3D打印廣泛應(yīng)用 科學(xué)儀器如何助飛3D打印

　　科技時(shí)代的“魯班”非3D打印莫屬，飛天遁地、怪異嶙峋，無論怎樣的物件似乎都能夠被3D制造。從零部件到跑車、從子彈到住房，從指紋手套到心臟模型，只要需要模型和原型，3D打?。ㄔ霾闹圃欤┚陀杏梦渲?，剛剛結(jié)束的亞洲文明對話大會，其會徽就是由3D打印所制造。工信部裝備工業(yè)發(fā)展中心主任瞿國春在5月10日接受采訪時(shí)稱，去年全球增材制造（3D打?。┊a(chǎn)業(yè)產(chǎn)值已經(jīng)達(dá)到97.95億美元，同比增長了33.5%。其中，增材制造零部件的產(chǎn)值占比達(dá)12%，增材制造應(yīng)用方式逐步從設(shè)計(jì)走向了直接制造，這意味著到了真正的產(chǎn)業(yè)化階段。

　　目前，3D打印技術(shù)的技術(shù)分類有SLA、CLIP、3DP、FDM、PolyJet、NPJ、SLM、SLS、LMD、EBM等，大多已得到了廣泛應(yīng)用，并且隨著技術(shù)自身的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。以下是3D打印在幾個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行介紹：

　　3D打印汽車行業(yè)中應(yīng)用淺談：

　　根據(jù)SmarTech調(diào)研報(bào)告預(yù)測，3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)的總市場到2023年有望達(dá)到22.7億美金。除了零部件設(shè)計(jì)與制造，汽車外觀造型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)或汽車內(nèi)飾為汽車制造業(yè)注入了新鮮血液，不僅是汽車零部件的設(shè)計(jì)與制造，而且汽車外觀造型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)或汽車內(nèi)飾功能上的設(shè)計(jì)，不同程度地應(yīng)用了3D打印技術(shù)。

　　世界首輛3D打印汽車—原型機(jī)Urbee于2013年問世，整個(gè)車身采用3D打印技術(shù)一體成型，整車的零件打印只需2500小時(shí)即可完成，生產(chǎn)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)汽車制造周期。目前3D打印技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要集中在概念模型開發(fā)、功能驗(yàn)證原型制造、工具制造及小批量定制型成品生產(chǎn)四個(gè)階段。近年來3D打印在造型評審、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件、多材料復(fù)合零件、輕量化結(jié)構(gòu)零件、定制專用工裝、售后個(gè)性換裝件等方面的應(yīng)用逐漸被越來越多的汽車廠家采用。

　　3D打印醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用淺談

　　救死扶傷必須充分調(diào)動醫(yī)療資源潛力，而3D打印早已變成了醫(yī)生的得力助手。長此以往，醫(yī)療器械行業(yè)早已擁有從器材、人體器官到手術(shù)治療的全方位3D復(fù)印而成的商品及其運(yùn)用。最簡單的應(yīng)用是使用金屬、塑料等非活體組織材料定制化假肢、牙科、骨科植入物、助聽器外殼等醫(yī)療器械，這方面的應(yīng)用已然非常普及，進(jìn)階一點(diǎn)，還可以用3D打印制造血管、軟骨等活體組織，更有甚者，甚至可以打印人工肝臟、心臟等。

　　3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域還有一項(xiàng)讓人垂涎的應(yīng)用就是輔助手術(shù)，通過3D打印的三維形狀構(gòu)建，可以在手術(shù)前看到病變處之外的其他區(qū)域，并可以在真正的手術(shù)之前展開多次模擬訓(xùn)練，減少手術(shù)實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)。

　　3D打印食品行業(yè)應(yīng)用淺談

　　3D打印在食品行業(yè)的應(yīng)用仍處于初級階段，但利用多材料食品3D打印技術(shù)解決膳食平衡問題是其中的熱點(diǎn)應(yīng)用之一。通過對材料盒中的食物原料進(jìn)行科學(xué)合理的配置，3D打印技術(shù)可以打印出適用于不同營養(yǎng)需求的青少年、老人、孕婦和病人食品。這其中3D打印食品材料配方及成型工藝、食品3D打印平臺的設(shè)計(jì)與制造、食品打印專用噴頭的研發(fā)、溫度和壓力控制系統(tǒng)的研發(fā)、3D食品打印軟件的研發(fā)，所研發(fā)的新裝備標(biāo)志著智能3D打印在膳食平衡和新食品開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展方向。利用3D打印技術(shù)制作食品，不僅簡化了生產(chǎn)過程，降低了成本，而且可以進(jìn)行個(gè)性化的形狀定制。特別是在航空食品領(lǐng)域，3D打印可用于生產(chǎn)保質(zhì)期長達(dá)30年的航空食品。

　　3D打印航空航天應(yīng)用淺談

　　在航空航天領(lǐng)域，3D打印正在進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，以下幾種零部件及設(shè)備的應(yīng)用非常普及：渦輪葉片的鑄造型芯、發(fā)動機(jī)支架、燃料噴嘴、其他零部件，甚至嵌入式二維碼，利用3D打印可以形成高復(fù)雜的內(nèi)部冷卻通道結(jié)構(gòu)。航空航天正在利用3D打印來改善資產(chǎn)的分配，減少維護(hù)費(fèi)用，并通過制備更輕的部件節(jié)省燃料成本。

　　3D打印建筑行業(yè)應(yīng)用淺談

　　與傳統(tǒng)建筑方式相比，3D打印建筑技術(shù)不僅速度快，不需要使用模板，可以大幅度節(jié)約成本，而且還具有綠色、環(huán)保、低碳的特點(diǎn)，并且可以降低安全隱患。3D打印在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在建筑設(shè)計(jì)階段和工程施工階段。在建筑設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師可以通過3D打印實(shí)現(xiàn)更多無拘無束的想法。其次，利用3D打印技術(shù)可以提前有效預(yù)測一些特殊設(shè)計(jì)。在施工階段，3D打印技術(shù)可以大大縮短施工周期，提供高質(zhì)量的應(yīng)急住房。

　　從功能技術(shù)層面來講：未來打印機(jī)可能朝著多功能方面發(fā)展，成為能夠獨(dú)立打印建造輪廓、打印鋼筋、打印裝飾面、安裝管道、刷漆、貼瓷磚等多功能建造機(jī)；能夠打印無需臨時(shí)支承的懸空或挑空結(jié)構(gòu)，這對建筑結(jié)構(gòu)的選取提供了更大的靈活性。

　　除上述幾個(gè)領(lǐng)域之外，3D打印在武裝設(shè)備、服裝、教育、工業(yè)設(shè)計(jì)、文化藝術(shù)、機(jī)械制造（汽車、摩托車）、軍事、影視、家電、輕工、考古、雕刻、首飾等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。具體來說可以影響到包括設(shè)計(jì)方案評審、制造工藝與裝配檢驗(yàn)、功能樣件制造與性能測試、快速模具小批量制造、建筑總體與裝修展示評價(jià)、科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)實(shí)體可視化、醫(yī)療工程、首飾及日用品快速開發(fā)與個(gè)性化定制、動漫造型評價(jià)、電子器件的設(shè)計(jì)與制作等。

　　科學(xué)儀器如何助飛3D打印

　　遵循著馬太效應(yīng)，如今熱度越來越高的3D打印，也迎來了越來越多科學(xué)儀器的助陣。

　　掃描電鏡

　　掃描電鏡是檢測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）通過3D打印方法，對 17 –4PH 鋼制品的特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，掃描電鏡分析顯示激光燒結(jié)后的焊接表面的結(jié)構(gòu)中存在缺陷，這種現(xiàn)象是不合需要的，降低了打印物品的質(zhì)量。

　　粉體流變儀

　　增材制造也稱3D打印，是一種潛在的高效制造技術(shù)。通常涉及按嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)范“打印”復(fù)雜組件，具體方法是逐層堆積粉體，然后選擇性地熔結(jié)。控制粉體性能對于過程效率和成品質(zhì)量至關(guān)重要。當(dāng)形成粉層時(shí)，粉體流動和裝填方式?jīng)Q定了該性能的各個(gè)方面。原料的多變性會導(dǎo)致松裝密度不一致、粉層不均勻、抗張強(qiáng)度低以及表面光潔度差。

　　元素分析儀

　　目前3D打印金屬粉末制備技術(shù)主要以霧化法為主（包括超音速真空氣體霧化和旋轉(zhuǎn)電極霧化等技術(shù)），粉末存在大的比表面積，容易產(chǎn)生氧化。因此，對不同體系的金屬粉末，氧含量均為一項(xiàng)重要指標(biāo)，對于普通的金屬粉末，如不銹鋼，含氧量要求在800-900ppm以下，對于活潑金屬，如鈦合金，一般要求在1300-1500ppm，在航空航天等特殊應(yīng)用領(lǐng)域，客戶對此指標(biāo)的要求更為嚴(yán)格。此外，部分客戶也要求控制氮含量，一般要求在500ppm以下。大多數(shù)增材制造的方法都是基于同樣的工藝步驟。激光光束會局部融化金屬粉末上層，使其固化進(jìn)而形成一層固態(tài)材料。這一步驟重復(fù)一遍又一遍直到最終產(chǎn)品被生產(chǎn)出來。所要使用的金屬粉品質(zhì)由粒度分析方法（如篩分法）測定，某些情況下，元素分析也可以在增材制造過程之前用于檢測其品質(zhì)。

　　粒度粒形分析儀

　　金屬3D打印常用的粉末粒度范圍是15-53μm（細(xì)粉），53-105μm（粗粉），部分場合下可放寬至105-150μm（粗粉）。目前市場上主流SLM 成形設(shè)備要求的鋪粉層厚是20-50μm。而GBT1480-2012《金屬粉末 干篩分法測定粒度》適用于大于45微米的粉末顆粒，所以已不太能滿足金屬3D打印粉末粒度測試要求。激光粒度儀適用于0.1μm到2mm的粒度分布分析，但激光粒度儀存在如折射率難以確定，進(jìn)樣量少，沒有顆粒形態(tài)信息，將顆粒等效成球形導(dǎo)致不規(guī)則樣品的測量準(zhǔn)確度不高等一些瓶頸。SLM 成形專用金屬粉末是通過氣霧化法制備得到的，顆粒一般呈球狀，但也會出現(xiàn)形狀不規(guī)則的顆粒，顆粒球形度直接影響粉末的流動性和松裝密度。粒度粒形儀可以測量球形度，并且解決電鏡耗時(shí)長，無法進(jìn)行質(zhì)監(jiān)檢測的不足。