李涤尘:快速成型技术将改变人类未来生活方式

2011-2-17 09:15 来源: 科学时报
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  利用快速成型技术,未来我们也许可以打印房屋、定造器官。

  我们将在家里自制个性化产品,每个人都能成为创造的主体。

  李涤尘,西安交通大学博士生导师,长江学者特聘教授,机械制造系统工程国家重点实验室主任。


李涤尘

  想不受限制快速地制作任何形状的物件吗?

  只要轻轻点一下“打印”按钮,车床、铣床、刨床、加工中心、经验丰富的工人以及小心翼翼的切割、打磨、焊接……这些我们熟悉的传统制造场景,可能都被小小鼠标取代。

  这是一项什么样的技术?

  “一项将要改变世界的技术。”2月10日刚刚出版的英国《经济学人》杂志以封面文章的形式报道了它——三维打印技术。封面上是一把“打印”出来的小提琴。

  文章说,正像人们无法在18世纪50年代预见蒸汽机的影响,无法在15世纪50年代看到活字印刷的未来,无法在上世纪50年代料到晶体管的冲击;人们目前还很难充分估计三维打印技术改变世界的力量。

  三维打印不是“纸上谈兵”,其原理是使用类似喷墨打印机的喷头,将材料根据设计数据一点一点喷射出来,直接堆积成各种立体零件。

  这一技术是快速成型方法的一种。

 
把材料累加

  建造房屋是我们司空见惯的工程。房屋是一砖一瓦堆砌出来的,任何形状的房屋都可以用这种方法构建出来。这种原理形成了材料累加的制造方法,就是使用材料逐层累加制造三维物体。

  在机械制造领域,最早使用材料累加方法制造零件的人是英国的一个博士研究生。上世纪80年代后期开始,随着计算机、激光和新材料技术的发展,材料累加制造原理在机械制造领域迅速应用开来。“快速原型制造”(Rapid Prototyping)、“累加制造”(Addition Manufacturing)、“实体自由制造”(Solid Free Fabrication)……各异的叫法分别从不同侧面表达了这种制造方法的特点,其中使用较多是“快速成型制造”。

  这一技术不需要传统的刀具、机床、夹具,可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件模型,从而实现“自由制造”。而且可以打造许多过去无法一次完成的模型,例如中空结构等,大大减少了加工工序,缩短了加工周期。

  这马上给工业产品的造型开发、工艺品的计算机设计提供了最为便捷的制造工具,使产品开发速度数十倍地提高。而且结构越是复杂的物体,其提速作用越显著。

  材料累加成型的原理与不同的加工工艺和材料结合,形成了许多制造设备。目前已有的设备技术种类达到20多种,其中主要有光固化快速成型技术、选取激光烧结技术、三维打印技术等。其中,三维打印技术是1996年以来发展最快的快速成型技术,其特点是成本低,可以制作出带有色彩的三维物体,但是制作精度较低。

 
在产品创新中大显身手

  快速成型技术一出现就取得了迅猛发展,在消费电子产品、汽车、航空航天、医疗、军工、地理信息、艺术设计等各个领域都得到了广泛应用。单件快速制造,可以应用于产品的研发阶段或单件小批量制造——这一特点决定了快速成型在产品创新中具有显著作用。

  可以说越是创新快的地区,对快速成型的需求越强烈。快速成型市场中,美国和欧洲占据了70%多的装机量,它们的许多产品都是在快速成型技术帮助下开发出来的。

  美国的一家血压监测仪器生产商,使用三维立体打印机的概念模型,很快开发出了新产品。工程师认为:“使用概念模型可以使我们比以前更快地捕捉设计错误,并且在相同时间内以一个更好的产品结束。”

  一家公司为谷歌SketchUp软件设计了一个插件,允许使用者从一个建筑物概念设计连接到三维打印机输出,直接产生一个基本尺度的建筑模型。

  快速成型还可以与金属铸件结合,并且延伸到许多工业领域。比如,这一技术使首饰行业发生了巨大的变化。三维立体打印技术可以快速制造出极其精细、精确的珠宝样式,这是传统的手工加工技术所不能实现的。有的珠宝商已经用该技术订制金饰。又如,美国利用快速成型技术制作无人机的风洞模型,使得无人机研发速度大幅提高。

  快速成型技术在医学上的应用则是一个崭新的方向。该技术可以制造手术方案所需的模型。例如,在加州大学洛杉矶分校,医生曾遇到如何安全地给连体婴儿做分离手术的问题。这对双胞胎出生时头部相连,虽然大脑、动脉是分开的,但头部的静脉血管却相互交织,手术时需要将其分离。通过快速成型机,医生们制造出婴儿头部动静脉血管的模型,从而提前制定出详细的手术计划。医生亨利说:“不需要别人帮助,我们就可以把以前需要97个小时的手术减少到22个小时。”

  目前还有工程师与医生合作,使用快速成型技术给患者定制骨骼替代物,帮助患者修复缺失的骨骼。新的研究方向甚至用三维打印机直接把细胞堆积出来,经过体外培养去制造复杂的器官。

  也许有一天,我们能够像今天配中药一样,给自己定制器官。

 
改变人类未来生活方式的技术

  快速成型技术虽然有美好的发展前景,却也面临巨大挑战。目前最大的难题是材料的物理与化学性能制约了工艺的实现。在成型材料上,目前主要是有机高分子材料,比如光固化树脂、尼龙、蜡等。金属材料直接成型是近十多年的研究热点,正在逐渐转向工业应用,但难点在于如何提高精度。

  由于市场需求的变化,快速成型技术发展趋势表现在3个方面。

  首先是快速成型制造技术本身的发展趋势。三维打印技术是国外近年来的发展热点,有着广泛的应用前景和巨大的商业价值。而金属直接成型技术使得金属结构零件可以直接制造,不久就可以在工业领域获得应用。

  快速成型技术进一步的发展方向是陶瓷零件和复合材料的快速成型。

  以三维打印为代表的低成本快速成型技术会使制造产品越来越容易,也许有一天制造一个物品就像我们现在使用打印机一样方便,自己在家里就可以设计制造戒指、耳环,甚至假牙等,这将大大改变我们的生活方式,使得想象力得以实现,激发人们的创造力。

  在快速成型技术发展的同时,也会使仿制越来越容易,难免会产生知识产权纠纷。但是,如果制造技术非常容易,简单的仿制就没有更多市场,人们会更加乐于进行改进,以求得自己的个性化,这样就会使产品更加丰富多彩,每个人都会成为创造的主体。随着科学技术的发展,快速成型设备的成本越来越低,20年内这一理想是有可能实现的。

  我们再来看快速成型应用领域的拓展趋势。快速成型可以为汽车新品开发提供快捷的支撑技术,为人工定制化假体制造、三维组织支架制造提供有效的技术手段。快速成型还在向着创意设计、建筑模型制造、地理模型制造、航空航天器件制造等领域发展,为各行各业提供简单快捷的工具。

  在学术思想的发展趋势方面,快速成型正从过去的外形制造向材料组织结构与外形结构设计制造一体化方向发展。研发人员正力图实现从微观组织到宏观结构的可控制造。例如利用细胞打印技术制造器官,三维打印机可以根据设计数据,在各位置用所需材料堆积出血管、肌肉组织等微结构(微观结构制造),这些微结构堆积起来形成了大尺寸的器官(宏观结构制造)。这一发展方向将给制造技术带来革命性变革。

  应该说,与产品创新结合是快速成型技术发展的根本方向,也是实现创新型国家的利器。人们通过新制造技术和设备的进步,逐步从理想王国向自由王国挺进。

  值得关注的是,在快速成型技术新设备研发和应用方面,我国落后于欧美国家,尤其在三维彩色打印技术方面,我国缺少研究与开发。在应用上,我国许多行业缺少后续技术研发,在快速制造的原型向模具和功能零件转化方面,没有形成系统技术体系,企业没有很好将此技术应用在产品开发方面。另外,快速成型尤其适合航天产品中零部件单件小批量的制造,其成本低、效率高。目前,快速成型技术在国外的航空领域有超过8%的应用量,发达国家在航空航天器的研制中不断尝试应用快速成型技术,而我国的应用量则非常低。