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●它有魔幻般的制造能力,堪比现代版“神笔马良” ●它能如你所愿,将所需物品快速转化为实物或产品 ●它应用广泛,却有待人工智能和材料技术的“加持”

打印制造,堪比“神笔马良”

打印,这太好理解了,不就是用打印机打印文件嘛!那么,3d打印有何不同?

3d打印是一种快速成型技术,其打印或制造过程主要分为两个步骤:首先,用3d扫描获取产品的有关数据并输入计算机,采用建模软件创建产品的3d设计图,再逐层刨分成一系列横截面的文件存储下来。然后,由计算机操纵打印机按照横截面逐层打印,叠加堆积并粘结成一个3d实体。

与普通打印机采用喷墨打印不同,3d打印喷出的是粉末状金属、塑料、橡胶、陶瓷、树脂等可黏合的材料,可采用多个喷头逐层打印,最后形成实物或产品,而不是一页页的文件,打印过程即为实物或产品的生产过程。

3d打印起源于美国,因受限于材料、方法及工艺质量,一度发展十分缓慢,直至近年来随着科技的进步,才引起人们重视,迅速获得广泛应用。如今,它能打印小到纽扣、螺丝、花瓶、雕像,大到机器、厂房、桥梁、车辆,以及人体器官、人造皮肤乃至枪炮等,五花八门,似乎有着无所不能的“神力”,魔幻般的制造能力堪比现代版的“神笔马良”。

3d打印的潜力到底有多大?还有什么它不能制造的东西?人们现在还无法估量,但可以肯定的是,它将继续演绎超乎人们想象的新传奇。

优势很突出,缺点也不少

传统制造一般需要通过铸模、锻造、冲压、切割、车铣、打磨和抛光等加工工序,3d打印则可将上述过程统统省去,也不需传统意义上的专业技术人员、专门场地或制造车间,优势显而易见。

加工简化,速度惊人。传统制造工序多而繁杂,工作量大,周期长。3d打印不仅工序简化,制造过程更是一气呵成,速度快得惊人。比如,飞机前端的双曲面造型主风挡窗框的生产,即使技术先进的飞机制造公司,传统制造至少要花费两年时间,而3d打印却只需55天,生产周期缩短了12倍。

工序减少,成本节省。传统制造工艺复杂,每道工序要有熟练工人操作,耗费大量工时不说,原材料浪费也十分惊人——飞机制造行业的原材料利用率一般只有10%。比如,美国生产一架f-22战机,要用掉2796千克钛合金,而实际只需大约144千克,利用率只有5%。如果是3d打印,材料“按需配给”,原材料利用率可达90%以上,还省去了制模、铸造、组装等复杂的工序,节省大量人力物力,成本降到最低。

无需特殊场地,能实现远程制造。传统制造必须在工厂完成,不同零配件还需不同厂家承担,组装需要特殊场地,产品配送运输费时费力。3d打印则能依据产品文件随时随地打印,通过网络甚至可以实施远程制造。

善于复杂制造,可按需打印。传统制造对于曲线、凹槽、凸起、镂空等结构复杂的产品,需要高精尖设备和技术,甚至难以完成。3d打印却不存在这个问题,打印一个极其复杂的特殊产品,也不比打印一个简单的长方体难。特别适合打印单件或小批量生产,做到随要随打,按需生产,人员也不需要专门培训,能使用计算机就行。

3d打印虽然具有得天独厚的优势,并在很多领域都获得了应用,但其发展受到诸多因素制约。主要是独立制造技术尚有不足、可选材料较少、产品精度不足,导致打印的产品强度不够、质量不高、种类有限。有些产品虽能满足应急之需,可靠性却难以满足实用要求,不能实现真正意义上的独立制造。未来,3d打印的快速发展与应用,还有待于通过人工智能和材料技术来突破。

军事应用前景广阔

3d打印尽管受到相关技术和打印材料的制约,但它作为一种革命性的制造方法,已在军事领域展现出广阔的应用前景,成为推进军事变革的新生力量。

研究和制造武器装备。发展先进武器装备,3d打印能进行创意验证和模具制作,直接打印特殊、复杂的配件或成品。美军将半自动ar-15步枪的三维设计图下载到电脑,通过连接3d打印机,不仅打印出了枪支实体和绝大部分配件,而且还射出了600多发子弹。此外,美国靠3d打印制造出了小型无人机、榴弹发射器和导弹用点火器。韩国军队还打印出了训练用地雷和迫击炮弹。未来,如果金属材料问题能得到更好解决和广泛应用,3d打印或可全面制造轻武器。

打印战场救助的医疗物品。在野战条件下,医疗与救助远不如平时方便,所需物品难以及时补充,而具有快速制造能力的3d打印,则能现地为骨折伤员打印支架、夹板,为眼伤伤员打印特殊眼镜或眼罩,为脚伤伤员打印专用的鞋子,为关节受损伤员打印关节,为截肢伤员打印假肢,甚至为头骨损伤或缺失伤员打印出头骨。未来,如果能造出与人体相容的材料,还可为伤员打印血管、皮肤等。

建造营房和防御工事。军队遂行多样化任务,不得不在野外宿营,作战时需要快速构筑掩体或防御工事,材料保障及建造不仅工程量大、制约因素多,质量和防护效果也差强人意。3d打印可根据任务需求、气候条件和地形地貌特征,随时随地建造。美军就曾用一台混凝土3d打印机,在40小时内打印出一间46.45平方米的营房。

快速制造伪装防护器材。无论平时或战时,隐真示假是确保军事设施和军事行动隐蔽、欺骗和迷惑敌方的一项重要措施,部署诸如遮障、假目标、植被、蒙皮和伪装网等伪装防护器材,必须考虑其外貌、尺寸、色泽、辐射以及周边背景等因素。军队遂行作战任务时,伪装防护器材需求量大,携带不便。而3d打印则可根据作战需要和现地情况,快速制作完成伪装防护器材,使伪装后的目标与周围背景一致,实现“隐真”目的,或者使假目标更加真实,满足“示假”要求。

实现武器装备快速抢修。作战时,武器装备损坏不可避免,快速抢修是恢复战力的重要保障。作战不可能携带大量零配件,更无法预料会损毁哪些零配件,需求对接成为一大难题。有了3d打印,就可按事先存储在计算机中或远程传输过来的零部件3d设计文件,随时随地打印损毁的零部件,保障人员进行简单加工后既可实现快速抢修,大大减轻了运输和配送负担。据报道,美军曾将集装箱式的两个移动远征实验室部署到阿富汗战区,3d打印机就是其中的重要设备,它能直接利用塑料、钢铁和铝等材料,打印战场所需的零部件和特殊武器装备。未来,美军还计划推广类似的做法,为武器装备快速抢修提供保障,增强军队的持续战力。

专家小传:王群,国防科技大学教授,主要从事军事高科技和军事战略的教学研究工作,全军优秀教师,军队院校“育才奖”金奖获得者,3次荣立三等功,独立发表论文200多篇,出版专著(教材)10余部。

上图:3d打印产品。

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