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什么是4D打印?4D打印与3D打印对比杂谈

  作为第三次工业革命缩影的3D打印技术,属于快速成型技术的一种。从上世纪80 年代问世以来,在诸多领域取得了突破性进展。而4D 打印技术在3D打印的技术上应运而生,使材料自我组装,自我变形成为可能。无论3D打印还是4D打印,都将给未来社会带来颠覆性的改变。
1、3D打印技术
1.1 3D打印技术的定义和加工流程
3D打印(3DP)是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。利用3D 打印技术制造一件产品,通常需要三个步骤,分别是:三维建模、分层切片、叠加打印。
(1) 三维建模。3D 打印首先要做的就是利用测量仪、扫描仪等工具或借助Pro/E、UG、Solidworks、3DMAX 等软件,将目标产品生产三维模型。
(2)分层切片。三维模型生成之后,就要用专门的分层软件对模型进行分层切片处理,最后保存为STL 格式文件。由于切片厚度越薄,打印产品越精细,同时所花费的打印时间也越长,所以应根据目标产品的实际情况选择合适的切片厚度。
(3)叠加打印。这个过程是3D 打印过程中进行加工制造的过程。在该过程中,3D 打印机识别上一步分层处理后的STL 文件信息,将粉末、丝状等不同类型的材料经过粘结、熔结等不同方式凝固后层层累积,最终形成目标产品。
1.2 3D 打印的技术类型
常见的3D打印技术类型通常包括:熔融沉积技术(FDM)、光固成型技术(SLA)、三维粉末粘结(3DP)等技术。
(1)熔融沉积技术(FDM)技术的主要原理是:将丝状材料加热融化后,通过3D打印机喷头喷出,沉积在前层已经固化的材料上。该技术优点是:结构简单、制造、加工成本较低、应用范围最广。
(2)光固成型技术(SLA)技术的主要原理是:采用激光或其他光源照射热敏性材料,逐层固化。该技术优点是:可制造机构复杂的零件、加工精度高。
(3)三维粉末粘结(3DP)技术的主要原理是:在工作平面上铺一层粉末材料,利用喷嘴喷出粘合剂是粉末料粘结在一起,层层反复。该技术优点是:可加工材料广泛、产品种类繁多。
2、3D打印技术的应用
2.1 航空制造业
3D 打印应用于航空制造业中,由于运用3D 打印技术生产零部件时可直接成型,所以能过简化生产环节、缩短生产周期、加速航空制造业更新换代的速度。
2.2 机械制造业
3D打印机能够将复杂的零件一次性打印出来,由此可提高零部件的稳定性、可靠性以及集成度。这样不仅简化了加工工艺,摆脱了对加工设备的束缚,而且使设计加工更为复杂的零部件成为可能。
2.3 汽车制造业
随着世界上第一辆纯3D打印的混合动力车---Urbee 以及世界上第一辆 3D打印赛车---Arion 的问世,3D 打印技术在汽车制造业越来越占据着举足轻重的地位。3D打印技术除了能大大提高生产效率以外,还能使汽车的发动机性能、外观造型、内饰设计等方面产生质的飞跃。
2.4 建筑施工
3D打印技术应用于建筑施工,不仅可以在不到一天的时间里打印出一套房子,而且很难用人力制造的独特外观,可由3D打印机轻松完成。3D打印使用的是由砂浆、玻璃纤维等组合而成的可粘合材料。这种复合材料相比水泥而言,其强度、韧度都有所提升。
2.5 医学领域
用细胞打印人体器官、定制个性化医疗器械、设计更为精准的治疗方案、制作体外医学模型等,3D打印技术不断推动着现代医学的发展。
2.6 家居生活
3D打印技术应用于服装设计行业,能够简化剪裁工艺,突破传统剪裁方法,实现服装设计“个性化”;应用于食品加工行业,可使食物加工更为快捷,食品保质期延长,食品原材料更为多样化。毫无疑问,3D打印技术在各个领域如火如荼地发展着,但是,更为智能的4D打印已崭露头角。
3、4D 打印技术
3.1 4D打印的概念
何为4D打印?麻省理工学院(MIT)的研究员斯凯勒•帝比茨通过一个实验,向我们展示了这种新一代打印技术。在演示中,他将一段绳状物放入水中,该物体能自动折成MIT 字样的立体结构。4D打印就是在3D打印的基础上增加了时间维度T,是可编程材料实现自我构建和重组装的技术。正如斯凯勒•帝比茨所言:“4D打印技术就是把智慧植入到材料中去”。
3.2 4D 打印材料
4D打印技术的关键是智能材料。智能材料结构又称机敏结构,在外界环境的刺激下,如水、光、电磁等,智能材料结构可将传感、控制和驱动三种功能集于一身,能够完成相应的反应。目前国内外研究比较成熟的智能材料有EPA (电活性聚合物材料)、SMM(形状记忆材料)等。
3.3 4D 打印的应用
在航空航天领域,使用4D 打印技术制造的飞机,不再惧怕炮弹的袭击,因为受损伤的部件可自动延展生成新的部件;卫星发射不用耗费大量燃料将庞大设备送入太空,只需要将打印好的材料送入太空即可,到达预定轨道后自动组装成卫星。
在机械制造领域,只需用4D打印机打印好材料,在需要的时候自动组装成所需要的机器,这样不仅缓解了运输压力而且能够省去人工装配的时间与费用。
在家居生活方面,断裂后自动修复的水管、根据自己体型变换尺寸的沙发、依据温度变化自动调整布料厚薄的衣服等等,4D打印技术能为生活增添诸多便利。
在医学领域,4D打印材料能够随着血液流动,准确到达心脏预定部位,自动形成心脏支架;还可以打印出某种胶囊,遇到癌细胞就能触发形变,实现点对点药物释放,从而将癌细胞消灭,毫无疑问,4D打印技术引领着新一轮的医学革命。
4、结束语
3D打印技术已蓬勃发展20 多年,而4D打印技术目前只处于概念阶段。在3D、4D打印这个高科技领域,中国获得了一个千载难逢的机会:一个可以与欧美国家平等竞争,同台亮相的机会。我国的科技工作者们要把握机会,克服困难,使科技强国的中国梦得以实现。
没有上一个下一个:3D打印迈向大型化

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