原创《3D打印技术的最新应用》
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随着材料、效率这两大瓶颈的逐渐突破,3D 打印将不再是未来制造业、服务业和消费领域的配角,甚至可能像智能手机一样,成为不可或缺的标配
3D打印技术是基于离散—堆积的成形原理,以数字模型文件为基础,运用线材、光敏树脂、陶瓷、粉末状金属、生物活性等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术,也称为“增材制造”.
近几年,全球3D 打印产业发展势头十分迅猛.2009 年以来,其年增长率达到20% 以上；2017 年,全球3D 打印市场已超过70 亿美元；预计2025 年,将达到500 亿美元.中国从2012 年起大力发展3D 打印产业,2017 年市场规模已达12.6 亿美元,年复合增长率达到70%,预计2025年有望突破150 亿美元.
目前与3D 打印相关的中国企业有500 多家,分布于3D 打印设备、材料、制造应用、服务平台、关键核心零部件等整个产业链.3D打印产业的快速发展将主要影响航空航天、国防军工、生物医疗、工业制造、工程建筑、日用消费品、文化创意等领域,对中国制造业转型升级和经济迈向高质量发展阶段具有重大而深远的作用.
从全球竞争格局的变化来看,3D 打印正处于从野蛮生长走向成熟发展的阶段.随着材料、效率这两大瓶颈的逐渐突破,3D 打印将不再是未来制造业、服务业和消费领域的配角,甚至可能像智能手机一样,成为不可或缺的标配.
业内专家表示,中国3D 打印市场规模广、应用潜力大,有望成为3D 打印大国甚至是强国.未来的智能制造模式将是：人工智能+ 物联网+ 大数据+3D 打印.
航天军工领域
3D 打印产品首次在嫦娥四号中继星实现在轨应用.2018 年7 月,我国探月工程中承担着对地对月测控、数传中继的重要卫星——嫦娥四号中继星成功抵达地月L2 点的Halo 使命轨道.据悉,该卫星上搭载的产品中包含中国航天科技集团有限公司五院529 厂采用3D 打印技术研制的多个复杂形状铝合金结构件,标志着其实现了首次在轨应用,开启了该厂3D 打印技术在型号工程化应用的新纪元.
作为先进制造技术的重要发展方向之一,3D 打印技术一直备受航天科技关注.4 年间,529 厂先后完成了铝合金、钛合金等材料激光选区熔化成型的工艺鉴定,突破了多项关键技术,获得了激光选区熔化成型技术的上星许可.本次星上搭载的3D 打印产品全部采用拓扑优化构型,通过与轻量化设计技术的结合,零件重量大幅降低,承载比有效提升,3D 打印的技术优势得到了充分发挥.
目前,529 厂的3D 打印技术已在载人航天、深空探测、遥感、通信等多个领域的正样、初样产品研制中得到广泛应用.529 厂还通过与地方政府部门合作,先后建立了重庆永川和山西武乡宇航智造技术研究院,着力打造基于工业互联网的3D 打印智能制造平台.
美国科学家3D 打印硅化铀核燃料.据凤凰网报道,来自美国爱达荷国家实验室（INL）的科学家将3D 打印和传统工艺二者结合,并且已经成功地制造出了硅化铀（U3Si2）核燃料.
当前大多数核电厂使用的核燃料是UO2（二氧化铀）.但与之相比,U3Si2 的密度更大,导热性更好,能提高核反应堆的安全性和效率.所以,INL 的主要研究方向都放在U3Si2 上面.
INL 的这项研究名为AMAFT, 是由Isabella Van Rooyen 博士、Clemente Parga博士, 以及电厂建设公司Ed Lahoda ofWestinghouse 联合发起的,采用研磨（传统的铀矿石处理方法）和“激光塑形”3D 打印这两种工艺.而在实验中,INL 已经用这种方法制造出了质密的U3Si2 小球,具体步骤是首先通过激光创建一个熔融池,然后混合U3Si2 和其它原材料粉末.
和传统方法相比,这种新方法大大减少了将生铀转化为可用材料的速度,所以速度更快,成本也更低.另外,它还有一个优点,就是通用性强,即能处理任意的铀原料.也就是说它可以被用于很多方面,使用起来有很强的灵活性,允许他们使用多种原材料.
该项目已经得到了美国能源部（DOE）的支持,AMAFT 已经顺利地迈上了商业化的道路.相信要不了多久,它将被正式投入到实际使用当中.
汽车制造领域
全球首个3D 打印电动汽车.2010 年11 月,世界第一辆由3D 打印机打印而成的汽车Urbee问世.最近, 意大利电动车制造商XEV 公司宣布将与中国3D 打印机材料企业Polymake 公司合作生产3D 打印电动车LSEV,这将是世界上第一款量产的3D 打印电动汽车,这辆车的制造周期大约为3 天,车子最高时速达到43 英里/小时,单次充电可累计行驶93 英里,一辆完整车子的重量仅有450 公斤.
日本本田最近也制造了一款单座式电动车,其车身几乎是由3D 打印镶板构成的,现在主要用于送饼干,但本田表示,该车型适合量产.
虽然现在还没有3D 打印电动汽车的具体配置数据,尤其是安全性的数据,但对于这种先进技术甚至有可能颠覆制造业的技术,我们应该抱有一颗开放的心来接纳它.从目前知道的几款3D 打印电动车来看,他们都集中在小型化、低速化领域,相信在未来1—2 年内肯定会有3D 打印电动汽车的相关数据,比如车辆的安全性、操作性、舒适性等.
3D 打印电动汽车现在还处在起步阶段,对于后续车辆的安全试验、乘坐体验都会有所规定和报道,让消费者信任的车辆才会有市场,所以从长远来看3D 打印电动汽车会越来越规范.
宝马批量应用金属3D 打印车顶支架.2018 年8 月14 日,德国汽车公司宝马集团（BMWGroup）因其3D 打印金属敞篷车顶支架,获得2018 年Altair Enlighten 奖.
该奖项在密歇根州的汽车管理简报研讨会上颁发,旨在表彰轻量级技术的巨大进步.据称该3D 打印金属敞篷车顶支架是生产系列车辆中使用的第一个3D 打印金属部件,使用在BMWi8 敞篷车中.一方面拓扑优化后支架减重44%；另一方面设计的结构在打印过程中无需支撑,而且目前已经批量生产,可以一次打印超过600 个支架.
在实施3D 打印技术之前,宝马集团金属增材制造主管Maximilian Meixlsperger 花了十年时间开发车顶支架设计.采用选择性激光熔化（SLM）技术（3D 打印技术的一种）后,金属车顶支架在三个月内为BMWi8Roadster生产.
此外, 法国高性能汽车制造商布加迪（Bugatti）也不甘示弱,为其最新的超级跑车布加迪威龙（BugattiChiron）打造了3D 金属制动钳.这种钛组件使用SLM500 机器进行3D打印,工作持续45 小时.
房屋建筑领域
3D 打印60 平米住房,用时仅1 天.在建筑领域,3D 打印的低成本建造方式将有助于降低房屋造价.据《财富》报道,今年3 月份,一家名为ICON 的美国德克萨斯州创业公司在SXSW 大会上公布了利用3D 打印技术建造一幢650 平方英尺（60.4 平方米）房屋的计划.
The Verge 刊文称,ICON 的3D 打印房屋材质为水泥,利用大型3D 机器人“打印”,只需1 天即可完成.最重要的是,这幢房屋的造价仅为1 万美元（约合6.3 万元人民币）,合每平米约1000 元.ICON 希望最终能把造价降低至4000 美元.
ICON 致力于为全球约12 亿没有适当住房的人群提供物美价廉的房屋.它将首先在位于中美洲地区的萨尔瓦多建设这种房屋,计划在2019 年建造100 幢.ICON 希望未来将其3D 打印房屋技术普及到更多国家.
但是,为了3D 打印房屋,ICON 需要绘制相关图纸,然后将图纸输入计算机,由计算机“指挥”其巨无霸打印机建造房屋.据The Verge 称,ICON 的3D 打印机能建造面积至多为800 平方英尺（74.3 平方米）的房屋,首个户型有一间客厅、一间卧室和一个盥洗室.房屋还带有走廊.
许多业界专家称,3D 打印技术正在引发产品生产方式的革命,未来将继续推动产品生产方式的变化.3D 打印机能使用诸多材料包括食材、水泥等来生产3D 结构.
生物医疗领域
全球首例3D 打印人类眼角膜问世.2018年5 月30 日,英国纽卡斯尔大学研究人员在《实验性眼研究》杂志上报告,他们混合健康人士所捐赠的眼角膜干细胞、藻酸盐和胶原蛋白,制造出能用于3D 打印的“生物墨水”,利用3D 打印技术在不到10 分钟的时间里成功打印出人工眼角膜,且打印出的眼角膜里,其干细胞拥有继续发育的功能.
根据世界卫生组织相关数据,世界上有超过1000 万人的眼盲是由角膜病引起,为导致眼盲的第二大原因,仅次于白内障,而其中80%可以通过角膜移植手术脱盲.我国角膜病致盲患者约400 万人.由于我国角膜供体资源匮乏,角膜移植总量少,每年仅有约5000 名患者得到有效治疗.
机构预测,角膜修复材料刚需患者每年新增7 万人左右,存量患者约为200 万左右,角膜值片约为1.5 万元,刚需市场空间至少为10 亿元,再叠加部分存量患者人群的渗透,整体市场空间可达百亿元.
3D 打印镜片配角膜.角膜“变形”患者未来可能戴上3D 打印的眼镜.北京同仁医院视光中心副主任宋红欣博士正尝试利用3D打印技术制作“自由曲面”的镜片.
普通镜片表面是圆滑的凸起,“自由曲面”意味着突破这种规则光滑面,呈现出不规则的镜面形状,根据每个人的角膜形状,做到精准折射光线、矫正视力.3D 打印镜片能精确吻合角膜形状,起到“量身”的效果.
这一灵感源自美国NASA 自适应光学系统.星星会“眨眼”是常见的光学现象.由于大气湍流不断变化,星星发出的光芒在穿过大气层时受到影响会时隐时现,影响天文观测.为抹平“噪点”,NASA将自适应光学系统用于天文望远镜——由可自由活动的多个小镜片组成一块大的变形镜,变形镜接收到系统发送的像差信号后会自行调整镜面、矫正像差,让星星不“眨眼”.
3D 打印眼镜,相当于一个缩小的“变形镜”.其设计图来源于每名患者各自的角膜形状,打印机根据“地图”,通过喷射液体的方式,一层层地将完全吻合个体角膜形状的镜片打印出来.目前,宋红欣博士已初步实现自由曲面镜片的高精度制造.
宋红欣表示,传统制镜工艺未必不能做到这一点,但在个性化需求面前市场化变得不现实.每位患者角膜形状不同,镜片的曲面也不同,意味着每一片镜片都要单独模型、单独流水线制作,产品将是天价.3D 打印的优势,正在无需额外成本就能实现精细制作.但由于经验不足,材料上的难点仍待突破,他们现在使用的光敏材料在固化中会发生形变,影响折射效果.
3D 打印神经支架可以帮助治疗脊髓损伤.明尼苏达大学的研究人员花费两年多时间开发出一种3D 打印导向装置,可以帮助长期脊髓损伤的患者恢复身体的部分功能.明尼苏达大学的研究人员开发了这种带有活细胞的3D 打印设备原型,可以帮助脊髓病患者恢复某些功能.设备的尺寸可以印刷以适合每个患者的脊髓.患者自己的细胞将印在支架上,以避免身体排斥.
据了解,3D 打印的导轨由硅胶制成,可作为专用单元的平台,然后在其上面进行3D 打印.该导向器将通过外科手术植入脊髓受损区域,在那里它将作为受伤区域上方和下方的活神经细胞之间的一种“桥梁”.该装置的目标是帮助患者减轻疼痛并恢复一些功能,如控制肌肉、肠和膀胱.
目前,美国约有285,000 人患有脊髓损伤,而且每年约有17,000 例新的脊髓损伤.“这是第一次有人能够在3D 打印的支架上直接3D 打印成人细胞衍生的神经干细胞,并让细胞在实验室中分化成活跃的神经细胞.”明尼苏达大学副教授迈克尔麦卡尔平（音译）说.“这是开发治疗脊髓损伤患者的一个非常令人兴奋的第一步.”明尼苏达大学医学院助理教授安·帕尔说.“目前,对于长期脊髓损伤患者,没有任何良好、精确的治疗方法.”
该团队的流程允许研究人员从成人的任何细胞开始,如皮肤细胞或血细胞,利用新的生物工程技术,将细胞重新编程为神经元干细胞.然后,工程师使用独特的3D 打印技术将这些单元打印到硅胶导轨上,使用相同的3D 打印机打印导板和单元.该支架使细胞保持活力并允许它们变成神经元.该团队开发了一个原型支架,通过手术植入脊髓受损部位,帮助连接受伤两侧的活细胞.
这种颜色增强的图像显示了在3D 打印过程中幸存下来的活细胞.来自成人体细胞的神经元干细胞在支架上进行3D 打印,并且细胞在实验室中分化成活性神经细胞.“我们能够使用最近几年开发的最新细胞生物工程技术,并将其与尖端的3D 打印技术相结合.”McAlpine 还描述了“精细”细胞的3D 打印非常困难.“困难的部分是保持细胞的活力.我们在印刷过程中测试了几种不同的配方,事实上,我们能够在3D 打印过程中保持约75％的细胞存活,然后让它们变成健康的神经元,这是非常了不起的.”
3D 打印助力深海生物研究.从20 世纪20年始,对海洋生物的捕捞和研究通常依赖于针对鱼类和甲壳类的“结实”的网.但是这样的网难以对海洋生物进行精准的分类,极易导致水母等无脊椎动物脆弱的身体结构被这些坚硬的网破坏.
海蜇、章鱼、海葵、海参,这些精灵般可爱的无脊椎动物靠着柔软的身体完美适应了深海的巨大压力,但也因此让科学家们的研究困难重重.由于对水母等被囊类软体生物的捕获难度过大,这类生物的研究已经被“忽视”了很久,甚至因此被称为“被遗忘的动物群”.那么到底如何才能在捕获这些软体动物的同时不伤害到他们柔软的组织呢？
近日,受到传统折纸技术的启发,哈佛大学威斯学院的工程师和海洋生物学家结合3D 打印技术设计了一个12 面体捕获装置RAD,可以像折纸一样轻松地把无防备的海洋生物包裹.这款机器的设计中存在着很多技术难点,各类小而重要的连接口；深海巨大的压强；12 个精细面板的协调等.3D 打印技术的不断发展为这些技术问题的解决提供了可能,3D 打印出的装置主体和面板完美地胜任了这项工作.目前这个装置已经成功通过了测试,捕获了700 米深的小鱿鱼、水母等.
格鲁伯说,在3D 打印技术的帮助下设计的这款装置,可以让这些“被遗忘的生物”重新进入科学家的视野,帮助我们更好地了解他们在海洋生态系统中发挥的重要作用.要知道,在全球范围内,无脊椎动物构成了超过380 亿公斤碳的生物量,大约占世界总生物量的7％,或超过人类总生物量的100 倍.
技术论文参考资料：
总结：此文为适合3D打印技术和应用和最新应用论文写作的大学硕士及关于技术本科毕业论文，相关技术开题报告范文和学术职称论文参考文献。
