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【导师分享】施永忠:造物奇迹:神奇的3D打印技术

教学目的及要求:

通过教学使学生了解目前世界上3D打印技术的发展现状及前景,了解它的基本原理与构造,打破思维定式,初步了解其神秘之处。。

 

教学内容:

2013年7月,美国宇航局,把一台3D打印机发送到国际太空站,宇航员可以采用该设备,直接制造或修复工具,这样就没必要将多余设备或工具发往太空站了。这是美国宇航局兰利研究中心工作人员专门针对微重力环境而开发的电子束无模成型微重力零件增材制造工艺,地面专家可以先通过电脑绘制一个三维物体图,三维图被分成可由电子束追踪的多个层,然后被发往空间站。同时,宇航员可以将铝、钛等金属丝放到电子束中,用于构建这些分层。电子束释放的热量(温度可达3000度)会使金属液化,然后改变需要的外形。这就大大降低了太空站日常维护特别是零部件运输的成本,可以进一步延长使用寿命。


近几年“3D打印”成了超前科技的代言词,火遍全球。其实3D打印并不能算是一项新技术,它早在20世纪80年代便已产生,只是因为成本巨大,在最近几年才进军艺术界和工业界,用以制造假肢、汽车零部件、家具和珠宝等。由于其迅猛的发展态势,也许在未来的某一天,3D打印能够像上帝那样打印出人类。


英国《经济学人》杂志认为,这项技术将与数字化生产模式一起推动实现新的工业革命,将3D打印技术列为第三次技术革命范畴;美国《时代》周刊已将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”。仅仅几十年后,这项技术就得到了长足的发展。但是有些人还是感觉3D打印离我们太远,不能惠及到我们的生活。那么笔者就为大家全方位、立体式地解读一下,这项马上可以触手可及的技术。


对于关注打印领域的读者来说,3D打印技术也许并不是什么陌生词了。而普通大众关注3D技术,还要追溯到前年年初上映的詹姆斯·卡梅隆的3D大片《阿凡达》。虽然电影《阿凡达》描绘的美丽景象没有在观众记忆中停留多久,但3D影像技术带给观影者震撼的视觉冲击,却一直影响着随后电影工业的发展,从《阿凡达》开始,几乎所有的大制作高成本影片无不推出3D版,而前段时间上映的3D影片《超凡蜘蛛侠》更是叫好又叫座,这说明3D技术的电影制作已经深入人心,并深受大众喜爱。


得益于3D技术制作的电影受到好评,现如今3D技术的发展涉及到了各行各业。而在制造行业,“3D打印技术”的影响正在日益凸显。


你可能觉得3D打印技术是边缘技术,只有标新立异的人或者是高端设计室才用,但其实在不经意中,你早就接触到了3D打印产品。比如在牙科诊所,很多定制的口腔设备现在都在使用3D打印机。口腔防护器可调整牙齿的排列,牙科医生扫描了牙齿的位置后就可以利用软件制作一个塑料模型,带上数月后就可以把牙齿调整到合适的位置。另外利用3D打印机可以很快的制作出牙齿的模型,牙医可以现场磨制假牙给你换上。


一、3D打印的工作原理

说到它的原理,其实也并不不复杂,其运作原理和传统打印机工作原理基本相同。传统打印机是只要轻点电脑屏幕上的“打印”按钮,一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上,它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而3D打印机首先将物品转化为一组3D数据,然后打印机开始逐层分切,针对分切的每一层构建,按层次打印。


打印时,粉末耗材会一层一层地打印出来,层与层之间通过特殊的胶水进行粘合,并按照横截面将图案固定住,最后一层一层叠加起来,就像我们坐在海边用沙子堆砌城堡一样的程序,最终经过分层打印、层层粘合、逐层堆砌,一个完整的物品就会呈现在我们眼前了。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。


堆叠薄层的形式有多种多样。有些3D打印机使用“喷墨”的方式。例如,一家名为Objet的以色列3D打印机公司,使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上,此涂层然后被置于紫外线下进行处理。


之后铸模托盘下降极小的距离,以供下一层堆叠上来。另外一家总部位于美国明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一种叫做“熔积成型”的技术,整个流程是在喷头内熔化塑料,然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。

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还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层,然后由喷出的液态粘合剂进行固化。


它也可以使用一种叫做“激光烧结”的技术熔铸成指定形状。这也正是德国EOS公司在其叠加工艺制造机上使用的技术。而瑞士的Arcam公司则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒。以上提到的这些仅仅是许多成型方式中的一部分。


    当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时,介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸,最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。


如今可用于打印的介质种类多样,从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质,令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。


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作者简介

施永忠,高级教师,2015年中国十佳好教师。2009年指导学生开展“青少年科技创新大奖赛”,至今先后指导七个学生课题组获得浙江省一等奖,三个全国一等奖,三个二等奖;2010年开设高中“创意与发明”,指导学生获得两项发明专利;2014年接触3D打印,参加人社部3D打印材料高级研修班,并编辑中小学3D打印教师培训用书《3D打印新未来》;2015年设计申报的《3D打印与微创意》选修课程被评为杭州市精品课程并入选全国首届教育创新成果展博会,同时在浙大附中设计建成杭州市第一个3D打印创新实验室。
文章介绍
  • 教学目的及要求:通过教学使学生了解目前世界上3D打印技术的发展现状及前景,了解它的基本原理与构造,打破思维定式,初步了解其神秘之处。。教学内容:2013年7月,美国宇航局,把一台3D打印机发送到国际太空站,宇航员可以采用该设备,直接制造或修复工具,这样就没必要将多余设备或工具发往太空站了。这是美国宇航局兰利研究中心工作人员专门针对微重力环境而开发的电子束无模成型微重力零件增材制造工艺,地面专家可以先通过电...
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  • 更新时间:2016-10-28
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