3D 打印的应用介绍.docx
3D打印的应用feigeoer目前3D打印的应用十分广泛，这里选取与3D打印关系最为紧密的几个领域（医学，航空航天，军事，建筑，文物保护，艺术与交叉应用）进行介绍。1医学医学模型在基础科学与临床试验教学中的用途十分广泛，传统方法制造的模型多为石膏，制作周期长且易损坏。3D打印制作的医学教学用具与医疗实验模型不仅解决了上述问题，还可以根据实际情况，针对特殊患者，快速进行个性化的模型制造。人体组织器官再生与活体细胞培养是医学上的难题，3D打印为这一难题提供了新的解决路径。目前已有成功打印无排异反应血管的案例；科学研究人员制造出能模仿生物细胞特性的水滴，他们把这些水滴通过3D打印组装成凝胶状物质，这种物质既能像神经细胞束一样传输电信号，又能像肌肉组织那样弯曲，给修复和缓解器官衰竭带来了新的思路。3D打印可以打印特定的细胞，真实模拟人体对药物的反应，对于药物研发测试有极大的促进作用。利用3D打印技术制作出的植入物与人体相性更好，解放军第四军医大学第一附属医院3D打印的钛合金肩胛骨假体和锁骨假体临床应用为全球首例，骨盆假体临床应用为亚洲首例，北京大学第三医院骨科应用3D打印技术人工定制的枢椎椎体，为世界首例。2航空航天3D打印在航空航天领域的优势主要体现在异型复杂结构制造、小批量短周期低成本制造、新材料新结构研制。航空航天领域的金属材料加工要兼顾高强度、高性能、高柔韧性，3D打印制造可以兼顾尺寸与精细程度，弥补传统制造工艺的不足；飞行器上的部件出现结构问题时，3D打印的高制造柔性也可以迅速解决问题，弥补了铸造、锁金及焊接工艺的不足；传统制造方法难以成形的复杂结构与复合材料结构，3D打印技术可以一次整体成型。这三方面的优势不仅能够缩短研制周期、降低成本，而且由于零部件的连接工序减少还会大大提高整体的强度和刚度，延长飞行器的使用寿命。3D打印在航空航天领域的应用主要集中在3个方面：产品外形验证、直接产品制造、精密熔模铸造。在零部件级，罗尔斯-罗伊斯(Ro11S-RoyCe)公司采用3D打印技术制造的TrentXWB-97发动机于2015年在A380上完成实试，欧洲航天局(ESA)和瑞士SW1SSt012公司开发出专门为未来空间卫星设计的首个3D打印双反射面天线原型。在整机级，美国太空探索技术(SPaCeX)公司火箭实验室发布了一台用于低成本太空旅行的3D打印世界首款电动火箭发动机-RUtherford电动发射系统，该系统提供了更为经济可承受的火箭发射方式，大大减少了预射成本。3军事3D打印在军事领域的应用集中在武器装备的研制、武器装备的快速维护、军事医疗、军事航天航空。武器装备研制：3D打印高速高精准度的特征使其可以用于验证创意与模具制作，或直接打印复杂的配件。美国国防部与工业界联合实施了采用类似立体光刻成型的方法合金结构件快速生产的项目，其生产效率比传统的铁合金加工工艺高80%之多。F-15猎鹰喷气式战斗机铁合金外挂架冀肋备件采用激光3D打印工艺，使零件的需求能够在2个月内得到快速满足，并最大限度保持飞机的可用性。武器装备的快速维护：安妮斯顿陆军基地采用激光近净成型成功维修M1艾布拉姆斯坦克的燃气涡轮。美国海军水下作战中心(NUWC)实施了快速制造与维修(RMR)计划,采用选择性激光烧结(S1S)等3D打印技术进行装备维修。军事医疗：对于肢体修复，3D打印技术可用于外周神经管道与合成材料的研发、复合组织移植瓣的构建以及四肢与指趾的组织工程修复；对于骨骼重建，3D打印技术以打印出颅面合成骨、可植入性软组织，就连难度很大的工程骨组织植入、自体细胞软骨培育也可以完成；对于烧伤治疗，可以通过3D打印技术制造用于活体皮肤扩增的计算机控制生物反应器系统,和可促进伤口愈合并减少瘢痕形成的多功能生物支架、组织工程皮肤制品以及用于皮肤再生的人工蛋白生物材料等；对于战创伤等综合症，通过3D打印技术制造的可降解弹性聚合支架和特异诱导性生物支架，可以促使血管、肌腱和神经功能尽快得到恢复。4.建筑3D打印技术在建筑领域的应用目前可分为两个方面:一是在建筑设计阶段，主要是制作建筑模型；二是在工程施工阶段，主要是利用3D打印技术建造足尺建筑(FUI1-SCaIeBui1dings)o设计阶段的应用请参考"4.6艺术”，这里不再赘述，主要描述其在施工阶段的应用。贝洛克教授发明的“轮廓工艺"(ContoUrCrafting)是一项通过计算机控制的喷嘴按层挤出材料的建造技术，通过打印出建筑轮廓，并对轮廓内部进行填充来实现房屋建造。由于它能建造出单曲率和双曲率造型的建筑，因此特别受崇尚自由形式的建筑师的青睐。轮廓工艺目前尚处于试验阶段，研发团队已经对各种不同的材料成功进行了试验，包括塑料、陶瓷、复合材料和混凝土。目前轮廓工艺已经打印出足尺的结构构件，比如内部结构复杂的墙体或中空墙体。此外还有许多成熟的案例，2010年，意大利人恩里克蒂尼(EnricoDini)设计出了一台用于建筑建造的3D打印机一一D-Sh叩e。荷兰建筑师简加普鲁基森纳斯(JanjaapRUijSSenaarS)已经开始尝试利用这种新技术尝试建造一栋模仿莫比乌斯环的单片式景观别墅(1andscapeHouse)o2015年1月，中国建筑第八工程局有限公司携手盈创打印出世界上最高的3D打印建筑。Hack等人27提出了网格浇筑(MeShMoUId)移动打印平台解决上述问题，该移动打印平台通过多自由度机器人手臂末端的挤出头在空间中打印高分子聚合物，将建筑模板打印成三维网格结构，能够很好地提供加固作用，同时也解决了混泥土材料“冷结合”的问题。然而，高分子聚合物不能提供很好的拉升强度，很难在建筑工业中广泛应用。KUmar等人28基于网格浇筑方法提出了金属网格浇筑的升级方案，该方案使用钢丝作为打印材料，极大提升了网格局部和整体以及网格内单元结构的灵活性。目前采用的3D打印材料都是以抗压性能为主，抗拉性能较差，一旦拉应力超过材料的抗拉强度，极易出现裂缝。正是因为存在着这个问题，所以目前3D打印房子的楼板只能采用钢筋混凝土现浇或预制楼板，现场组装。此外，考录到没有钢筋的抗拉作用，打印材料本身应具有良好的抗裂能力,能抑制本身的干缩和徐变等引起的裂缝。另一方面，材料应有韧性，从结构的安全角度考虑，要防止出现构件的脆性破坏，从构件出现裂缝到构件损坏乃至结构倒塌，应有一定的时间和足够的构件变形量。寻找具有良好抗压、抗拉性能、较强的抗裂性能和韧性，以及较快的初凝时间和较高的初凝强度的复合打印材料是当前3D打印技术在建筑工程施工中应用的关键。在设计方法上，由于3D打印建筑与传统的钢筋混凝土结构和砌体结构,在材料性能和建造工艺上有较大区别,3D打印建筑还在停留在理论阶段，正在参考借鉴现有规范的基础上研究适合于3D打印建筑的设计理论和设计方法。还存在3D打印建筑的静力计算方案、墙体的折算厚度计算方法以及受压稳定承载力公式、3D打印墙体的高厚比限值、3D打印墙体局部受压承载力计算方法等等问题。在施工工艺上，由于3D打印施工方法的创新性，还存在诸多问题，主要集中在支撑问题、找平问题与配筋问题三个方面。对于3D打印建筑来说，结构材料自重大，支撑问题尤为突出；目前3D打印房子的墙面比较粗糙，表面凹凸不平，需要后续工作对墙面进行找平、抹灰等处理才能投入实际使用。为了弥补3D打印成品抗拉性能的不足，需要对其进行配筋，但通行的、简便的配筋方法还没出现。5文物保护3D打印技术在文物保护领域的应用主要体现在非接触性扫描，与精准复制。因为大多文物具有不可再生性与较高的历史价值，还会伴随着易损性、不稳定性等因素。中华人民共和国文物保护实施条例，第四十六条明确指出“复制、拍摄、拓印馆藏文物，不得对馆藏文物造成损害"。所以保证文物的绝对安全是首要条件，3D打印技术可以在不损伤文物的前提下，通过三维扫描仪收集详细的文物数据。并且电子测量后的处理数据速度快，具有很高的精准度。三维扫描技术得到的数据容性较好，可以在最快时间内高效完成复制文物的前期准备工作。受到考古工地的空间与发掘时间的限制，一些出土的密封器物可能会转移到实验室中进行开启、记录与研究。所以借助于CT扫描技术考古人员就已经预先知道内部的器物状态，并且可以利用3D打印预先打印出来进行观察，这为下一步的实验考古提供了依据。在上海博物馆考古部对于青龙镇遗址的考古发掘中，实验室通过对隆平寺塔基地宫出土的套函进行CT扫描，就已经知道内部的器物的叠压关系，并且用建模的技术将佛珠底部的银质莲花进行了还原。这样我们就可以根据扫描的状况实现制定文物修复的保护方案。因为获取了三维数据，就可以对文物缺失的部分进行还原、填充与补缺。灰陶镂空纹豆的修复工作中，修复团队选择了与自然光最为接近的白光扫描仪，在光栅条纹持续10分钟投影到灰陶镂空纹豆表面后，借助两个高分辨率CCD数码相机对光栅干涉条纹进行拍照。获取灰陶镂空陶豆的数字信息后，再通过熔融沉积成型技术(FDM)进行打印输出。再通过一系列的后续工作，在底模的基础上灌注石膏、砂纸打磨、底色制作、细节绘制。在保证文物绝对安全的前提下进行精细复制。但这一领域仍有一些问题，比如涉及到一些陶器上的浅浮雕与一些精细的痕迹，3D打印技术无法做到高精度的复制。目前可使用的打印材料限于光敏树脂、铜、锡、钛等材料，需要进行复杂的后续处理，对于陶土类的文物残缺还不能用类似材质进行直接打印。6艺术3D打印为艺术创作的流程带来了变革的可能，极大缩短了设计与实物间的距离，其小批量、定制化、灵活的特点十分适合艺术设计与制作，在建筑设计、珠宝设计、雕塑设计。传统手工艺领域均有应用实例。目前艺术领域运用3D打印技术有两种思路：技术的视觉特征转化为形式语言,技术作为传统工艺的替代手段。澳大利亚堪培拉艺术家Gi1bertRiede1bauch在2000年，利用最小面积的数学方程创作了系列作品“数学物件”(Mathobjects)。Riede1bauch先由数学方程在电脑里生成虚拟模型，然后使用FDM法打印成实体，再将其浇铸成S925或用K金电镀。他有意在作品中保留了FDM法生成的表面肌理，并将这种肌理类比为手工制作过程中留下的痕迹。美国Kenda11艺术与设计学院的Phi11ipRe-Nato教授是的系列作品"Antic1ast"中，他利用流体模拟设计软件Rea1f1ow将流体四溅的效果转化为首饰造型，并选择玻璃作为打印材料。这表示数字科技的局限与特征能够激发艺术创意，并且已经拓展了“手工艺”的传统定义。关于替代手工艺，唐刚与卜俊做了蓝印花布印染的尝试，将蓝印花布制作工艺中的刻版和刮浆技术合并为3D打印中的直接成型方式，按照目前现有3D打印的技术，可以将按照比例调好的浆通过3D打印装置直接在白布上进行打印，直接可以在白布上形成图案，然后可以进行蓝印花布印染的下一步工艺。改良了传统手工艺的步骤。在3D打印改善艺术创作环境的同时也要看到其蕴含的危害，比如单一化、标准化的模型会抹杀制作过程中的缺憾美，商业化的运作模式挤占传统手工艺的生存空间，大众审美的畸形发展等问题。7交叉应用除了在单一领域的应用，3D打印技术还在许多交叉领域有广泛应用。如军事与医学交叉的战场医疗，军事与航空航天交叉的军用设备制造，建筑与艺术交叉的建筑物设计与建筑模型制作，文物保护与教学交叉的考古教学等等。此外，3D打印技术还将许多学科的交叉变得顺畅，如艺术与汽车制造交叉的汽车设计领域，传统模型制作方法难以在制作周期与制作精度之间找到平衡点，而汽车模具对精准度的要求很高，这大大阻碍了从设计到模型的进度。3D打印的高定制化与高精准度可以将精准的3D模型直接打印，免去中间大量模具制作的时间，为汽车设计提供了极佳的思路。
