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令人脑洞大开的3D打印

2015-12-31 08:14:33 中国经济报告 

  炙热的3D打印技术正走向未来生活,将许多不可能变为可能

  □王斌

  3D打印技术的强大是有目共睹的,我们已经见证过的3D打印物品不胜枚举,小到喷气飞机引擎、大到办公室大楼,都可以通过3D打印来实现。3D打印技术现在已然成为工业界和科学界的宠儿。

  从“使用”步入“服用”阶段

  短短数年光景,3D打印产品已逐渐从“使用”步入“服用”阶段。2015年夏天,美国食品与药品管理局(FDA)批准了首个3D打印药物——SPRITAM(左乙拉西坦),该产品将于2016年一季度开始销售。处方药SPRITAM速溶片,用于和其他抗癫痫药物联合治疗成人或儿童患者的肌阵挛发作,以及原发性全身癫痫发作。SPRITAM是使用含水流体将多层分装药剂结合在一起从而制造出的水溶性药剂,患者只需用少量的水就能使药品快速溶解。

  FDA的开放态度建立在大量临床数据之上。实际上,药品在非标准化、个性化定制上还是有一定标准,只不过这个标准允许有少许浮动。而3D打印制药的药品临床数据必须在标准范围之内。此款药品获批上市,说明FDA对非标准的个性化工艺表示认可,是3D打印行业的一个风向标。

  业内人士表示,3D打印药物实际上是一种制剂加工技术,是在传统制药采用的压片法上进行创新,对于药物配方并没有什么改变。3D打印药品,可根据患者对药品有效成分需求的不同来调整剂量,最终通过3D技术打印出来,比过去掰药片的方式更精确。

  3D打印玻璃更精细出彩

  最近,美国麻省理工学院科学家在研究一种制造精细玻璃的新工艺:通过3D打印技术造出精美绝伦而且用途更广的玻璃。这种3D打印玻璃工艺称为“G3DP”。与普通的3D打印不同,这项玻璃打印技术旨在完美结合计算机技术、材料技术和设计学。它的玻璃制造平台,将使玻璃制造技术达到有史以来的新高度。

  传统的玻璃制造工艺包括塑模、成型、吹制、电镀或烧结等工序,最后的产品质量与制造技术水平密切相关。从古埃及发现制造玻璃珠的“核成型”工艺,经过罗马时代发明的金属管吹制工艺,到现代能造出大尺寸平板玻璃的皮尔金顿浮法工艺,玻璃制造技术上的每一次新突破都是长期实验和创新的结果。

  “G3DP”的设计基础是一种双层加热室,上层作融窑室,下层用于退火。这种3D打印机器的工作原理非常简单:打印机的顶部主要是一个小融窑,用户可以把玻璃放进去。在融窑达到一定温度,大约1900华氏度(约为1038摄氏度)时,很容易将其中的玻璃融化。下面的打印部分是一个由氧化铝-锆石-硅制成的喷嘴,功能和常见的桌面熔融沉积成型3D打印机的热端类似。熔融玻璃从融窑中流下来,通过喷嘴挤在一个制作台上,慢慢冷却变硬。如果想停止打印,只需用压缩空气降低喷嘴温度。

  这项跨学科的研究证明:制造工艺的提升,除了单纯从本领域实现突破外,与其他领域的新技术进行合理融合,也能带来新成果。这也将在以后的科技发展中被不断验证。

  3D打印无人机无需拼装

  2015年7月22日,英国皇家海军成功在海上试飞了一架3D打印的无人机。这架3D打印无人机重约3公斤,翼幅1.5米长。该飞机从一艘海军军舰上起飞后,按照预先设定的程序顺利飞行了5分钟,然后被遥控操作,安全降落到多塞郡上的切瑟尔海滩上。

  这架3D技术打印出的无人机由四个部分拼接而成,利用了激光烧结技术(Laser Sintering),拼接过程不需要任何工具。

  此无人机3D打印技术是由来自英国南安普敦大学的安迪•基恩(Andy Keane)教授负责开发的。他表示:“影响无人机推广使用的关键就在于降低无人机的生产成本,而同时又不影响机身的坚固性。” 3D打印飞机的成功试飞,意味着未来的无人机生产将越来越便宜,制造也越来越简便。

  3D打印汽车售价仅2万美元

  现在一些大的科技公司对于汽车发展的方向都是着力于自动驾驶技术,而这样大家往往就会忽视重要一点——3D打印汽车。2014年9月份,洛克汽车公司(Local Motors)在芝加哥公开展示了世界首辆3D打印汽车Strati,遗憾的是这辆汽车并不会投产入市。而在2015年的7月,洛克汽车公司又展示了一款新3D打印汽车的设计,并表示,该车型将作为洛克汽车公司将来在市场上销售的真正可以上路的3D打印汽车。有消息称,低配电动车版本的售价将在1.8-3万美元之间。

  总部位于旧金山的DM(Divergent Microfactories)公司已成为全球首家打造3D打印超级跑车的公司,所打造的The Blade车型从0到60英里(约合96.56公里)/每小时的加速时间仅需2.2秒,整车重量为1400磅(0.635吨),车身大部分由碳纤维材料打造,汽车底盘由大约70个3D打印的铝节点组成的,工人手工组装该底盘前后历时仅30分钟,整个底盘本身的重量只有61磅。DM公司表示这种全新的方式还帮助减少了90%的底盘重量。尽管车身非常轻,但该超跑安装了4缸700马力的双燃料引擎,可使用汽油或压缩天然气为燃料。

  该车的模型基于一个模块化框架设计,车身的面板可以灵活地嵌入或取出,这意味着车主能够很方便地对汽车外形进行重新设计。在汽车出现事故或者受损伤的时候,这种模块化设计也使得修复成本和难度都有所降低。

  这辆超跑不仅仅提供了卓越的性能表现,对于汽车行业来说更重要的是可实现量产。DM公司表示生产该跑车的工厂资本消耗只有其他汽车制造方式的1/50,污染排放只有一辆电动车的1/3。3D打印汽车技术愈发成熟,这将会大大降低汽车制造成本、人力成本,并可大幅减少污染和材料上的浪费。同时对于生产小型代步汽车无疑是一件好事。

  3D打印的服装不再硬梆梆

  人们已经可以在家中打印各种小物件,甚至是食物、服装、房屋。不过,硬塑料长丝材质却限制了一些使用价值:没有人喜欢穿着坚硬、怪异的外星人服饰,而纤维打印还仅限于企业级应用。好消息是,近日以色列艺术与设计学院的设计师丹尼特•派格(Danit Peleg)开发出了一种新型材质,并且可以使用普通3D打印机轻松实现。

  派格在使用传统材质进行试验失败之后,发现了一种强韧但柔软的材质,称之为FilaFlex。这种材质的感觉就像布一样柔软,但同时具有柔韧性,可以像布一样实现花边、条纹等复杂的几何图形设计,并有极好的舒适性和透气性。而整个打印条件,仅需要一台普通的3D打印机即可实现。事实上,派格并不是唯一研究新型3D打印材质的人。荷兰设计师也已经打印出具有实穿性的新材质服装,美国设计师也制作出像布般柔软的塑料3D打印服装。

  显然,3D打印技术极大地带动了科技与服装界的距离,越来越多的设计师甚至大品牌都开始尝试3D打印,完成此前难以实现的设计理念。而新材质的运用,则是让3D打印服装消费化的有效举措,只有真正舒适、耐穿的服装,才有可能让消费者买单。

  成为手术台上的救命稻草

  如果医生在手术中能够更加直观的了解到病人器官的情况,那手术会变得更加安全。为此,麻省波士顿儿童医院的一个研究小组提供了解决方案:将磁共振扫描设备与3D打印相结合,为医生打印实时病人的器官模型。

  在此之前,要完成一个心脏的精细扫描,再加上打印成型就要花费接近10小时。这样的时间损耗完全不符合医疗作业的实际需要。这个研究小组通过改进算法,能够让剖析心脏这项工作的耗时缩短到一小时,从而将节省的时间全部留给打印,极大地提升效率。

  尽管新算法为这项技术带来了可观的效率提升,但鉴于技术推出时间较短、缺乏临床经验的缘故,研究小组对此还是有所保留。目前,他们还在为这项技术做多次的可行性测试,对其做出严格的评估。同时,小组也在进行其他相关研究,例如如何用这项技术进行人体脉络系统的扫描与打印,为更多类型的手术提供技术援助。

  3D打印出制导导弹

  随着3D技术的不断成熟,貌似这一技术即将变得无所不能,然而,可怕的事情也变得越来越多。早在2013年,世界第一把3D打印手枪测试成功,3D打印武器一时掀起轩然大波。可以想象一下,未来只要你有一台3D打印机,然后在互联网上找到相应的打印教程和图纸,你就可以制作出一件具有致命性的武器。

  2015年7月,雷神公司(Raytheon Company)表示已经使用3D打印技术制作了制导武器的几乎所有组成部分,包括3D打印的火箭发动机、用于引导和控制系统的部件、导弹本身、导弹翅片。照此进度,在未来几个月雷神公司的3D打印导弹可能就会出现在战场上。

  雷神公司是美国的大型国防合约商,同时也是全球最大的导弹生产商,主要为美国军方提供防御武器,导弹制导系统。这些年,雷神公司一直都在探索使用3D打印制造产品,例如正在开发用3D打印出更复杂的电路,以及使用3D打印技术开发爱国者空气导弹防御系统中使用微小微波元件装置的方法。

  该公司的制造经理莉亚•赫尔认为,未来3D打印导弹将成为一种简化的流程,允许士兵当场打印并组装导弹。虽然实现这些还有很长的路要走,但这是事实,并不是幻想。至少雷神现在已经证明,这些武器可以被3D打印出来。

  能过滤水中污染物的3D打印

  现在,美女们游泳再也不怕海水不干净了。2015年9月,来自加州大学河滨分校的几位科学家开发出了一种突破性的超级材料,这种材料能够排斥水而且具有安全吸收和储存毒素的能力。更让人拍案叫绝的是,科学家们还将这种材料用于3D打印比基尼,让使用者在畅游海洋的时候也为清洁海洋做出自己的贡献。

  这种超级环保以及可用于智能制造的材料,被科学家们命名为Sponge(意为海绵体),赢得了2015年国际重塑设计大赛的第一名,堪称最环保的可穿戴技术。研究团队是在四年前开始研究这种材料的,当时的想法是将其用于清理原油泄漏,以及作为飞机和卫星上的涂料等。要制作这种泳衣,要先将Sponge材料塑造成比基尼的形状,然后再封装进一个3D打印“笼子”里,由于是要当比基尼使,这种“笼子”一定要非常柔软有弹性,而且与穿用者的身体完美匹配,显然只能依靠3D打印技术来完成。

  这种超级材料是从加热的蔗糖中分离出来的一种多孔超疏水材料。这种材料的纳米尺度结构允许它吸收超过自身重量25倍的污染物,除非被加热到1000摄氏度才会释放它所吸收的材料。另外它也能够将污染物吸入孔隙中,这意味着这些吸附的污染物不会碰到穿戴者的皮肤,而这种材料在回收之前可以使用20次。可以将游泳体验转化为一种环保活动,让人们在游泳时也能帮助清洁海域。

  除了上述时尚比基尼之外,这种材料也可以用于男士泳衣、泳帽或全身的潜水服。而且,当这种材料吸附了足够的污染物之后,只需将垫子从“笼子”里拿出来,再换上一个新鲜的即可。开发者甚至预测,未来甚至可能会有类似于干洗店那样的设施,专门收集用过的Sponge,分离污染物,并回收剩下的材料。最值得一提的是,这种材料的成本出人意料的低廉,由于它是从蔗糖中提取出来的,每克的成本不到一块钱,如果规模制造的话成本还会更低。

  快速制造国家工程研究中心

(责任编辑:李治华 HN026)
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