3D打印還在路上
據(jù)媒體報(bào)道，近日美國(guó)一家研究機(jī)構(gòu)利用3D打印技術(shù)為一名男童安裝了義肢。我國(guó)湖南省首家3D打印臨床應(yīng)用研究所也于日前掛牌成立。3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展。
品.jpg "3D打印產(chǎn)品") |
近幾年，3D打印漸成新潮，如打印食物、汽車、房子、航空用品等。隨著被打印對(duì)象覆蓋到多種行業(yè)，3D打印也被貼上了越發(fā)神奇的標(biāo)簽。
其實(shí)，3D打印是一種“快速成型”技術(shù)，可以將計(jì)算機(jī)中的三維圖像直接“打印”制作成實(shí)物。它源自100多年前美國(guó)研究的照相雕塑和地貌成形技術(shù)，上世紀(jì)90年代后逐漸發(fā)展，成為一項(xiàng)先進(jìn)的制造技術(shù)，對(duì)制造企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新、縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力等有積極的推動(dòng)作用，其應(yīng)用也延伸到醫(yī)學(xué)、航空航天以及文化創(chuàng)意等領(lǐng)域，擁有很大的市場(chǎng)潛力。
但同時(shí)，有專家認(rèn)為3D打印技術(shù)的主要魅力還是在解決高難度、復(fù)雜以及個(gè)性化設(shè)計(jì)需求上。由于受制于材料等因素，3D打印技術(shù)目前應(yīng)用范圍仍非常有限。
何為3D打印？
3D打印，即快速成型技術(shù)的一種，屬于制造業(yè)中的增材制造，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。它的主要“打印材料”是塑料，輔有金屬、陶瓷、砂等，常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后用于一些產(chǎn)品的直接制造。
原理
3D打印技術(shù)與激光成型技術(shù)基本上是一樣的。簡(jiǎn)單來說，就是通過采用分層加工、迭加成型，逐層增加材料來生成3D實(shí)體。
所謂的“3D打印機(jī)”，參照了打印機(jī)的技術(shù)原理，其分層加工過程與噴墨打印機(jī)十分相似。
首先是運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出所需零件的三維模型，然后再根據(jù)工藝需求，按照一定規(guī)律將該模型離散為一系列有序的單位，通過在Z向?qū)⑵浒凑找欢ǖ暮穸冗M(jìn)行離散，把原來的三維CAD模型變成一系列的層片；然后再根據(jù)每個(gè)層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成數(shù)控代碼；最后將一系列層片成型并自動(dòng)將它們連接起來，得到一個(gè)三維物理實(shí)體。
3D打印并不是針式打印、噴墨打印、激光打印等打印技術(shù)的延伸，而是一種新型的“制造技術(shù)”。只不過，3D打印是軟件通過電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上。
一臺(tái)普通的3D打印機(jī)并不是打印完畢就能直接使用的神器，還需要后續(xù)的打磨、燒結(jié)、組裝、切割等工藝。
特點(diǎn)
可以量身定制產(chǎn)品。現(xiàn)有大規(guī)模生產(chǎn)方式追求的是生產(chǎn)成本的最低化，通過細(xì)化的勞動(dòng)分工和規(guī)范化的作業(yè)流程，生產(chǎn)大量標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，以獲取規(guī)模效益，這一生產(chǎn)方式難以滿足客戶多元化的需求。3D打印技術(shù)使消費(fèi)者能根據(jù)自己的需求，量身定制產(chǎn)品。這種方法速度快、成本低、環(huán)保，同時(shí)制作精美，合乎設(shè)計(jì)者的要求，同時(shí)又能節(jié)省大量材料。
能夠降低生產(chǎn)成本。3D打印技術(shù)對(duì)于生產(chǎn)者來說，使用的材料幾乎沒有浪費(fèi)，既節(jié)省成本，又能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)本土化，減少運(yùn)輸需求。客戶只需為“制圖”付費(fèi)，并在當(dāng)?shù)卮蛴〕鲂枰漠a(chǎn)品，減少了長(zhǎng)途運(yùn)輸需求及溫室氣體排放。同時(shí)，對(duì)3D打印機(jī)而言，制造形狀復(fù)雜的物品，并不比打印一個(gè)簡(jiǎn)單的方塊消耗更多的時(shí)間、技能或成本。
減少零部件的組裝，材料無限組合。傳統(tǒng)的制造機(jī)器在切割或模具成型過程中不能輕易地將多種原材料融合在一起，而隨著多材料3D打印技術(shù)的發(fā)展，可以將不同原材料融合在一起。以前無法混合的原料混合后將形成新的材料，這些材料色調(diào)種類繁多，具有獨(dú)特的屬性或功能。
精確的實(shí)體復(fù)制。掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)可以共同提高實(shí)體世界和數(shù)字世界之間形態(tài)轉(zhuǎn)換的分辨率，通過掃描、編輯和復(fù)制實(shí)體對(duì)象，創(chuàng)建精確的副本或優(yōu)化原件。
環(huán)保優(yōu)勢(shì)
節(jié)約原材料
在制造業(yè)里，“低碳排放”意味著一種更有效節(jié)能的設(shè)計(jì)生產(chǎn)方式，而低碳制造意味著降低整個(gè)產(chǎn)品生命周期的碳足跡，包括從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品生產(chǎn)、部件組裝、運(yùn)輸分配以及最終的報(bào)廢處理。
3D打印可以使用多種類型的材料，尤其是打印金屬時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的制造技術(shù)具有更多的優(yōu)勢(shì)。幾乎所有3D打印剩下的金屬粉末都能回收利用。
相比之下，傳統(tǒng)的金屬制造過程（研磨、機(jī)械加工或鑄型）更浪費(fèi)，甚至在使用某些金屬制造工藝中，廢棄副產(chǎn)品中竟剩下90%的原材料。例如，制造一個(gè)1千克的飛機(jī)零件需要消耗多達(dá)15千克的金屬原材料。
減少碳排放
企業(yè)供應(yīng)鏈中化石燃料的緩慢燃燒有時(shí)比工廠的污染更具破壞性。全球超市巨頭沃爾瑪約80%的碳足跡就是由其龐大的全球供應(yīng)鏈產(chǎn)生的。幾乎所有人都依賴于這種全球供應(yīng)鏈的流通。但如果3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了本土化，則免去了運(yùn)輸過程中的碳排放。
存儲(chǔ)未銷售和未使用的庫(kù)存商品的倉(cāng)庫(kù)需要照明、加工或冷卻，這一過程消耗電能。以數(shù)字化庫(kù)存代替實(shí)際庫(kù)存將會(huì)使供應(yīng)鏈更加綠色環(huán)保。實(shí)際庫(kù)存貨物不僅需要運(yùn)輸，在等待銷售的過程中也占用了大量的貨架空間。
相反，3D打印的數(shù)字化庫(kù)存或設(shè)計(jì)圖紙成本相對(duì)較低，且易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。
零下一度
技術(shù)與理念，孰先孰后？
如果有兩個(gè)同樣大小的塑料玩具，一個(gè)是大規(guī)模生產(chǎn)的，一個(gè)是3D打印的，也許，很多人都會(huì)認(rèn)為3D打印的塑料玩具比大規(guī)模生產(chǎn)的塑料玩具更環(huán)保？墒，事實(shí)是這樣嗎？
從第一眼看，似乎3D打印的塑料玩具對(duì)環(huán)境的污染更少，它是在發(fā)達(dá)國(guó)家的一家干凈整潔、符合規(guī)定的打印店里制作出來的，安全標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)。運(yùn)輸一個(gè)小小的聯(lián)邦快遞包裹留下的碳足跡遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于運(yùn)輸幾百個(gè)大紙箱。
3D打印似乎更清潔、更環(huán)保。但是，卻有研究顯示，制造兩個(gè)玩具時(shí)，每制造一磅產(chǎn)品，一臺(tái)3D打印機(jī)的耗電量至少是一臺(tái)注塑機(jī)的10倍。
事實(shí)就是如此。3D打印制造對(duì)環(huán)境的益處十分微妙，以至于它對(duì)環(huán)境的危害與制造過程和原材料沒有一點(diǎn)關(guān)系，它也可能會(huì)誘使人們浪費(fèi)。就像數(shù)十年前，低成本激光打印機(jī)剛剛問世時(shí)，并沒有立刻促成無紙化辦公，反而是廉價(jià)而又可廣泛應(yīng)用的打印技術(shù)使人們開始隨便打印，造成浪費(fèi)。同樣，如果有一天3D打印機(jī)也實(shí)現(xiàn)了普遍存在，易于使用的軟件和唾手可得的機(jī)器有可能使人們忽視環(huán)保，使某些易受影響的人產(chǎn)生“非理性制作”，導(dǎo)致更多垃圾的產(chǎn)生。
所以，沒有一項(xiàng)技術(shù)天生是環(huán)保的，重要的是如何使用它。3D打印技術(shù)在給環(huán)境帶來希望的同時(shí)也帶來了風(fēng)險(xiǎn)。人們需要意識(shí)到3D打印技術(shù)不是天生的綠色環(huán)保技術(shù)，意識(shí)到自身的行為有可能產(chǎn)生下游成本。只有這樣，才能積極努力地打造并改善3D打印技術(shù)，開發(fā)更綠色環(huán)保的打印材料，給環(huán)境帶來更多益處。
面臨挑戰(zhàn)
排放物或有安全隱患
許多3D打印機(jī)通過一種被稱作“加熱熱塑性擠出與沉積”的過程來打印目標(biāo)物體，但這個(gè)過程會(huì)排放直徑不超過100納米的超細(xì)粒子。
在工業(yè)環(huán)境下，這些粒子通常使用通風(fēng)系統(tǒng)清除，但是目前在市場(chǎng)上作為單獨(dú)設(shè)備出售的3D打印機(jī)并不配備任何通風(fēng)系統(tǒng)或過濾設(shè)備。人如果吸入這些粒子后，這些粒子可能就會(huì)沉積在肺部或直接被血液吸收，從而潛在地對(duì)健康構(gòu)成危害，導(dǎo)致包括心肺死亡、中風(fēng)和哮喘等疾病。
耗電、耗時(shí)和原料并不環(huán)保
盡管3D打印過程精度很高，但不是所有的3D打印制造過程都是無廢料、可循環(huán)的。任何產(chǎn)品的開采、制造和冷熱加工過程都會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。3D打印技術(shù)也不例外。
大體而言，與傳統(tǒng)的制造機(jī)器相比，在制造相同重量的零部件過程中，使用聚合物材料的3D打印機(jī)的耗電量至少是傳統(tǒng)制造機(jī)器耗電量的10倍。工業(yè)規(guī)模3D打印機(jī)使用激光器（或者高溫）凝固粉狀聚合物，與注塑機(jī)的注壓成型過程相比，多產(chǎn)生約65%的廢棄塑料材料。
一些3D打印機(jī)需要使用熱固性聚合物，這種材料不能回收，因?yàn)槿绻訜峋蜁?huì)改變它的材料屬性。3D打印機(jī)主要來自電力供應(yīng)，一個(gè)大小約30厘米的形狀不規(guī)則立體圓盤模型需要一臺(tái)3D打印機(jī)工作28個(gè)小時(shí)；對(duì)比注塑機(jī)的工業(yè)級(jí)打印機(jī)，3D打印機(jī)使用熱或激光融化塑料消耗估計(jì)有50至100倍，在打印同樣重量成品時(shí)，3D打印機(jī)則比注塑耗費(fèi)更多的電能。
除在整個(gè)制造過程中產(chǎn)生高能耗外，塑料的副作用還在于材料在打印過程中有時(shí)可重新使用，但大多因材料特性的損壞卻無法回收，不得不直接丟棄。
為改善這一缺陷，國(guó)外一些技術(shù)公司已開始研發(fā)節(jié)能環(huán)保的3D打印材料，以彌補(bǔ)原材料使用塑料時(shí)對(duì)環(huán)境的影響，即用鹽、水泥、木頭等替代原有的熱塑性塑料等。
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