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3D打印广泛应用科学仪器如何助飞3D打印注射美容

2020-05-12

科技时代的“鲁班”非3D打印莫属,飞天遁地、怪异嶙峋,无论怎样的物件似乎都能够被3D制造。从零部件到跑车、从子弹到住房,从指纹手套到心脏模型,只要需要模型和原型,3D打印(增材制造)就有用武之地,刚刚结束的亚洲文明对话大会,其会徽就是由3D打印所制造。工信部装备工业发展中心主任瞿国春在5月10日接受采访时称,去年全球增材制造(3D打印)产业产值已经达到97.95亿美元,同比增长了33.5%。其中,增材制造零部件的产值占比达12%,增材制造应用方式逐步从设计走向了直接制造,这意味着到了真正的产业化阶段。

目前,3D打印技术的技术分类有SLA、CLIP、3DP、FDM、PolyJet、NPJ、SLM、SLS、LMD、EBM等,大多已得到了广泛应用,并且随着技术自身的发展,其应用领域也在不断拓展。以下是3D打印在几个领域的应用进行介绍:

3D打印汽车行业中应用浅谈:

根据SmarTech调研报告预测,3D打印技术在汽车行业的总市场到2023年有望达到22.7亿美金。除了零部件设计与制造,汽车外观造型、内部结构或汽车内饰为汽车制造业注入了新鲜血液,不仅是汽车零部件的设计与制造,而且汽车外观造型、内部结构或汽车内饰功能上的设计,不同程度地应用了3D打印技术。

世界首辆3D打印汽车—原型机Urbee于2013年问世,整个车身采用3D打印技术一体成型,整车的零件打印只需2500小时即可完成,生产周期远远快于传统汽车制造周期。目前3D打印技术在汽车设计中的应用主要集中在概念模型开发、功能验证原型制造、工具制造及小批量定制型成品生产四个阶段。近年来3D打印在造型评审、设计验证、复杂结构零件、多材料复合零件、轻量化结构零件、定制专用工装、售后个性换装件等方面的应用逐渐被越来越多的汽车厂家采用。

3D打印医疗行业应用浅谈

救死扶伤必须充分调动医疗资源潜力,而3D打印早已变成了医生的得力助手。长此以往,医疗器械行业早已拥有从器材、人体器官到手术治疗的全方位3D复印而成的商品及其运用。最简单的应用是使用金属、塑料等非活体组织材料定制化假肢、牙科、骨科植入物、助听器外壳等医疗器械,这方面的应用已然非常普及,进阶一点,还可以用3D打印制造血管、软骨等活体组织,更有甚者,甚至可以打印人工肝脏、心脏等。

3D打印在医疗领域还有一项让人垂涎的应用就是辅助手术,通过3D打印的三维形状构建,可以在手术前看到病变处之外的其他区域,并可以在真正的手术之前展开多次模拟训练,减少手术实施的风险。

3D打印食品行业应用浅谈

3D打印在食品行业的应用仍处于初级阶段,但利用多材料食品3D打印技术解决膳食平衡问题是其中的热点应用之一。通过对材料盒中的食物原料进行科学合理的配置,3D打印技术可以打印出适用于不同营养需求的青少年、老人、孕妇和病人食品。这其中3D打印食品材料配方及成型工艺、食品3D打印平台的设计与制造、食品打印专用喷头的研发、温度和压力控制系统的研发、3D食品打印软件的研发,所研发的新装备标志着智能3D打印在膳食平衡和新食品开发领域的发展方向。利用3D打印技术制作食品,不仅简化了生产过程,降低了成本,而且可以进行个性化的形状定制。特别是在航空食品领域,3D打印可用于生产保质期长达30年的航空食品。

3D打印航空航天应用浅谈

在航空航天领域,3D打印正在进入产业化生产,以下几种零部件及设备的应用非常普及:涡轮叶片的铸造型芯、发动机支架、燃料喷嘴、其他零部件,甚至嵌入式二维码,利用3D打印可以形成高复杂的内部冷却通道结构。航空航天正在利用3D打印来改善资产的分配,减少维护费用,并通过制备更轻的部件节省燃料成本。

3D打印建筑行业应用浅谈

与传统建筑方式相比,3D打印建筑技术不仅速度快,不需要使用模板,可以大幅度节约成本,而且还具有绿色、环保、低碳的特点,并且可以降低安全隐患。3D打印在建筑领域的应用主要集中在建筑设计阶段和工程施工阶段。在建筑设计阶段,设计师可以通过3D打印实现更多无拘无束的想法。其次,利用3D打印技术可以提前有效预测一些特殊设计。在施工阶段,3D打印技术可以大大缩短施工周期,提供高质量的应急住房。

从功能技术层面来讲:未来打印机可能朝着多功能方面发展,成为能够独立打印建造轮廓、打印钢筋、打印装饰面、安装管道、刷漆、贴瓷砖等多功能建造机;能够打印无需临时支承的悬空或挑空结构,这对建筑结构的选取提供了更大的灵活性。

除上述几个领域之外,3D打印在武装设备、服装、教育、工业设计、文化艺术、机械制造(汽车、摩托车)、军事、影视、家电、轻工、考古、雕刻、首饰等领域都有广泛的应用。具体来说可以影响到包括设计方案评审、制造工艺与装配检验、功能样件制造与性能测试、快速模具小批量制造、建筑总体与装修展示评价、科学计算数据实体可视化、医疗工程、首饰及日用品快速开发与个性化定制、动漫造型评价、电子器件的设计与制作等。

科学仪器如何助飞3D打印

遵循着马太效应,如今热度越来越高的3D打印,也迎来了越来越多科学仪器的助阵。

扫描电镜

扫描电镜是检测3D打印物品表面缺陷的有效工具,2016 年,Walczak 等人(Applied Computer Science, vol. 12, no.3, pp 29-36)通过3D打印方法,对 17 –4PH 钢制品的特性进行了研究。结果表明,扫描电镜分析显示激光烧结后的焊接表面的结构中存在缺陷,这种现象是不合需要的,降低了打印物品的质量。

粉体流变仪

增材制造也称3D打印,是一种潜在的高效制造技术。通常涉及按严格的技术规范“打印”复杂组件,具体方法是逐层堆积粉体,然后选择性地熔结。控制粉体性能对于过程效率和成品质量至关重要。当形成粉层时,粉体流动和装填方式决定了该性能的各个方面。原料的多变性会导致松装密度不一致、粉层不均匀、抗张强度低以及表面光洁度差。

元素分析仪

目前3D打印金属粉末制备技术主要以雾化法为主(包括超音速真空气体雾化和旋转电极雾化等技术),粉末存在大的比表面积,容易产生氧化。因此,对不同体系的金属粉末,氧含量均为一项重要指标,对于普通的金属粉末,如不锈钢,含氧量要求在800-900ppm以下,对于活泼金属,如钛合金,一般要求在1300-1500ppm,在航空航天等特殊应用领域,客户对此指标的要求更为严格。此外,部分客户也要求控制氮含量,一般要求在500ppm以下。大多数增材制造的方法都是基于同样的工艺步骤。激光光束会局部融化金属粉末上层,使其固化进而形成一层固态材料。这一步骤重复一遍又一遍直到最终产品被生产出来。所要使用的金属粉品质由粒度分析方法(如筛分法)测定,某些情况下,元素分析也可以在增材制造过程之前用于检测其品质。

粒度粒形分析仪

金属3D打印常用的粉末粒度范围是15-53μm(细粉),53-105μm(粗粉),部分场合下可放宽至105-150μm(粗粉)。目前市场上主流SLM 成形设备要求的铺粉层厚是20-50μm。而GBT1480-2012《金属粉末 干筛分法测定粒度》适用于大于45微米的粉末颗粒,所以已不太能满足金属3D打印粉末粒度测试要求。激光粒度仪适用于0.1μm到2mm的粒度分布分析,但激光粒度仪存在如折射率难以确定,进样量少,没有颗粒形态信息,将颗粒等效成球形导致不规则样品的测量准确度不高等一些瓶颈。SLM 成形专用金属粉末是通过气雾化法制备得到的,颗粒一般呈球状,但也会出现形状不规则的颗粒,颗粒球形度直接影响粉末的流动性和松装密度。粒度粒形仪可以测量球形度,并且解决电镜耗时长,无法进行质监检测的不足。

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