3D打印：尖端制造业新宠
时间：2020-12-08 20:01:29 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
虽然3D打印技术的出现已经有近30年的历史了，但是它起初并不为人们所熟悉，这是因为3D打印技术应用的领域往往是尖端制造业。比如我国“神舟九号”飞船中3位宇航员的坐垫就是天津市快速成形技术工程中心利用3D打印机制造出来的。
为何尖端制造需要3D打印
虽然我们日常生活中还很少见到3D打印机，但是它在尖端制造领域的应用已经十分广泛了。为什么尖端制造需要3D打印技术？这是因为3D打印不走样。研究人员怎么设计的，3D打印机就怎么打印，毫厘不差。因此，航空航天业中一些精密度要求高、结构复杂且需求量少的零配件，就会用到3D打印技术。
3D打印机还可以作为应急的重要工具。比如，载人航天器运行在太空中有零配件损坏或失灵是很危险的事情，如果从地面运送过去，不仅运送成本高，更可能因为时间差而导致航天器坠毁，航天员也会因此失去宝贵的生命。有了3D打印机，航天员就可以临时打印一个零配件安装上去，及时消除潜在的危险。
以传统的制造技术制造产品，往往要先设计建设流水线，周期长。若生产一些需求量小的尖端产品，就很不划算。3D打印最初叫“快速成型”技术，表明它具有快速制造的优势，可以让用户在装配和维修尖端产品的过程中快速得到零配件。2009年，我国在设计C919大型客机机首时遇到了主风挡窗框的制造瓶颈，如果要从国外订购，至少需要两年时间，而且光是模具费就高达1300万元，我国科技人员最终采用3D打印技术研制，两个月就做出来了，成本费还不足进口模具费的1/10。
3D打印所具备的快速优势令它在工业设计领域被广泛应用。设计师在电脑上设计好产品后，可以在数小时内完成样品的打印，节约了产品从开发到投入市场的时间。比如微软公司就有一个3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打印出模型，供设计制造部门进一步研究，以更好地改良产品，打造出更出色的产品。
利用3D打印，一些个性化专业产品也由此而独具优势。比如，传统的假肢厂生产出来的假肢像服装一样是有固定尺码的，残疾患者只能“削足适履”，有时会给患者造成不必要的痛苦。有了3D打印，符合残疾患者个性化需求的假肢就可以生产出来了。美国一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首个使用3D打印产品替换人体骨骼的案例。
3D打印渗入各领域
月球基地 欧洲航天局公布了人类首个月球基地计划蓝图。该基地将由从地球“空降”至月球的机器人建造，而且机器人将就地取材，利用3D打印技术将月球上的原始土壤转变成建筑材料。
依据设想，在机器人抵达月球后，机器人将会利用3D打印技术建造出一个能够容纳4个人居住的圆顶建筑，该建筑不仅能帮助人类抵御潜在的陨石袭击，还具备防伽马射线辐射和保持温度等功能。为了在保证建筑强度的前提下，尽可能少地使用建筑材料，圆顶小屋的外壳材料将采用类似泡沫的、中空封闭式蜂窝结构。如果一切进展顺利的话，该月球基地有望在未来40年内投入使用。
欧洲航天局载人航天团队的斯科特·霍夫兰表示：“3D打印技术能够利用月球土壤打印建筑材料，这不仅非常方便，而且大大节省了从地球上运输建筑材料的成本。”这个方案一旦实施，未来月球基地中90%的建筑材料都可实现就地取材，只需运送建造基地的机器人和固体连接器等少量较难就地打印的成品及零部件到月球上去即可。
真耳朵 看完科幻影片《阿凡达》后，是不是有人也想拥有一个潘多拉人那样奇特的尖耳朵？利用生物3D打印技术，人们不仅可以拥有那样形状的耳朵，而且摸起来可以像真耳朵一样柔软。这项最新研究是由美国康奈尔大学研究人员获得的，他们使用人类活体细胞构成的凝胶3D打印形成的人造耳朵可以“以假乱真”。
研究人员首先利用快速旋转的3D相机拍摄数名儿童的耳朵，然后将其输入计算机建模，3D打印机会据此打印出耳朵模架。研究人员随后在模架中注入特殊的胶原蛋白凝胶，这种凝胶含有能生成软骨的牛耳细胞。此后数周内，软骨逐渐增多并取代部分凝胶。3个月后，模架内便出现了一个柔韧的人造外耳，其主要组成是软骨和凝胶，外表和功能均与正常人耳相似。研究人员认为，软骨是最适合3D打印技术的人体组织，因为软骨内部不需要血液就能存活。
医学界目前使用的人造耳朵主要成分为泡沫聚苯乙烯或患者人体肋骨组织。前者质感与人耳差异较大，后者获取方式既困难又令患者十分痛苦，很难制成既美观又实用的人造耳朵。研究人员认为，3D打印耳朵具有生物活性，可以很好地和人体融合在一起。3D打印耳朵的另一个优势是可以根据人们的需要进行个性化“定制”。在不久的将来，这项技术可以让失去部分或全部外耳的患者重新拥有一个漂亮的耳朵。
无人飞机 英国南安普敦大学的工程师放飞了世界上首架打印出来的无人飞机。它的机身长3米，翼展长2米，净重只有5千克，一般人可以轻松地举起它，并手动放飞。它不是玩具飞机，而是一架真正的无人驾驶飞机，从它高达160千米的飞行时速就可见一斑。事实上，它的基本设计和配置都参照了目前已有的微型无人驾驶飞机。
研究人员采用激光烧结技术，先打印出无人机的金属框架，再打印出覆盖在框架内外的塑料壳。飞机的其他配件（比如机舱门、发动机和各种仪表）分开打印，再安装到飞机上。飞机上的所有设备之间的连接都不需要螺丝和合页，而是使用“卡扣固定”技术连接在一起。因此，整架飞机可不借助任何工具在几分钟内完成组装。3D打印无人机与传统工艺制造的无人机相较，不仅仅成型速度快，还具有独特的优势，比如可制造椭圆形机翼。空气动力学家几十年前就已知道椭圆形机翼能够减少阻力，但是传统的制造技术难以实现这个设想。
赛车 在德国霍肯海姆跑道上，一辆与众不同的赛车正在高速行驶。这是一辆3D打印制造的单人赛车，是世界方程式学生挑战赛的一个作品。来自比利时的16位高级工程师组建了“新一代工程师”团队，负责设计这款3D打印赛车。他们将这辆赛车命名为“亚利欧”。在希腊神话中，亚利欧是行动非常敏捷、奔跑迅速的神马。
在复杂的打印过程中，设计师亲眼看到自己设计的图纸是如何一点点地变成汽车的。这辆赛车的底盘是钢制的，加上全3D打印的外壳，仅花了三星期的时间就组装完毕。受到游泳运动服的启发，这辆车的前半部分覆盖了模仿鲨鱼动力学的粗制外层来减少阻力，增加冲力。
这辆赛车是目前已知最大且最复杂的3D打印物品，其车身长2.1米，宽0.68米，高0.8米。它的性能较好， 4秒内就可从0加速至60英里/小时，行驶中最高速度达到141千米/小时。
枪支 不久前，美国的一家公司发布广告称，只要拥有一台电脑和一台3D打印机，只需几个小时就可以制造一支半自动枪。这项技术是由美国一个名为“分布式防御”的激进组织发明的，他们已经创建了可下载的设计图，只要从网上下载这种图纸，就可通过3D打印机打印出一支AR-15枪身，进而制造出AR-15半自动枪。
从理论上讲， 3D打印机可依据客户需要打印出任何枪支组件。不过，一些枪支专家对这项技术提出了置疑，猜测这种3D打印机制造出来的塑料组件能否承受枪支射击产生的应力，包括火药爆炸射出子弹的作用力。在最初的测试射击中，3D打印机制造的AR-15没有任何问题，但在进行第六次射击时，枪支三处出现碎裂，装载子弹后出现了更为严重的损坏。
虽然3D打印枪支也算得上尖端制造领域的一项重大突破，但是对爱好和平以及渴望社会稳定的人们来说，这绝对是一个坏消息。3D打印不仅让恐怖组织获取武器的途径越来越容易，也会激发那些潜在的暴力犯罪行为。很多美国人担心这项技术将导致安全失控，不知道枪支泛滥会使社会变成什么样子。
