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3D打印技术新进展,正带来哪些产业新机会?

木马童年 2020-6-14 11:05 66 0

在今年 5 月初,我国首飞成功的长征五号 B 运载火箭上,搭载着我国新一代载人飞船试验船,而实验船上还首次搭载了一台“3D 打印机”。 我国首次“太空 3D 打印”实验,也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复 ...

在今年 5 月初,我国首飞成功的长征五号 B 运载火箭上,搭载着我国新一代载人飞船试验船,而实验船上还首次搭载了一台“3D 打印机”。

3D打印技术新进展,正带来哪些产业新机会?

我国首次“太空 3D 打印”实验,也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的 3D 打印实验,其目的主要是为了支持未来空间站的长期在轨运行,以及发展空间超大型结构在轨制造和扩建。

这相当于是计划在太空中搭建一个建造工厂,直接为空间站提供建筑材料,而省去从地球发射笨重设备的环节,直接提供“建筑材料”即可维持空间站的建设了。

3D 打印技术,曾经在 15、16 年火爆科技圈的黑科技,和同样火爆的无人机、VR 眼镜等设备,一度成为小众的科技爱好者纷纷种草的新技术。

不过经过几年的观察,3D 打印技术也同样没有迎来消费级产业的爆发。对于大多数人来说,入手一台入门级 3D 打印机的成本并不高,但使用场景和使用需求确实非常尴尬。廉价使用的工业品基本可以满足日常所需,而个性化的产品往往对设计和工艺要求都很高,普通设备难以搞定。

但是 3D 打印技术一直在持续进化,正在成为众多科技领域和制造业企业的标准配置。我们不妨进到 3D 打印技术的纵深,来看下这一曾经备受瞩目的黑科技有了哪些新进展,将来技术的大规模产业化还有哪些新可能?

3D 打印:颠覆传统制造业的“古登堡革命”

3D 打印,顾名思义,就是不同于我们的平面打印,它是在一个三维立体空间中制造东西。其技术原理也很简单,最直观的理解就如同蛋糕师将奶油一点点挤出叠加形成各种形状的裱花。只不过 3D 打印可以使用的材料更多、可以制造的物品更为复杂。不过,这仍然没有理解 3D 打印带给制造业的革命性的变化。

传统制造业有两种制造工艺,一种是等材制造,一种是减材制造。

等材制造就是在加工制作前后,材料没有损耗。如同古代铸剑,就是把铜或铁融化,倒入磨具,然后不断敲打、淬火成形,铸成剑的重量跟原来材料重量差不多,这就是等材制造。这类工艺已经有 3000 多年的历史了,它的特点是局限性很大,可以制造的工具非常有限。

减材制造,是随着工业革命的发展而出现的新技术,就是在零部件、工具制造过程中,对材料进行各种切割以得到想要的形状,因而会出现材料的耗损,比如现代金属制造业,使用的车、刨、磨、钻等切割工艺,就是这种减材制造。虽然这类工艺只有 300 年时间,却让整个世界进入了工业时代。

3D打印技术新进展,正带来哪些产业新机会?

与等材制造和减材制造的工艺不同,3D 打印则带来了一种全新的生产制造方式——增材技术,3D 打印技术也被称为增材制造,即通过一种自底而上的打印工艺来制造产品,能够制造出传统工艺难以实现的复杂结构。这一技术被形容为“古登堡印刷机”的发明带给西方文明进步的意义一样,被称为“第三次工业革命”的颠覆性技术。

3D 打印代表的增材制造,所代表着生产方式的颠覆性变革,主要体现在以下方面:

第一,3D 打印可以完成无损耗生产。比如原先制造一个涡轮发动机,传统减材工艺要使用 300 公斤的原材料,最后制成一个 50 公斤的成品。而 3D 打印只需要 50 公斤的原材料就可以制成涡轮的成品。既保持了与等材制造工艺的成本优势,又能满足复杂结构产品的制造,极大降低了制造的成本。

第二,3D 打印可以满足大规模定制需求。只要一件商品在相同价格下,人们会更有意愿购买个性化、定制化的设计产品。设计端将得到极大发展,而 3D 打印和耗材的普及则会将生产成本大幅降下来。未来无论是服装设计、家居装饰,还是日用生活品,各个产业的商家都可以提供尽可能多的定制化方案,来满足消费者的个性化需求。

第三,3D 打印能够完成复杂工艺生产。由于 3D 打印的层叠打印的生产特性,几乎可以打印出无比复杂的内部结构和纹理,像传统工艺需要精雕细刻的镂空设计,对于 3D 打印来说就是简单不过的一件事情了。比如在珊瑚礁保护上,之前的方案是人们使用混凝土之类的东西来代替珊瑚礁,但是无法模拟原始珊瑚礁供鱼类躲藏的细小洞穴。而一些海洋生物学家利用 3D 打印技术,使用砂岩作为材料,就可以打印出各种形状的珊瑚礁,完美解决这一问题。制造超级复杂和特殊形状的物体,成为 3D 打印技术的独特优势。

因此,使用 3D 打印来制作人像、卡通、打印各种日常生活的物品,仅仅只是发挥出 3D 打印技术的凤毛麟角的能力。我们可以继续速览下如今 3D 技术可以实现的一些逆天功能。

3D 打印新进化:新光固化、微米级多材质与 4D 活化技术

3D 打印从概念提出到技术成熟,已经有一百多年的时间了。1892 年,美国专利局就登记了一种采用层合方法制作三维地图模型的专利技术,成为 3D 打印技术的最初形态。而直到上世纪 80 年代,3D 打印技术才真正开始走向成熟。

1984 年,美国科学家查尔斯·胡尔发明了立体平板印刷技术(SLA),利用光来催化光敏树脂,然后成型,首次开始尝试将 3D 打印商业化。1986 年,美国 Helisys 公司研发出分层实体制造技术(LOM)。1988 年,美国人斯科特·克鲁普发明了熔融沉积成型技术(FDM),并在 1992 年推出第一台基于 FDM 技术的 3D 工业级打印机。

此后 3D 打印技术进入飞速迭代的发展时期,像新出现的激光烧结技术、紫外线光感和液滴喷射综合技术等,大大提高了制造的精度和范围。到 2007 年,有公司已经尝试用 3D 打印机制作另一台 3D 打印机。到 2012 年,3D 打印机可以打印出完整的汽车和飞机,也可以打印出身体的下颚假体以及利用人体细胞打造出人造肝脏组织。

值得提到的是,美国一家名为 Carbon3D 的公司,在 2015 年发布了一种新的光固化技术——连续液态界面制造(CLIP),可以比以往任何一种 3D 打印技术都快 25 到 100 倍。

3D打印技术新进展,正带来哪些产业新机会?

(Carbon 3D 公司的树脂加速 3D 打印机)

这种方法可以将工作台浸没于树脂容器中,随后用投影仪将预先编程过的图像通过容器底部的透明窗口照射到工作台上。然后采用激光照射方式一次性固定一层树脂,底部窗口因为可以透过央企组织窗口区出现固化反应,工作台则不断上升,将完成部分从液态树脂从拉出。

3D打印技术新进展,正带来哪些产业新机会?

(目前世界上最快的树脂 3D 打印机)

在这一技术的基础上,美国西北大学的化学家 Chad Mirkin 及其同事研发出新的高速树脂 3D 打印机,比 2015 年时的设备又得到了十倍的速度提升。Mirkin 选择将一层清油泵到容器的底部以阻止高分子反应。同时这层油还起到了冷却剂的作用,将带走打印过程中产生的热,防止打印出的部件变形。这也意味着这种打印机不仅仅可以打印厌氧的树脂,为 3D 打印打开了广阔的新材料空间。

3D 打印的另外一项进展则是多种粘性材料的 3D 打印,可以实现微米尺度上控制打印物体的材料性质。

3D打印技术新进展,正带来哪些产业新机会?

今年初,《自然》杂志发布了这种新的打印技术,只需一个喷头就可以在各种粘性材料中快速切换,同时还可以用多个喷头,大大减少特定结构的打印时间。这一技术受到 3D 打印软体或生物材料的“墨水直写”工艺的启发,但难点在于如何实现高频切换多种材质。该研究团队开发了一种微流控喷头,喷头尖端最多能有 8 种粘性流体形成互相分离的细丝,其工作原理是按顺序对不同流体加压,就能以最高 50Hz 的频率切换材料,打印特征尺度可达 250 微米。

3D打印技术新进展,正带来哪些产业新机会?

这种切换频率之高,足以打印出“体素式”结构——即让 3D 网格中每个代表结构的点(体素)都可以拥有不同的材料性能,从而让需要精确控制局部材料性能的各种 3D 打印成为可能,比如采用不同硬度材料制作按折痕折叠的纸张,使用不同硬度硅胶做成的软体机器人

3D打印技术新进展,正带来哪些产业新机会?

新材料的应用又为 3D 打印加入了新的维度,那就是时间性。也就是通过结合形状记忆聚合物,这些材料会在环境温度和湿度改变的情况下作出反应,让 3D 打印的物体具有一定的机械运动能力,这一技术可以被称为 4D 打印。

其中一类 4D 打印方法是引入变化的外部磁场来触发动作。其中一种 3D 打印栅格状结构中可以填充一种随磁场变硬的液体,如果在遭遇撞击的情况下变硬,可以应用于未来汽车座椅的防护当中。

更具应用前景的 4D 打印可以应用在人体器官当中,包括像可压缩伸展的血管支架,可以精确控制其到达血管的指定位置后再进行打开拓展结构。目前已经实现了像宽度仅为 50 微米的 4D 打印支架,实现皮肤、肝脏器官组织的打印,但最雄心勃勃的发展方向就是打印出完整功能的身体器官,但当前技术还远未能达到应用于人体器官移植的水平。

新工艺的发明促进了新材料的应用,而新材料的应用又将创新出各种各样的产品特性。当 3D 打印技术越来越从微观层面来控制物体的组成,即打印出由不同材质、不同特性组成的物体,那么这将必然对众多材料、制造产业带来全新的可能。

3D 打印的产业新机:新生产方式与新供应链方式

当 3D 打印的技术已经到达微米级、多材质、活性材料融合的创新节点,3D 打印在产业端的大规模应用似乎也已经是近在咫尺的事情了。那么,3D 打印技术对各大产业和日常生活将产生哪些颠覆性影响呢?

3D打印技术新进展,正带来哪些产业新机会?

(以色列科学家通过细胞 3D 打印的“可跳动的心脏”)

首先,最主要就是 3D 技术的工艺、结构和材料创新将带来全新的产品。

1、全新工艺带来新型的产品创新。在医疗行业,医生需要对患者进行特别个性化的诊断,如需要应用到人体的医疗设备也需要极为定制化的制造工艺,如适合股骨头坏死的关节,可以承受咳嗽、打喷嚏压力的 3D 打印气管,以及可运动的心脏。对于一些复杂的肿瘤切除手术,医生可以通过 3D 建模,通过 3D 打印出逼真的器官模型,供医生进行预先练习。

3D打印技术新进展,正带来哪些产业新机会?

在服装鞋类的生产中,也可以通过最新光固化成型技术,进行像橡胶的鞋底夹层,美式足球运动员生产头盔衬里等产品的规模化生产。

2、3D 打印的结构创新也会带来全新的突破。比如使用计算机和机器人来精确控制自动化浇筑,来用 3D 混凝土打印出更稳定也更长的桥梁;一家叫 Relativity Space 的初创公司正在用 3D 打印的方式制造火箭,其优势在于可以生产传统制造方法无法实现的几何构型的制冷通道;而像波音、劳斯莱斯、普拉特·惠特尼等航空公司开始使用 3D 打印来制造喷气式发动机的金属部件,这种方法比铣削更便宜并使得复杂构件更为轻巧。

3、新材料的使用也会带来全新的生产方式。比如 3D 打印技术可以利用一种称为微晶格的新金属材料,内部是空的,完全透明,但是弹性极好,适合于飞机舱壁、舱门等高安全性低质量的需求。由于结构复杂,传统工业制造流程难以应用,使用 3D 打印技术却可轻松完成这类材料的制造。

再则,3D 打印技术还将极大改变供应链系统。

比如英国的一家医疗团队在坦桑尼亚的野外进行疟疾寄生虫的诊断,而光学显微镜的一些设备部件和耗材经常损坏或短缺。研究人员设计了一套显微镜的 3D 模型,通过 3D 打印机可以在野外打印除相机、电机和镜头之外的其他部件。

而像开头我国在太空舱试验的 3D 复合材料打印,也正是为未来太空建设提前进行技术积累。未来只要有成熟高效的打印设备,只需获得想要制造产品的数据模型,就可以实现本地化的取材和打印,这将彻底改变传统耗时、迟滞、臃肿和线性的供应链系统。

现在,我们已经看到 3D 打印技术,在医疗器械、航空航天、建筑、汽车、工业制造等领域已经带来众多变革。而从目前的态势来看,这种改变会越来越快,波及的领域也会越来越广。

未来,3D 打印将颠覆传统产业的生产方式,也会带给更多全新的产业机会。

3D打印技术新进展,正带来哪些产业新机会?

创作《奇点临近》这本书的大神级的未来学家库兹韦尔,曾使用过一个“荷塘效应”的比喻来形容技术的指数级增长。假如荷叶铺满一半荷塘花了 8 天时间,那么铺满整个荷塘就不会再花费另外 8 天时间,而只需要一个晚上就可以了。

3D 打印技术的发展也似乎带有这种潜移默化的指数性增长的特性。从概念提出到真正技术落地用了将近 100 年时间,而从技术刚刚起步到今天的微米级、多材质、活化等技术花费了 30 年时间,而接下来 3D 技术的大规模生产和应用可能将更快加速,我们也许会在接下来 10 年中,看到越来越多由 3D 技术制造的产品出现在我们的生活当中。

最后开一个脑洞。

3D打印技术新进展,正带来哪些产业新机会?

在这个“地摊经济”火爆的夏天里,对于有想法、有设计能力的你,是否就可以入手一台入门级的 3D 打印机,来为路过的用户提供各种个性化的玩偶、头像、饰品的设计打印呢?

你看,仅靠小小“盲盒”就发家致富的泡泡玛特已经申请港股上市了,你的创业之路可能就从一台 3D 打印机就开启了呢?

至少,这样非常“人间烟火气”的地摊经济是不是一下子就有点高科技的味道呢?

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