物理

张飞和先进制造有关系吗?有,3D(三弟)打印啊!

圆的方块 发表于  2019-04-03 11:58

|·本文来自“我是科学家”·|

办公室里的打印机,为什么只有脑子最笨的张飞会用,而刘备和关羽不行?

——因为3D(三弟)打印呀。

今天,咱们聊聊这项技术。

什么是3D打印? 3D打印,我们或多或少地都听说过,甚至也见过一些3D打印出来的精巧构件。不过要往深了说,大部分人都说不出个所以然。

一个典型的3D打印作品,图片来源:Sina.com

这几年来,加诸于3D打印的名头实在太多——“引领下一次工业革命”、“颠覆传统制造业”、“未来科技”等等。

在试图了解一项技术之前,最好是先拨去笼罩在它之上的光环。

3D打印本质上只是一种制造技术,它还有一个学名,叫增材制造,以前它还有个更土的名字,叫快速成型[1]

是不是瞬间感觉没什么气势了?

那么,去掉炫酷的名字,3D打印技术和传统制造技术有什么区别呢?

这里有一个不算特别贴切的比喻:传统制造方式是做雕刻,不断切掉你不想要的部分,最终得到想要的;3D打印有点像蚕吐丝,通过一根根细丝的相互堆叠、积累,最终成为一个光洁的蚕茧。

3D打印的诞生

3D打印技术出现在1983年,发明人叫查克·赫尔(Chuck Hull)。

当年的赫尔在一家小企业工作,这家企业的主营业务是做桌子的硬质涂层。具体来说,就是把一种液态的小分子涂在桌子表面,在使用紫外灯去照射时,这些小分子会相互连接,聚合成大分子,从而发生固化,变为坚固的保护层。

这些小分子叫做“光敏聚合物”,这个反应过程就叫做“光固化”[2]

赫尔每天在公司里拨弄着各种各样的紫外线灯,日复一日地看着那些分子见光凝固。有那么一天,他突然想到,如果能够让紫外线一层一层地扫在光敏聚合物的表面上,将这成百上千的薄层叠加在一起,他就能够制造任何可以想象的三维物体了。

此情此景,像极了牛顿挨了苹果砸,瓦特见到了烧水壶。

“这真是个碉堡的主意!”虽然没有历史记载,但当时赫尔心里一定浮现的是这句话。因为他立刻投入到了实践中。

经过一年的努力,终于,他把那个乍现的灵光变成了现实:他开发了一个系统,通过控制光线的射入,让光敏聚合物在容器中逐渐的固化,从而形成预先设计的形状。

他将这种工艺命名为立体平版印刷[1]

就这样,带着这个土气的名字,第一件3D打印的模型,诞生了。

2014年, 查克·赫尔作为“3D 打印之父”入选了美国的发明家名人堂。这份名人堂的名单中,还包括爱因斯坦、爱迪生和乔布斯。

赫尔和他的3D打印系统,图片来源:3D Systems

五花八门的3D打印技术

随着人们逐渐意识到这项技术的潜力,故事也开始朝着有趣方向不断演进。

如果说3D打印是一个江湖,那么,几个名门大派,都有着自己的独特功法。

首先,在赫尔申请专利的同一年,美国Helisys公司发明了分层实体制造技术,简称为LOM,工艺流程是把片材切割并粘合成型[2]

不知道你们看没看过科技馆里的人体组织切片,就是把标本切成一片片的再展示出来。分层实体制造与这个过程恰好相反,就是先做好一片片材料的形状,之后直接把这些片层整合到一起。

LOM工艺的一个问题是需要把原材料预先做成薄片,于是这项工艺的使用范围就变得十分有限,大多时候,只是用来做些纸的模型。

5年之后,也就是1988年,美国人斯科特克伦普发明了熔融沉积成型技术(FDM),从而把3D打印推广到了金属领域。[3]他先把材料加热到刚刚熔化的状态,之后把液态材料直接喷出来,迅速冷却成型。这听起来有点像做糖人。

FDM虽然简便了很多,但是也存在着局限,就是所用的材料熔点不能太高,要不然设备都烧着了,材料还没成液态呢。以至于FDM只能用在一些塑料和低熔点金属上。

不过仅仅一年之后,美国德克萨斯大学奥斯汀分校的学者就解决了这一问题,他们发明了选择性激光烧结技术(SLS)[1]。 SLS的原理也很粗暴,它的原料是粉末状的,之后直接利用高强度激光把粉末烧结在一起。这谁顶得住啊?再牛的金属也架不住激光啊!

后来SLS经过改进,已经能轻松实现钛合金、钴镍合金等材料的3D打印过程,而这些合金都是飞机或飞船上的关键材料。

激光3D打印金属零件示意图,图片来源:Machine35.com

近些年,3D打印技术更是不断地改进与完善,原材料已经囊括了塑料、金属、陶瓷,甚至生物细胞等。

虽然这些技术五花八门,但内核仍然是赫尔的思路,即——把材料直接堆叠成自己想要的形状。

百花齐放的3D打印应用

当3D打印能够处理任何原料之后,剩下的限制,就是人类的想象力了。

如今,我们迎来了3D打印应用百花齐放的时代。

首当其冲的就是工业领域。很多产品的设计之所以不能量产,是因为量产的模具太贵了,经不起试错。有了3D打印,直接一次成型,极大降低了试错成本,如此一来,很多小众的设计都能有了尝试的机会。

再有就是个人订制产品,比如衣服和鞋子等等。人生来各异,买衣试鞋总免不了反复寻觅。有了3D打印,就能够做到量体裁衣。

阿迪达斯推出的3D打印球鞋,图片来源:adidas.com

当然,科学家们把目光放得更远,他们甚至想打印生命。

2017年,日本的科学家们3D打印了一个肝脏,并成功移植进了大鼠体内[4]。2018年12月份,俄罗斯宇航员在空间站中打印了一份生物器官——一个老鼠甲状腺。据说效果还不错,因为失重的状态有利于控制材料的成型[5]

2018年,3D打印人体领域也取得了一个大突破。来自英国的研究人员成功做出了一批3D打印的人眼角膜。他们发明了一种由藻酸盐和胶原蛋白组成的“生物墨水”,把这种生物墨水与人类的角膜干细胞混合在一起,就可以作为原料,3D打印出人类的眼角膜[6]

3D打印人工眼角膜和它的发明者,图片来源:腾讯

来自中国的可穿戴3D打印设备

3D打印在很多特种微型设备上,也有着巨大的应用潜力。近日,Wiley旗下的《先进科学》杂志(Advanced Science)发表了中国科学院苏州纳米所与天津大学合作的一篇论文。

研究人员用3D打印做出了一种纤维状的集成电子器件[7]。这种电子器件,看起来就是一根“线”,但却能实现准确的温度测量。与大块的平面器件相比,它更具柔性且更节省空间。

为了做出这根电子器件,首先要有电源。一般来讲,基本的电源至少有三部分,分别是正极、负极和电解液。在一根线上怎么做出这三种结构呢?这里就需要借助3D打印技术。

(a)3D打印做纤维状电源的示意图,(b、c)工作中的3D打印机,(d)打印出来的纤维状电极材料,直径不到半毫米。图片来源:参考文献[6]

首先,将正负电极的原料分别配成溶液,也就是3D打印的“墨水”。随后,使用3D打印机,直接绘制出纤维状的电极。紧接着,在这两根“线”电极的外表面打印上一层固态的电解质。

于是,我们就得到了两根“线”,分别是包裹了电解液的正极和负极。我们再像拧麻花一样,把这两根线拧到一起,就成了一个完整的电化学电源。

电源有了之后,再如法炮制,做出一条纤维状的传感器。虽说是传感器,但本质是一根还原氧化石墨烯的纤维。这种还原氧化石墨烯,简称叫rGO,具有在不同温度下的电阻会发生变化的特性。将富含rGO的“墨水”通过3D打印的喷头,我们就能得到一根打印出来的传感器“线”。

将上面组好的电源和这根氧化石墨烯缠绕在一起,就可以做成一套完整的温度传感器了。

直接将3D打印出来的电源与传感器拧在一起,就得到了一个完整的电子器件。图片来源:参考文献[6]

研究人员发现,这根“线”能够对30℃-80℃范围的温度变化做出很好的反馈,每摄氏度的误差只有不到2%。

把这种纤维状器件,编织进贴身衣物,就可以实时监测人的体温变化,帮助我们了解自己的身体健康状况,在疾病预防方面发挥潜力。

这种快速、低成本的3D打印技术为柔性、可穿戴纤维状器件提供了新的机遇[7]

当然,你也可以

现如今,3D打印已经从王谢堂前燕,飞入了寻常百姓家。

打开购物网站,搜索“3D打印机”,就能买到小型的家用机,价格跟一台电脑差不多。

不过,家用的型号只能以塑料和一些小分子为原料,因为这些材料加工起来更为容易,也更安全。

外国网友自制3D打印远古三叶虫,图片来源:ZOL.com

如果你想打印些更酷炫的金属零件的话,那么,你需要一台激光金属3D打印机。

可能会贵一点。

emmm...

只要300万。

不过,包邮啊……

(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. Ambrosi, A., & Pumera, M. (2016). 3D-printing technologies for electrochemical applications. Chemical Society Reviews, 45(10), 2740-2755.
  2. Ligon, S. C., Liska, R., Stampfl, J., Gurr, M., & Mülhaupt, R. (2017). Polymers for 3D printing and customized additive manufacturing. Chemical reviews, 117(15), 10212-10290.
  3. Layani, M. , Wang, X. , & Magdassi, S. . (2018). Novel materials for 3d printing by photopolymerization. Advanced Materials, 1706344.
  4. 九州大学科学家成功将生物3D打印肝芽移植到大鼠体内, 搜狐网, http://www.sohu.com/a/201375456_105964
  5. 历史性突破!俄在太空首次3D打印生物材料,人民网,http://sn.people.com.cn/BIG5/n2/2018/1207/c346932-32380440.html
  6. 首个3D打印人类眼角膜问世 未来大批量移植不是梦,腾讯网,http://tech.qq.com/a/20180531/045584.htm
  7. Zhao, J., Zhang, Y., Huang, Y., Xie, J., Zhao, X., Li, C., ... & Li, Q. (2018). 3D Printing Fiber Electrodes for an All‐Fiber Integrated Electronic Device via Hybridization of an Asymmetric Supercapacitor and a Temperature Sensor. Advanced Science, 1801114.

热门评论

  • 2019-04-03 19:59 资深首席唐马儒

    历史记载中找不到任何张飞进攻印度的记录,可见三弟没有打印。

    [8] 评论
  • 2019-04-03 16:33 天降龙虾

    3D打印=以极快的速度用很高的精度砌墙。。。。。。

    [4] 评论

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全部评论(28)
  • 1楼
    2019-04-03 12:32 天生就是2

    问题还是很多啊

    精度差

    还有很长的路要走。

    [1] 评论
  • 2楼
    2019-04-03 16:33 天降龙虾

    3D打印=以极快的速度用很高的精度砌墙。。。。。。

    [4] 评论
  • 3楼
    2019-04-03 16:40 combok

    1,这标题不是谁都能想得出来啊

    2,千来块的打印机其实也能打印枪!!!懂枪内部构造的设计起来不难。。。

    [1] 评论
  • 4楼
    2019-04-03 19:40 cloudlone
    引用@combok 的话:1,这标题不是谁都能想得出来啊2,千来块的打印机其实也能打印枪!!!懂枪内部构造的设计起来不难。。。

    还用设计…cad在网上可以搞到,里面像击针,复进簧,螺丝之类还用些金属,其他abs打印都能搞定,只是像枪管不用金属射不了多少发而已

    [0] 评论
  • 5楼
    2019-04-03 19:59 资深首席唐马儒

    历史记载中找不到任何张飞进攻印度的记录,可见三弟没有打印。

    [8] 评论
  • 6楼
    2019-04-03 20:39 夕雾暮霭

    材料还得准备好久,,太费力了

    [0] 评论
  • 7楼
    2019-04-04 09:57 陈GG

    以前玩RC的时候 多么想有台床能自己加工零件,后来有了3d打印技术 结果我退魔了……

    [0] 评论
  • 8楼
    2019-04-04 10:56 天生就是2
    引用@天降龙虾 的话:3D打印=以极快的速度用很高的精度砌墙。。。。。。

    所以单位是毫米。传统精加工是微米。

    [0] 评论
  • 9楼
    2019-04-04 11:51 combok
    引用@cloudlone 的话:还用设计…cad在网上可以搞到,里面像击针,复进簧,螺丝之类还用些金属,其他abs打印都能搞定,只是像枪管不用金属射不了多少发而已

    塑料自行镀铜还是能打一排子弹的。。。然后换枪。。。

    考虑强度的话自己设计4mm左右的子弹。。。。

    [0] 评论
  • 10楼
    2019-04-04 20:18 参天
    引用@资深首席唐马儒 的话:历史记载中找不到任何张飞进攻印度的记录,可见三弟没有打印。

    三弟就是阿三啊。。。

    [0] 评论
  • 11楼
    2019-04-04 20:23 天降龙虾
    引用@天生就是2 的话:所以单位是毫米。传统精加工是微米。

    所以需要纳米级超高速砌墙机。。。。。。

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  • 12楼
    2019-04-05 13:20 简尚风拾

    标题帝啊!

    不过3D打印本质上就和盖房子机器人差不多,只不过更加精密。个人觉得3D打印处理刚性和连续性分子材料确实很不错,不过在处理需要进行锻造的材料上和编织物上可能会有一定缺陷(比如锻造铝合金这类,针织物等)暂时没有办法代替。

    [0] 评论
  • 13楼
    2019-04-07 17:36 htam

    划时代的创新来源于思想上增加一个维度的跃迁。。。能否给老猪造把钉耙

    [0] 评论
  • 14楼
    2019-04-09 16:25 毛骡 金属材料学博士
    引用@天生就是2 的话:所以单位是毫米。传统精加工是微米。

    精度能到微米。理论上吧。

    [0] 评论
  • 15楼
    2019-04-09 16:27 毛骡 金属材料学博士

    我们还用3D打印作复合材料呢……作者不知道吧。参考文献太老了哦。

    [0] 评论
  • 16楼
    2019-04-10 08:36 企鹅骑士队长
    引用@combok 的话:1,这标题不是谁都能想得出来啊2,千来块的打印机其实也能打印枪!!!懂枪内部构造的设计起来不难。。。

    别忘了把连接打印机的电脑的成本算上。

    其实200多买个电焊机,再花100元买几把钢锯锉刀就够了。费那个钱干什么?

    其实煤炉、铁毡、锤子就行了,更省

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  • 17楼
    2019-04-10 08:41 企鹅骑士队长

    增材制造的确算是重大的工业革命,传统的减材制造浪费原材料,铸造和冲压受模子限制。

    [0] 评论
  • 18楼
    2019-04-12 09:03 天生就是2
    引用@毛骡 的话:精度能到微米。理论上吧。

    磨床可以到微米。一些慢丝放电加工可以到微米。现在的CNC车床例如Mazak出厂检验重复定位时的标准是0.002mm,实际上一般不到0.001mm,用于加工时,假如工况稳定可以保证0.01mm左右的公差。其他的还有一些不去除材料的表面加工可以到微米,例如抛光。但是这些手段一般成本不低,但比三弟打印便宜很多很多,而且效率是三弟的几十甚至几百倍。

    [0] 评论
  • 19楼
    2019-04-12 09:05 天生就是2
    引用@企鹅骑士队长 的话:增材制造的确算是重大的工业革命,传统的减材制造浪费原材料,铸造和冲压受模子限制。

    铸造和冲压严格来讲也是减材制造,有色金属铸造一定有料柄,黑色金属铸造精度极低绝大部分情况都要再次精加工。冲压一定有废料,材料利用率能到7成已经不错了。

    [0] 评论
  • 20楼
    2019-04-12 12:46 毛骡 金属材料学博士
    引用@天生就是2 的话:磨床可以到微米。一些慢丝放电加工可以到微米。现在的CNC车床例如Mazak出厂检验重复定位时的标准是0.002mm,实际上一般不到0.001mm,用于加工时,假如工况稳定可以保证0.01mm左右的公差...

    如果我要一个螺旋放大的管道件呢?工作面是内表面,口径最大10mm,最小1mm。传统工艺怎么弄?

    [0] 评论
  • 21楼
    2019-04-12 15:48 酒下暖阳的月亮

    这项技术最关键的是3D打印的材料!目前种类太少了!

    [0] 评论
  • 22楼
    2019-04-15 10:45 天生就是2
    引用@毛骡 的话:如果我要一个螺旋放大的管道件呢?工作面是内表面,口径最大10mm,最小1mm。传统工艺怎么弄?

    你是说一个管子一头大一头小,然后外形像弹簧一样是螺旋是吧。

    第一种方法:可以参考内冷麻花钻头的出水孔加工,但我不知道它具体是怎么弄出来的,但是有实物。

    第二种常规方法,按你要的尺寸做一根直的管道件然后卷成你要的螺旋。和做弹簧一个方法。

    [0] 评论
  • 23楼
    2019-04-16 11:20 毛骡 金属材料学博士
    引用@天生就是2 的话:你是说一个管子一头大一头小,然后外形像弹簧一样是螺旋是吧。第一种方法:可以参考内冷麻花钻头的出水孔加工,但我不知道它具体是怎么弄出来的,但是有实物。第二种常规方法,按你要的尺寸做一根直的管道件然后卷成...

    我告诉你吧,第一个,那是精铸的。工艺及其麻烦,成本非常高。出水口这种要求不高的,随便弄。排气管那种要求巨变态的,成本要比普通形状高几十倍,甚至上百倍。

    第二个,管状件是不能卷的。你拿吸管试试看就知道了。有条件的话,弄根玻璃管用酒精喷灯烧软了,掰一下看看。

    这也就是3D打印兴起的原因——它可以用于制造各种稀奇古怪的结构。传统上我们只能用铸造来实现。但是当结构形状有大有小,厚度分布又非常不均匀的时候,铸造的难度呈现指数上升。3D打印则不同,它的问题就是原料和时间。对于高精密的复杂零件,3D打印优势及其明显。

    举个最容易理解的例子。那些博物馆里摆着的极其复杂的工艺品铸件,象征什么人类青铜铸造登峰造极的艺术品,在3D打印面前,也就是时间问题罢了。

    [0] 评论
  • 24楼
    2019-04-16 14:19 朴实无华4823

    这种东西真的高端,平民百姓玩不来的

    [0] 评论
  • 25楼
    2019-04-17 08:54 天生就是2
    引用@毛骡 的话:我告诉你吧,第一个,那是精铸的。工艺及其麻烦,成本非常高。出水口这种要求不高的,随便弄。排气管那种要求巨变态的,成本要比普通形状高几十倍,甚至上百倍。第二个,管状件是不能卷的。你拿吸管试试看就知道了。...

    受教了,但是还有点疑问。

    第一种那是精铸,可是刀具根本不可能用铸件啊,材料也对不上啊。硬质合金刀具实际都是粉末冶金产品。价格也对不上,一把进口中心出水的合金刀具也就几百块钱。然后这个出水口也是有一定要求的,应该不能随便弄,因为在很多工况下对切削液有压力要求。

    弯管这工艺应该很普通吧,例如弯铜管,中间灌沙后基本随便卷。例如高频感应淬火用的感应线圈,这玩意就是拿铜管先在直径上钻无数个出水小孔,然后卷成螺旋状。你担心的应该是螺旋状管件内径外径有一个管径的差异所以导致外侧需要更多的材料或者外侧的材料会变形吧,但干什么都有个公差不是。

    假如非要是非常完美的状态,那传统工艺确实无能为力。但是3D打印虽然能克服这种缺点,但目前的3D打印问题还是太多,精度这一项并不比传统工艺更高。就我所见,即使是在塑料应用领域都还有问题。前段时间搞几个塑料制品样件刚巧因为时间问题都是用的3D打印,但是结果让人很失望:价格昂贵接近模具,产品粗糙不二次加工没法用,强度很糟糕根本没办法展开寿命试验。

    我这样的在公司干活的小职员其实非常希望3D打印好好发展发展,这样我们的工作压力会小很多。毕竟3D打印可以大幅缩短研发阶段的时间周期,这比节约的那点成本可有价值的多。

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  • 26楼
    2019-04-17 16:55 毛骡 金属材料学博士


    引用@天生就是2 的话:受教了,但是还有点疑问。第一种那是精铸,可是刀具根本不可能用铸件啊,材料也对不上啊。硬质合金刀具实际都是粉末冶金产品。价格也对不上,一把进口中心出水的合金刀具也就几百块钱。然后这个出水口也是有一定要求...

    刀具用粉末冶金?据我所知只有陶瓷刀具用粉冶吧。一般的钢刀,锻造优势极其明显。金属切割的机床用刀是特例。出水口没啥要求,表面光滑就行。活塞内的通水孔铸造的时候直接放一个用盐作的填充物就可以了。那点压力要求无所谓的。难的就是那种极端条件。比如一个薄壁件开一个更小的孔,头疼得很。

    弯管,你说的方法要计算补料,不然壁厚不一样怎么破。而且压缩面和拉伸面强度差太远了,严重限制材料的机械性能。铜管的延展性好,你那么玩可以。钢管呢?铁管呢?高频炉虽好,有个很麻烦的限制——体积。做不了太大。要是我要做一个最大直径一米的螺管,高频炉就用不上了。

    3D打印原来叫快速原型,精度和材料升级以后,取了个好听的名字叫3D打印。它制造精度其实已经相当不错了(它没有加工精度)。另外,精度好的3D打印,要么是金属的,要么是树脂的。塑料的也有好的,但是台式的没有特别高的。


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  • 27楼
    2019-04-18 12:59 天生就是2
    引用@毛骡 的话: 刀具用粉末冶金?据我所知只有陶瓷刀具用粉冶吧。一般的钢刀,锻造优势极其明显。金属切割的机床用刀是特例。出水口没啥要求,表面光滑就行。活塞内的通水孔铸造的时候直接放一个用盐作的填充物就可以了。那点压力...

    现在硬质合金刀具用的原材料基本都是粉末冶金.一些滚齿刀,拉刀在用所谓的"铁基硬质合金"这玩意在热处理前没啥硬度,热处理后性能和硬质合金相同.

    [0] 评论
  • 28楼
    2019-04-19 09:48 毛骡 金属材料学博士
    引用@天生就是2 的话:现在硬质合金刀具用的原材料基本都是粉末冶金.一些滚齿刀,拉刀在用所谓的"铁基硬质合金"这玩意在热处理前没啥硬度,热处理后性能和硬质合金相同.

    跟高速钢一样的玩意啊。也是,锻造的织构在金属切削过程中没啥用。主要还是靠硬度

    [0] 评论

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