷幕。20世纪80年代以来,3D打印技术引起了全世界的关注,开始进入人们的视野和生活。如今,3D打印技术已经在制造、医疗、学术、航空航天和军事等多个领域得到了很好的发展和应用。

 

  3D打印技术的工作原理是利用计算机建模软件(如3Dmax等。)在计算机上创建一个虚拟的3D模型,将模型文件转换成与3D打印机匹配的格式,然后3D打印机根据切片程序将横截面堆叠成3D模型来完成打印。

 

  3D打印技术与计算机建模技术的结合,大大加速了信息制造技术向网络化定制和数字化方向发展,逐渐成为我国国民经济不可或缺的一部分。复合材料、金属材料等现有材料的打印技术是3D打印发展的重要方向,也是其他许多制造领域定制产品的主要工作形式。

 

  一、3D打印技术的优势

 

  3D打印技术避免了传统制造业的切割工艺,不需要模具制造。加工速度快,生产周期相对较短。更重要的是,3D打印在制造体积小、结构复杂的物体方面有很大的优势。通过集成印刷技术,不需要二次加工,通过计算机在线操作实现批量生产和远程控制。

 

  3D打印技术最具代表性的是熔积成型技术。其工作原理是通过送丝装置将热熔长丝材料送入喷嘴。在计算机软件的控制下,加热喷嘴挤出软化的材料,并开始沿着物体的轮廓移动,直到半流动材料的填充和固化完成,从而形成3D打印产品。例如,对于塑料制品的三维打印,通过加热三维打印机的喷嘴使塑料熔化,挤出后塑料迅速冷却,并与周围材料粘合和覆盖。目前,FDM可以印刷金属、石蜡、ABS、PLA、人造橡胶等,同时生产3D模型、机械零件、日用品等。广泛应用于建筑、汽车、航空航天和医疗领域。与传统机械加工生产相比,FDM技术具有成本低、材料广泛、原材料利用率高、污染少等优点。

 

  二、3D打印需求现状

 

  1、研究现状

 

  到目前为止,根据3D打印制造方法的原理已经产生了许多制造技术,并且根据实际情况对许多材料进行了划分。3D打印常用的材料有PLA、不锈钢、钛合金、铝、石膏、橡胶、耐用尼龙等。实现3D打印的技术主要有光聚合成型技术、颗粒材料成型技术、挤出成型技术、线材成型技术、层压成型技术和粉末层喷嘴技术。

 

  以建筑行业为例,从设计角度来说:盖房子不需要复杂的设计过程,每个专业设计师都是在3D模型中完成自己的设计。也许有一天,每个人都可以直接从网上下载想要的建筑模型。对于建筑造型来说,传统建筑中难以实现的曲面造型在3D打印中变得更加简单,这对追求自由造型的建筑师来说绝对是个好消息。新的结构设计方法必须出现。比如利用有限元分析,现有的结构设计规范和相关技术标准可能不再适合打印建筑,需要制定适合3D打印在建筑中应用的行业规范。新的施工工艺要求新的验收标准,同时应开发新的建筑检测技术。

 

  2、材料的探索

 

  在材料方面,我们已经开始探索使用陶瓷和粘土等材料。为了满足3D打印建筑的需求,未来会出现许多特殊材料,如纤维材料、复合材料、化学材料和智能材料。材料性能要求将不断提高,材料科学研究将向微观方向发展,新材料将更加符合建筑材料标准。以混凝土为例,首先,混凝土的原材料将变得更加广泛。例如特种水泥、树脂、镁粘结材料等。可用作胶凝材料。粗细骨料的质量要求会更高,以满足3D打印的需求。混凝土必须有较好的流动性,能在空气中快速凝结,并能自撑。外加剂可能会发生根本性的变化,它们在特定系统中的作用和机理完全不同。其次,在纵横比设计中,可能需要新的理论来支持它。混凝土的性能发生了很大的变化,硬化和收缩性能发生了根本性的变化。

 

  目前3D打印行业的主要材料有很多,如工程塑料、光敏树脂、橡胶材料、金属材料等。工程塑料是应用最广泛的3D打印材料,如ABS、PC材料、PLA、尼龙材料等。工程塑料是指用作工业零件或外壳材料的工业塑料,具有优异的强度、抗冲击性、耐热性、硬度和耐老化性。此外,橡胶材料和金属材料也凭借各自的优势在自行车、医疗和金属制造行业发挥着无限的作用。

 

  三、3D打印对社会生活的影响

 

  3D打印建筑技术融合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、建筑技术、建筑设计、材料科学与化学等。一体化需要协调发展。3D打印建筑非常适合应急住房和贫困群体,未来开发的打印机真的可以创造出适合人们居住的房子。自然灾害发生后,建筑机械可以快速打印出房屋并自动安装各种设施,无论是功能还是强度都优于救灾帐篷和活动。未来的3D打印建筑也可以满足客户的定制需求,尤其是对于外观复杂不规则的建筑和结构,3D打印具有独特的优势。

 

  3D打印能够以极低的成本和更快的制作速度轻松满足人们的创作思路和需求,能够为艺术创作道路上的人们提供更多的思路和更有力的帮助。此外,在教育方面,3D打印可以让学生更直观地观察事物从无到有的生产过程,激发孩子的创造力。3D打印将是引领时代进步和社会新变化的主要技术力量。

 

  四、3D打印技术应用趋势

 

  1、3D打印技术在手工制造中的应用

 

  3D打印技术在制造业中应用最为广泛。从3D打印船舶和汽车、3D打印机器人和打印家具,到小型3D打印螺丝和螺母、工业零件和手机外壳,这些都可以通过3D打印堆叠起来。2014年,美国康奈尔大学的创意机器人实验室HodLipson制造了微处理器、电池和机器人连接器等部件,能够完全组装轻型机器人。

 

  3D打印模具在控制精密零件的制造成本方面也有一定的优势。对于一些尺寸小、形状复杂的零件,3D打印可以充分利用材料,合理控制零件的制造成本,对优化精密零件的制造工艺,提高企业利润将产生积极的影响。除了以上几个方面,3D打印模具在提高精密零件的性能,实现精密零部件的个性化制造方面也很突出。

 

  对于一些尺寸小、形状复杂的零件,3D打印可以充分利用材料,合理控制零件的制造成本,对企业优化精密零件的制造工艺,提高利润将产生积极的影响。除了以上几个方面,3D打印模具在提高精密零件的性能,实现精密零部件的个性化制造方面也很突出。企业可以借助3D打印优化精密零件的制造工具,使相应的工具在设计时考虑到人机工程学,从而提高其操作的舒适性和实用性,如精密零件模具。通过优化模具等制造工具的设计,将进一步降低精密零件的废品率。

 

  2、3D打印技术在家庭消费娱乐方面的应用

 

  最初的3D打印机大多功能单一,主要用于工程建设和医学科学。由于其价格高、体积大,在家庭消费中的应用受到严重影响。然而,随着用于家庭和个人应用的台式3D打印机的出现,3D打印机在家庭消费市场的销量日益增长。随着家用3D打印机价格的不断下降,打印机的功能也变得更加多样化,3D打印机在家庭消费领域的应用范围将迅速扩大。例如,在食品行业,2012年,宾夕法尼亚大学的科学家在实验室使用3D打印机技术打印人造肉。人们实际上可以在碳水化合物的生长框架上种植新鲜的肉组织,吃起来和真正的肉非常相似。最近的研究结果表明,3D打印技术在食品制造领域有着广阔的应用前景,尽管它还处于初步的实验阶段。

 

  此外,一些家用小玩意,如花盆、笔筒、收纳盒等,可以根据自己的意愿设计模型的形状和大小,然后在电脑上建模后通过3D打印技术创建实体,从而为生活增添了不一样的乐趣。如果家里有孩子,也可以利用3D打印为他们制作玩具,既培养了孩子动手动脑的能力,又节省了购买玩具的成本。

 

  3、3D打印技术在医疗领域的应用

 

  3D打印技术可用于快速准确地创建人体器官模型。借助器官模型,医生可以诊断病人的病情。同时,人体器官模型可以帮助医生术前充分讨论,找到最佳的手术治疗方案,从而有效缩短手术时间,降低手术风险。由于医疗模式的易用性,发达国家的市场正在迅速扩大。除了医学模型,还可以利用3D打印制造高效药物。由于药物在大小和形状上高度相似,且在成型过程中易于移植,因此具有广阔的应用前景。美国科学家成功利用3D打印快速成型技术生产口服控释片。

 

  人造骨骼也可以通过3D打印来打印。采用可分解的工程材料作为打印材料,通过3D打印机可以打印出具有活性因子和疏松孔隙的人工骨骼。而人工骨植入活体后,经过一段时间的分解,钙化物质可以被活体完全吸收,形成新的骨骼,这在动物实验中得到了充分的验证。一个英国女孩戴着3D手掌,一个农民工戴着3D打印头骨。即使是澳大利亚的CSIRO公司,也可以为患者量身定制钛胸骨和肋骨,从而为他们打造一个3D胸腔。美国生物技术公司Organovo利用细胞3D打印技术,在细胞培养基中打印出肝脏所需的细胞组织。在血管中培养后,肝脏可以生长成正常的形状,移植到人体。

 

  五、总结

 

  3D打印技术具有结构精密、整体性好、成本低的特点。生产出了一系列具有良好经济价值的产品,广泛应用于机械制造、建筑、医药、航空航天等诸多领域。在现代社会,各行各业一直坚持着顾客就是上帝服务的原则和宗旨。因此,3D打印需要根据不同客户的多样化需求制作3D打印产品,为客户提供外观最好的作品。这不仅可以大大降低产品的生产成本和市场竞争风险,还可以在一定程度上提高很多普通用户的消费和生活水平。

 

  限制3D打印技术发展和应用的主要因素是3D打印材料的特殊性和打印设备的适用性。目前3D打印技术中可用的快速成型材料主要包括高分子材料、金属材料和无机非金属。虽然高分子材料在商用3D打印机中得到了广泛的应用,但其他材料的应用还处于探索的初级阶段(例如限于特定的塑料、树脂和金属材料,精度只能达到微米级),因此打印材料数量有限,极大地限制了3D打印技术的推广。好在随着科技的不断发展和进步,未来会出现更多的成型材料和综合性能良好的材料,这将为3D打印技术的进一步发展和普及提供很好的支撑。另一方面,随着3D打印技术可用材料的不断增加和3D打印机工作能力的不断提高,3D打印机可打印的实体模型类型将呈现不断增加的趋势,3D打印技术的应用领域也将不断拓展。最重要的是,随着设备的完善和新兴技术的不断发展,3D打印产品的尺寸精度和材料性能将进一步提高,对传统机械和手工制造行业的影响将逐步显现。在个人应用领域,面对不同消费群体的个性化需求,会有更紧凑、便捷、经济实用的模式,适合办公环境。

 

  虽然3D打印技术在全球制造业中的比重可以忽略不计,但3D打印技术的发展和应用也受到各种因素的影响。但随着研究的不断深入和技术的不断进步,3D打印的应用领域将不断扩大,打印材料将更加多样化,打印设备的功能也将更加完善,这将很快对传统的生产方式带来深远的影响,引领全球制造业新一轮的革命浪潮。

2021年9月29日 15:57
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