3D打印技术用于土木工程论文

2022-04-30

摘要:近年来,3D打印技术作为一门新兴技术得到了越来越多国家和地区的关注。它所涉及的领域也日益广泛。从2013年起,3D打印技术被逐步引入进建筑领域。文章首先对于3D打印在混凝土建筑中的应用进行了介绍,包括应用实例、现有的3D打印设备、打印工艺。接着就3D打印在混凝土建筑中的应用现状进行分析,指出了其优点及发展所需要面对的几点问题。今天小编为大家推荐《3D打印技术用于土木工程论文(精选3篇)》,仅供参考,大家一起来看看吧。

3D打印技术用于土木工程论文 篇1:

基于产业融合的常州3D打印与传统产业协同发展研究

[摘 要]3D打印技术是一项创新的制造技术,颠覆了传统的制造技术,以其个性化、小型化和节约化的特点给制造企业的技术创新带来了新的动力。而常州作为一个以制造业为主导经济产业的苏南城市,正面临传统制造企业创新动力不足的问题,本文以产业融合理论为基础,在分析3D打印技术与常州传统产业融合路径的基础上,探索3D打印技术与常州传统产业协同发展对策。

[关键词]3D打印;产业融合;传统产业;协同发展

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.17.183

1 3D打印制造技术

1.1 3D打印概念

3D打印,即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

1.2 3D打印对产业结构的影响

1.2.1 3D打印制造技术将引起制造业的生产方式发生转变

3D打印技术是个体化的最好体现,也是制造业可以采用的生产方式,它不是在某一个地方生产产品后再运至世界各地,而是能够通过互联网即时发送设计图,并在需求所在地制造产品,抛弃了工厂大规模制造的雷同形式,具有个性化、小型化、节约化的特点。其真正革命之处在于它能在世界各地生产个性化的定制产品,设计和生产环节被不同时间和空间细分,从而呈现出社会化特征,而且设计和制造过程的联系将更加紧密。今后,制造一个产品并不难,难的是谁能够设计出来,这种设计变成一种个性化互动式的,变成创新与市场联动,市场需要什么就设计什么,或者是设计新的产品很快被市场接受,不仅大规模垄断的生产模式会发生改变,需求多样化、生产制造多样化,而且精密制造会深入到千家万户,任何人都可以享受到精密制造的产品,它全面超越了传统集中型的生产体系结构。

1.2.2 3D打印制造技术将创造新的商业模式,并改变现有产业结构

目前,3D打印技术已经在工业设计、模具制造等诸多领域得到广泛应用,展现出广阔的应用前景。随着大规模批量生产转向本地化、个性化定制生产,3D打印不仅会减少交通和物流成本,还会大幅降低固定资产投资,减少产品碳足迹和碳排放。3D打印可以使“及时生产方式”取代“及时物流”,使商业流程更节省成本并且更便捷,这有可能从根本上改变全球供应链,造成工作岗位的重新分布,并改变企业与用户之间的互动方式。这意味着一些制造业可以远离低成本劳动力聚集地,重返更靠近消费者的地方。这些变化都在不同程度上改变了经济模式,成为未来新的经济增长点。

2 产业融合理论

2.1 产业融合的内涵

从产业的内涵来看,产业是由技术、产品、企业、市场与制度等系统构成的。如果只从一个或少数几个子系统视角来定义,则会像“盲人摸象”那样无法得出一致的结论,也无法科学地界定产业融合的内涵与本质。因此,从系统的视角来加以研究,可以更好地界定产业融合的内涵与外延。

产业融合的内涵。从系统的视角看,产业融合是指开放产业系统中,新奇的出现与扩散引起不同产业构成要素之间相互竞争、协作与共同演进而形成一个新兴产业的过程。它的外延包括技术融合、企业融合、产品融合、市场融合、制度融合等。

2.2 产业融合的过程模型

2.2.1 产业融合产生过程是一个自组织过程

产业系统是由技术、企业、产品、市场与制度等要素构成的,其中企业是主体,产业系统中其他要素都是通过影响企业的行为来影响产业发展的。同样,产业融合的产生也是通过这些要素的相互作用与融合而促进产业融合的产生与发展的。

产业融合的产生过程是一个自组织过程,是指在开放系统中,不同产业企业主体之间非线性竞争与非线性协同相互作用打破了原有系统的线性关系而引起产业系统向有序化方向发展,即导致新兴产业出现与发展的过程。

2.2.2 产业融合产生过程的两个阶段

为了进一步理解产业融合产生过程的特征与内在规律,本文以融合型产品创新为标志,把产业融合的发展阶段分为两个阶段,即从无到有与从产业融合的出现到产业融合的实现。

首先,产业融合从无到有的过程。产业融合从无到有的过程是指产业融合首次出现的过程,其根本的标志是融合型产品的创新,是一个产业构成要素的扩散与整合的过程。

其次,产业融合从出现到实现的过程。产业融合从出现到实现的过程是指融合型产品产生后,像“序参量”一样,发挥“役使”功能,役使着技术、产品、企业、制度与市场等构成要素向同一个方向发展,并对现有多个产业中的产品进行替代,促进原有产品退出市场,形成以融合型产品为主导的新兴产业,并促进新兴产业发展进入稳定发展期。可见,从产业融合产生到实现过程是一个替代的过程。其中,制度融合、融合型产品功能的完善及价格的降低、市场融合等对于产业融合的实现起着非常重要的作用。

3 3D打印与常州传统产业的融合

3.1 常州传统产业概况

20世纪80年代初,常州已经成为闻名全国的工业明星城市,以乡镇工业发达为时代特征创造了著名的“苏南模式”,是全国最早的“经济体制综合改革试点城市”和“对外开放城市”。常州制造业基础雄厚,增长快速,并已形成了一批具有地方特色的产业集群,制造业已经成为常州经济的主导产业。常州市的传统产业有:轨道交通业、农机和工程机械制造业、输变电设备制造业、纺织服装业、化工制造业,传统产业不断升级,着力打造先进制造业基地,规模和品牌效应逐步显现。

为了引导企业加快发展高端装备,支持企业拓展新产品市场、加快产业化进程,促进装备制造业产业转型升级、向高端化发展,常州政府制定一系列的政策,推动了常州高端装备制造业的发展。目前,常州装备制造业是全市工业经济的支柱产业,在国内同行业具有较高声誉,已经形成输变电设备、轨道交通设备、工程机械和车辆,新型农业机械、数控机床及基础装备等门类齐全、配套完善的产业特色和优势,积累了较多的工业资产、较为先进的技术装备和较高科技含量的研发能力,形成了较为雄厚的装备制造产业基础。

3.2 3D打印与常州传统产业融合路径

3.2.1 3D打印与常州制造业的融合

常州工业经济中制造业为主导产业,尤其是形成了输变电设备、轨道交通设备、工程机械和车辆,新型农业机械、数控机床及基础装备等支柱性高端制造产业。但是,与长三角的其他城市相比较而言,常州制造业的竞争能力并不强。制造业的竞争,关键在于核心技术的竞争;核心技术的竞争,关键在于企业技术的创新能力。然而,企业技术研发与3D打印技术融合,将会大大地提高制造企业的技术创新能力。

3D打印技术是一项创新的技术,正不断向大尺寸、高精度、复杂化结构发展。对打印材料的拓展使用和打印精度控制不断提高成为主要亮点。作为趋于成熟的新兴技术,3D打印与传统制造技术相结合,互相取长补短将会迎来技术上的重大突破。

3D打印技术与制造企业融合,可以大大节省制造企业产品的研发时间和研发成本。有关专家预测,3D打印技术将会取代传统制造业所用的各种各样的传统加工机械,颠覆性改变制造业的生产方式,最大的特点是不需要大规模的流水线制造。

3.2.2 3D打印与常州模具产业的融合

对大规模生产的普通易耗品,3D打印恐怕永远竞争不过模具,尤其考虑到重力环境、可加工材料范围以及模具技术的同步进步。对高端工业品,材料、工艺才是核心竞争力所在,时间成本往往也远大于人力成本。传统的制造工艺中,一款产品在设计之后会进行开模,第一版模具行话叫作手板。手板的开模所需要的时间一般为一周,并且,传统制造工艺中的开模的风险较大。除了时间之外,还有两点风险让厂商担心。一是开模的成本较大,对于没有经过市场检验的创新设计而言,一旦市场不认可,就会造成较大的损失;二是产品开模之后无人问津,即便是成熟的产品,没有客户愿意下单,前期都白费工夫了。前一种风险至少值得一试,后一种风险直接就浪费了开发的资源。而与传统制造工艺相比,3D打印机所具备的立体成型、打印速度、打印成本这三项优势无疑是巨大的。它很好的将以上三点风险降到了最低。

3.2.3 3D打印与常州医疗生物产业的融合

目前,医疗行业(尤其是修复性医学领域)个性定制化需求显著,鲜有标准的量化生产,而个性化、小批量和高精度恰是3D打印技术的优势所在,因此,3D打印技术应用到常州医疗生物产业,将给医疗生物产业带来技术上的革命性突破。目前,常州华森三维打印研究院研发成功我国第一代骨科专用3D打印机,能将3D打印技术成功应用于骨科植入物的设计、生产和个性化定制。除此以外,3D打印与医疗生物行业的融合主要是技术的融合,有以下三个方面:体外医疗器械制造、个性化永久植入物、细胞3D打印。

体外医疗器械包括医疗模型、医疗器械——如假肢、助听器、齿科手术模板等。个性化永久植入物是对人身体部位进行复制,通过3D打印,这些部件可以与身体完全契合,与身体融为一体。以骨骼为例,当人体的某块骨骼需要置换,可扫描对称的骨骼,再打印出相应的骨骼,最后通过手术植入人体内。

细胞3D打印属较为前沿的研究领域,是一种基于微滴沉积的技术——一层热敏胶材料一层细胞逐层打印,热敏胶材料温度经过调控后会降解,形成含有细胞的三维结构体。

综上所述,3D打印已经逐步与常州其他产业进行融合,并且大部分是技术层面的融合,企业作为产业融合的主体,在外部激励因素与内生性激励因素的相互作用下,积极投入和推进3D打印与企业所处行业的融合。

4 常州3D打印产业融合传统产业协同发展研究

3D打印技术的产业化具有一条庞大的产业链,从上游的3D打印材料的生产,到中游3D打印设备的制造,以及下游3D打印应用与服务,产业路线长,涉及的技术新、科技含量高,其核心技术主要在上游的3D打印材料的研制开发以及中游3D打印设备的制造。

4.1 上游的3D打印材料的研发与产业化

目前3D 打印的材料主要有塑料、尼龙、石膏、陶瓷等,工业级应用的金属粉末仅有钛、不锈钢、金银等寥寥数种,因此如何开发更为多样的3D打印材料,如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料以及传统方法难以制作的复合材料已成为当前3D打印的一大关键技术。

常州在新材料领域具有较强研发与生产的优势,在武进经发区建有“功能新材料产业园”,建有4个新材料生产基地(新型功能高分子材料基地、新型复合材料基地、新型金属材料基地、新型能源材料基地),另有常州聚合物改性与应用技术研究院、北京化工大学常州先进材料研究院、江苏省高性能分子材料重点实验室、安格特国家级博士后科研工作站等一批研发平台,在功能新材料方面具有强大的研发与生产的优势。

因此,常州在3D产业发展过程中,可重点围绕3D打印产业链的上游新材料产业,加以引导与规划,鼓励现有企业开展3D打印新材料的研发与生产,在招商引资方面,有重点的吸引国内外3D新材料研制开发科研机构、高校与企业投资和落户常州,紧紧抓住3D打印产业链的上游核心技术。

4.2 中游3D打印设备的研制与产业化

常州作为江苏乃至全国重要的装备制造业基地,在智能装备产业领域具有雄厚的工业基础,在武进高新区建有“机器人及智能装备产业园”,常州科教城先后引进了中科院合肥物质科学研究院、常州数控技术研究所、哈尔滨工业大学机器人研究所常州分所等一批以机器人与数控智能装备技术为主要研发方向的科研院所,具有较强的数控及智能装备的研发优势与人才优势。

3D打印机是3D打印的核心装备,它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统,主要由高精度机械系统 、数控系统 、喷射系统和成型环境等子系统组成,属于典型的智能制造装备,其产业化发展需要较强的工业基础支撑。

常州应充分发挥自身在智能装备产业领域的优势,引导和扶持企业开展3D打印设备关键技术攻关及关键设备的产业化,研发方向以工业化高端3D打印设备和民用便捷式桌面小型3D打印设备为主。

4.3 下游3D打印应用与服务领域

在3D打印庞大的产业链上,下游3D打印应用与服务具有巨大的市场空间,如何开拓3D打印下游应用市场空间,组建与培育3D技术服务体系,也是常州未来3D产业发展的关键。

3D打印行业的发展需要完善的供应商和服务商体系、市场平台。供应商和服务商体系中,包含工业设计机构、3D数字化技术提供商、3D打印机及耗材提供商、3D打印设备经销商、3D打印服务商。市场平台包含第三方检测验证支持、金融支持、电子商务、知识产权保护等支持。

综上所述,常州应积极引导和发挥常州高等院校、工业设计企业、软件企业与科研院所的积极性,为上中下游研发、制造与应用企业提供信息、技术、设备等服务,为常州传统企业提供3D打印整体系统解决方案,完善常州3D打印产业链,促进3D打印技术与常州传统产业的协同发展。

参考文献:

[1]王德花,马筱舒.需求引领,创新驱动——3D打印发展现状及政策建议[J].中国科技产业,2014(8).

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[3]王文涛,刘燕.3D打印制造技术发展趋势及对我国结构转型的影响[J].科技管理研究,2014(6).

[4]刘晓梅.第三次工业革命背景下3D打印业企业竞争力影响因素研究[D].上海:东华大学硕士学位论文,2014.

[5]李小丽,马剑雄,李萍,等.3D 打印技术及应用趋势[J].自动仪表化,2014(1).

[6]胡金星.产业融合的内在机理研究[D].上海:复旦大学博士学位论文,2007.

[7]Seppo Laakso,Eeva Kostiainea.Design in the Local Economy:Location Factors and Externalities of Design[J].Knowledge,Technology & Policy,2009(22).

[8]Verganti,R.Design.Meanings and Radical Innovation:A Meta Model and R esearch Agenda[J].Journal of Product Innovation Management,2008(25).

作者:马云燕

3D打印技术用于土木工程论文 篇2:

3D打印混凝土建筑及其混凝土材料现状分析

摘 要:近年来,3D打印技术作为一门新兴技术得到了越来越多国家和地区的关注。它所涉及的领域也日益广泛。从2013年起,3D打印技术被逐步引入进建筑领域。文章首先对于3D打印在混凝土建筑中的应用进行了介绍,包括应用实例、现有的3D打印设备、打印工艺。接着就3D打印在混凝土建筑中的应用现状进行分析,指出了其优点及发展所需要面对的几点问题。在文章的最后,对于3D打印在混凝土建筑的未来发展提出了自己的一些看法与意见,得出相关结论并进行了展望。

关键词:3D打印;建筑;混凝土;现状分析

具有数字化、网络化、个性化、定制化特点的3D打印技术是一项非常具有发展前景的新兴科技。经过20余年的发展,凭借其制作精度高、制作周期短、制作材料多样等特点,3D技术已经成功实现在航空航天、医疗器材、汽车维修等多个领域的应用。其优于传统制造工艺的特点同样可以推动土木工程领域尤其是结构工程的发展。

2013年美国建成了世界上第一个3D打印建筑架构。在荷兰,Universe Architecture 建筑设计事务所在2013 年提出将以莫比乌斯环为原型利用3D 打印技术建造Landscape House。2014年4月,我国首批3D打印建筑在上海建成;2015年1月,在苏州建成了3D打印别墅住宅。此外在山东青岛等地,许多3D打印建筑的项目正在紧锣密鼓的筹备当中。可以说3D打印技术在建筑领域内正渐渐形成了一种迅猛发展的潮流。

1 3D打印建筑现状

1.1 3D打印建筑设备

现有的3D打印建筑的设备主要由一个龙门架在X方向上移动,悬挂于龙门架上的打印喷头在一定区域内进行X、Y、Z三个方向上的打印,再由打印头上部的悬挂杆完成较大尺度的Z方向运动。

1.2 3D打印建筑工艺

目前广泛使用的3D打印技术是“轮廓工艺”。所需材料都是从喷嘴中挤出的,喷嘴会根据设计图的指示,在指定地点喷出混凝土材料,就像在桌子上挤出一圈牙膏一样。然后,喷嘴两侧附带的刮铲会自动伸出,规整混凝土的形状。这样一层层的建筑材料砌上去就形成了外墙,再扣上屋顶,一座房子就建好了。轮廓工艺的特点在于它不需要使用模具,打印机打印出来的建筑物轮廓将成为建筑物的一部分,这样大大提升了建筑效率。

2 3D打印建筑优点

概括来说,3D打印建筑有着以下几个优点:

2.1 施工工期短,施工过程无污染

当前3D打印机可在24小时内完成10栋200平方米的单层建筑,这个建筑速度是传统建筑方式的数倍。在建筑过程中,采用的材料为新型混凝土材料,使得施工过程中的扬尘、施工噪声污染得到极大的改善。并且还减少了建筑材料、构件的运输,使得建筑能耗大大降低。

2.2 可打印结构复杂的节点

3D打印能够生产出高度数字化的具有复杂三维内部构造的构件。随着实际工程需要和设计水平的提高,结构节点的复杂性大大提高,此时再运用传统制造工艺如消减制作方法生产出来的节点构件,将越来越难以实现高标准。相较之,3D打印技术发展可以实现复杂节点的完整打印。此外,提高构件延性方面也具有重要突破,比如抗震结构中耗能构件的打印。3D打印的应用可以将外加劲肋替换为更利于美观、空间利用的内加劲肋剪切耗能连接,实现在高应力部分的应力减小,达到地震能量的耗散和减小主体结构破坏的作用。

2.3 材料成本低

与传统的建筑相比,3D打印建筑一次成型,避免了返工和因尺寸差别而导致的材料切割所造成的浪费,节约了大量材料成本和人工成本。

3 3D打印建筑存在的问题

3.1 3D打印建筑用混凝土材料

目前现有混凝土材料粘结时间长,通常初凝时间即达到六到十小时,而终凝时间更是长达二十四小时左右。而对于3D打印混凝土建筑来说,需要求材料在短时间内便能快速凝结,现有的混凝土材料难以满足这一要求。

3D打印用混凝土需要有适宜的流动性。若流动性过大,则会导致在3D打印过程中材料无法堆叠,而流动性过小,则会导致3D打印喷头的堵塞。因此怎样的流动性较为合适,使得混凝土在从喷头中喷出后即快速凝结,也是现在所存在的问题之一。

3D打印建筑用混凝土配制好后便立刻要能达到一定的强度,便于支撑继续打印;之后强度也要满足相应的国家标准。现有的3D打印建筑用混凝土材料的强度上还有所欠缺,使得现有的3D打印建筑仅局限于1~2层的小型建筑。若想将3D打印技术应用于中高层建筑或地震多发地区,则还需要进行更多的尝试。

对于3D打印用混凝土材料上存在的问题,可从现今广泛运用的建筑材料入手,选择部分合适的胶凝材料、骨料作为试验对象,例如便于泵送的硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥。而添加剂则依据现今3D打印技术的研发成果定向选择,不拘泥于传统的添加剂。例如用于增强混凝土抗拉强度的玻璃纤维等添加剂。目前3D打印用混凝土的种类及组成材料主要为经处理的天然石膏、破碎花岗岩等建筑垃圾、公司自主研发的用于特定机型的含纤维添加剂的混凝土。

3.2 3D打印建筑相关配套

除却3D打印建筑所用材料上存在的问题之外,3D打印建筑对于3D混凝土打印机、3D打印软件等方面也提出了较高要求。

3D混凝土打印机是3D打印混凝土建筑的主要设备,性能优良的打印机能提高3D打印建筑的精度并使得打印效率得到提升。然而如今市场上还没有量产的3D混凝土建筑打印机。没有统一规格的打印机便使得3D打印建筑不能得到大范围的普及。

3D打印软件主要由建模软件、切片软件和三维行程控制软件组成。其中,建模软件可采用AutoCAD、3DMAX等支持STL格式文件的软件。切片软件将建模软件生成的STL文件转化为G代码,这类软件大多为开源软件。例如Cura、Slic3r等。三维行程控制软件负责读取G代码,完成3D打印过程。然而在混凝土打印的邻域里并不存在合适的开源软件,因此需要自主进行开发。

3.3 打印质量控制

打印质量指得是3D打印建筑的力学性质、耐久性能。许多因素会影响到3D打印建筑的质量,从而使得建筑质量难以控制,例如材料自身问题、设备打印速率、打印工艺等。

材料自身的工作性能较差,导致下层混凝土已经初凝,上层混凝土流动度低,从而形成空隙,严重影响材料打印质量。

设备打印速率过快,下层混凝土强度未达到支撑强度,整个构件会变形甚至坍塌;打印速率过慢,混凝土初凝后界面黏结强度低。

在连续打印过程中,必须保持混凝土供应的连续性;打印完成后的后期维护保养也会影响打印质量

4 发展与展望

3D打印建筑技术对环保、建筑业、商品混凝土行业带来的改变是显而易见的。如果我国的水泥行业按照现在的速度生产和发展下去,不仅会消耗大量的资源和能源,而且将给整个地球的环境增加不可想象的负担,这与走可持续发展的道路是严重相悖的。3D打印建筑技术不仅可以更有效地利用混凝土材料,大大减少水泥需求量,更能够大幅度提高建筑物服役寿命,此举无疑又大大减少了建筑垃圾的产生,减少了重复建设。因此,研究探讨出符合设计需求的新时期商品混凝土是十分必要的。

首先,商品混凝土的原材料将会变得更加广泛,比如胶凝材料可能采用特种水泥、树脂、镁质胶凝材料等;粗细骨料的质量要求会更高,以满足3D打印的需要,有可能会采用新的破碎工艺制造出完全不同于现在的材料;外加剂可能会从根本上发生改变,其在混凝土体系中发挥的作用及作用机理也完全不同于现在。

其次,在配合比设计方面,可能还需要有新的理论来支持。因为3D打印所需要的混凝土已经不同于传统的混凝土,混凝土各项性能发生了巨大变化,不是简单的水灰比、砂率等所能决定的了,其硬化、收缩性能发生根本性改变,目前的混凝土强度理论、耐久性能理论、水化作用理论等均不能适应要求。为获得更高的强度,更好的耐久性,更完美的拌合物性能,更快的硬化速度和性能,需要从新的角度去发现理论,新的配合比设计方法,建立新的计算模型,以及硬化理论模型、服役寿命预测模型等。

可以预见在今后很长一段时间内3D打印仍然将被人们广泛关注。由于看好3D打印技术所表现出来的广阔的应用前景,许多国家纷纷出台本国的3D打印发展规划,布局3D打印产业。3D打印技术在建筑领域的应用研究刚刚开始,还存在许多亟待解决的问题,比如适合3D打印的建筑材料的研究,是仍然使用混凝土还是开发其他种类的建筑材料,如果使用混凝土,混凝土的工作性能、耐久性能则需要进行专门的设计和评估。3D打印建筑还有很长的路要走,但是毋庸置疑的是,3D打印建筑一定会成为未来世界的新标杆。

参考文献

[1] 马敬畏,蒋正武,苏宇峰.3D打印混凝土技术的发展与展望[J].混凝土世界,2014(07).

[2] 张云,苏义坤.3D打印建筑的发展与展望[J].山西建筑,2015(34).

[3] 张大旺,王栋民.3D打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展[J].硅酸盐通报,2015(06).

[4] 李福平,邓春林,万晶.3D打印建筑技术与商品混凝土行业展望[J].混凝土世界,2013(03).

基金项目:上海市大学生创新项目。

作者简介:乔星宇(1995- ),男,汉族,上海人,本科。

作者:乔星宇 李韵通 潘宁

3D打印技术用于土木工程论文 篇3:

3D打印:造福抑或造孽

5月,致力于以3D打印技术制造枪支的分布式防御公司,新设计的“完全3D打印手枪”在奥斯汀首次进行了试射。

美国《华盛顿邮报》5月22日报道称,美国国家航空航天局(NASA)已选中总部位于得克萨斯州的系统和材料研究公司,向恩里科·迪尼(Enrico Dini)投资12,5万美元,为宇航员制造“营养可口”食品的3D打印机。根据设想,这种3D打印机将按照“数字菜谱”混合各种粉末,制造色香味俱全的食品,打印出一顿顿美餐。之前,恩里科·迪尼设计的神奇3D打印机,“打印”出整幢建筑,比常规建筑快四倍。

而5月初的另一件关于3D打印的事则引起空幻,美国一名大学生设计出世界上首个3D打印枪支,并将草图上传到网络,不少人争相下载、制造,打印出的手枪甚至被神不知鬼不觉地带上了列车,引发公众对枪支管制的热烈讨论。

3D Printer(3D打印),这项只有迄今为止不到30年历史的技术,被英国的《经济学人》评价为“与其他数字化生产模式一起,推动第三次工业革命的实现”,也被美国《时代》周刊列为“十大增长最快的工业”。3D打印技术在美国已经产业化,2011年3D打印市场规模有17.1亿美元,这一数字仅占全球制造市场的0.02%。行业预估,在制造商的推动下,到2016年,3D打印市场规模将达到31亿美元,2020年达到52亿美元。

3D打印能做什么?

这是一种快速成型的技术。它以数字模型文件为基础。运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体。不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状,根据零件或物体的三维模型数据,通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型,过去多在工业设计,模具开发领域被用于制造模型。在使用3D打印机时,软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到打印机上,后者会将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成形,这与传统打印机最大的区别在于,3D打印机使用的“墨水”是实实在在的原材料。

如今,貌似神奇的这项技术,通过开源处理之后,逐渐走入日常生活,打印出各种千奇百怪的东西,未来,3D打印机的应用也将会更加广泛。珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支。这些模型打印可以涉及到的领域里,3D打印会先动谁的蛋糕呢?

3D打印技术可以简化普童人制作产品的流程,并降低制作成本。发明家只需几个小时即可将他们的最新设计变成实物,然后经过调整后再打印出来,而不必等待好门周由工厂生产原型产品。

工业领域虽然也拥有注压成型这样的技术,但却需要由工匠制作一个金属铸件,然后将加热后的塑料倒入其中,因此,这种方法只有在大规模生产时才能实现成本效率。而有了3D打印机,无论产量是1件还是100万件,平均成本都一样。“我要制作出独一无二的手机套也不会产生太大成本。”得克萨斯大学工程师瑞恩·维克(RyanWicker)说,“打印100件不同的产品的成本效率与打印100件相同的产品完全一样。”

恩里科·迪尼称,3D打印机应用对象可以是任何行业,只要这些行业需要模型和原型。这也是这种打印机技术发展迅猛的主要原因之一。在消费电子业、航空业和汽车制造业,3D打印已经变得越来越流行。

一款被命名为“Urbee”的打印汽车已经亮相。这款打印汽车是由一个特制3D打印机层叠建造车身,不会在短时间内分解,至少可以使用30年。它采用汽油和电力混合发动机,仅使用类似大小普通汽车八分之一的能量,成为世界上最环保的汽车之一,却也能在高速公路上每加仑汽油行驶200英里。同时,汽车行业在进行安全性测试等工作时,会将一些非关键部件用3D打印的产品替代,在追求效率的同时降低成本。

如今类似的3D服务公司在世界各地蓬勃发展。除了最有名的shapeways,3D打印机的生产厂商之一3D Systems也设立了一家合资公司Mqast,这家公司的机器已可以支持用铝和不锈钢来打印。

有报道称,一位老爷车收藏者利用这种3D打印机打印出了收藏品中缺失的零件,终于让他收藏的老爷车得以重新启动。这种技术甚至可以制作单个的喷气式飞机上的空气动力导管,而不再需要工序麻烦地制作很多不同的元件去组装它。

人工太空餐

在NASAm项目经理、系统和材料研究公司工程师安詹·康特拉克特解释这—项目的灵感时说,他曾用3D打印机为妻子打印出巧克力。打印巧克力的试验促使系统和材料研究公司开始考虑,还有哪些食品可以打印生成。

系统和材料研究公司把比萨饼作为他们的第一个目标。之所以选择比萨饼,因为它包含多种营养和口味。同时,比萨饼的多层次构造,是使用3D打印技术的关键。比萨打印过程首先需要打印底层的面团,打印过程中会进行烘烤,随后加入番茄粉末、水和油完成番茄酱的打印,顶部还会有个蛋白质层。目前整个工程还处于初级阶段,未来如果真能成功,那将成为里程碑式的事件。

理论上,宇航员如果想家,甚至可以吃到根据妈妈的爱心菜谱做出的食品。打印机能够联系地球并接收个性化烹饪指导或菜谱。康特拉克特说:“妈妈可以在电脑中设计一款甜饼,把甜饼发送至航天飞机。她的儿子或女儿就可以在圣诞节打印出这款甜饼。”事实上,利用3D打印技术做饭也并非异想天开,2011年,康奈尔大学就设计出一款打印机,利用面团在器皿中的运动制作食品。

目前许多经济学家认为现在的食物供应不能满足世界上120亿人的口粮。打造这个3D打印机的工程师期待着哪天地球人的厨房里都有个3D打印机,用它打印食物来养活家人。

如果说,3D打印在食品领域的作用只是有趣的尝试的话,在医疗方面的运用就更加振奋人心。

日本的杉本博士自2011年以来一直使用3D打印机制作准备手术的病人的器官复制品。使用患者的CT和MRI图像,医生可以使用3D打印创建真人大小的复制器官。这些复制的器官模型外层是半透明的,医生可以从外面看到结构和骨骼,每个模型需要花费500至1500美元的费用。

比利时欧斯祖斯基大学的拉斐尔教授也在口腔颔面外科研究实验室,使用3D打印技术通过病人的骨骼结构建立物理模型。“时间是关键的,如果接受手术的患者,内部组织暴露时间过长,就存在更大的风险。外科医生采取CT或锥束CT扫描的病人并使用Maxilim软件导出骨部分,将3D文件转换成可打印的文件,打印出一个全尺寸的3D物理模型。手术前对模型的了解和研究,让我们可以很容易地为病人赢得一个小时,这对病人来说是一个重要的消息”,拉斐尔教授说。

两岁的Emma Lavelle患有先天性多发性关节挛缩症(AMC),这种病阻碍了她的肌肉和关节生长并使肌肉和关节变得僵硬。在治是AMC方法中,最具前景的一项治疗是WREX设备,这是一款身体铸件,搭配弹性绷带和假朕节,可帮助AMC患者抬举四肢。

研究人员塔里克·拉赫曼和设计师惠特尼·山姆珀尔用3D打印设备,打印出缩小版的WREX设计中的小部件给Emma。Emma现在可以自由移动手臂,可以像正常孩子一样玩玩具,自己吃饭。甚至不需要父母的帮助就可以拥抱父母。

2012年,美国麻省理工学院和宾夕法尼亚州大学的研究人员已经使用糖物质混合物和自制式3D打印机建立了一个完整的血管组织。令人震惊的是,通过这种技术“制造”出来的血管可以“生长”出类似于肌肉的组织。宾夕法尼亚大学的研究人员称,他们已经可以“生产”这种带有脉管组织的人造器官。其工作原理是将肉由内向外“打印”出来,这样便于先“打印”出脉管系统,从而使得肉可以围绕着这些脉管系统生长。

不久前,医学杂志《牙科材料》(Dental Materials)刊载利用3D打印机“制造”骨骼的论文,而且宣称该技术已经应用于临床。在实验室测试中,这种骨骼替代打印材料已经被证明可以支持人体骨骼细胞在其中生长,并且其有效性也已经在老鼠和兔子身上得到了验证。

现在,3D打印版的关节和骨头正在帮助大约3万名病人正常行走,而1000万人正使用3D打印版适合自己的助听器,在不远的将来,3D打印机还可以打印药物处方。

造出枪支怎么办?

如今的3D打印机体积越来越小,速度越来越快,价格越来越低,基础的3D打印机只有微波炉那么大,有了它,任何人都可以成为制造商。

现在人们可以在一些电子产品商店购买到这类打印机,工厂也在进行直接销售。一套3D打印机的价格从一般的750美元到上等质量的27000美元不等,再有10年或者20年时间,很多家庭都可以拥有一台3D打印机,只需要上网下载设计图,就可以随心所欲打印任何需要的物品。经历了互联网、网上购物、网络生活后,3D打印将成为下一个潮流。

不过,3D打印除了造福人类,它的另一方面也带来隐忧。

5月。—直致力于以3D打印技术制造枪支的分布式防御公司,新设计的“完全3D打印手枪”在得克萨斯州奥斯汀首次进行了试射,这支枪包括枪管、弹簧等在内的重要部件均以民用3D打印机制作,材质为塑料,发射22LR口径的枪弹,可以在2米距离内有一定杀伤力。“分布式防御”的创始人科迪·威尔逊称这种枪为“维基武器”。英国BBC记者在现场见证了这次试射。BBC记者称,美国烟草酒精和枪支管理局的相关负责人说,美国法律规定“个人有权制造仅供自己使用的枪支”,因此这支3D打印枪支在美国是完全合法的。

此前,“分布式防御”公司为代表的许多企业、组织和个人都进行过3D打印枪支的实践,但一般限于用3D打印制造下机匣、弹匣等非主要受力部件。而这次试射的3D打印枪支中包括枪管、弹簧等均为的3D打印方式成型的工程塑料部件。

全枪仅有击针和子弹不是3D打印方式制作,这是因为如果用塑料制造击针,它的硬度将无法击发子弹的底火。据了解,用工业级大型3D打印机制造金属材料的枪械其实并不困难,只是价格异常昂贵,不过这一技术已经在部分西方枪械公司研制样枪时使用。而“分布式防御”等组织和个人又直试图进行的是使用家用级3D打印机制造塑料材质的枪械,其中的主要困难在于塑料部件的强度不足。

由于是全塑料制品,这种3D打印强制可以轻松躲过安检,它所产生的持有枪支,以及携带枪支等一系列问题,都有待于认定并规范。

作者:杨冠宇