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技术革命?回归自然?3D打印远比你想象的要伟大得多

3D打印 2019-12-22 17:11152航小北的日常科普aik12.com.cn

我们先从一个有意思的故事说起

从前有一个土财主,看到有人手里面拿了个酒葫芦,他非常喜欢,觉得葫芦很好看,而且里面能够装酒还很方便,于是这个财主就买了一大堆的木头块,几乎堆满了一间房。

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△空心的葫芦可以用来装酒△

他先是找人把这些木头块给削成了葫芦的形状,三下五除二几天就全部削好了。但是财主找遍了所有他认识的木匠,这些木匠都说根本没办法把实心的木头块给掏空,于是土财主看着满满一屋子的实心葫芦活活气死了。

这个故事很有趣,但是却引出来一个非常严肃的话题:故事里的财主之所以没办法加工出来他想要的葫芦,是因为人类的制造工艺实际上几乎都是“减材制造”,而与之相反的,大自然中生物的生长几乎都是“增材制造”

“减材制造”与“增材制造”

所谓的减材制造是我们目前在工业领域最长利用的一种制造方式,比如说机械加工的四项基本功:车铣刨磨,都是拿一块整料,通过各种形式的加工使得我们不需要的材料脱落掉,最终就获得了我们需要的材料的形状。

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△车床切削掉不需要的材料△

而现在更加先进的数控机床实际上也同样是“减材制造”,只是这些数控机床把不同的去除材料的手段集中在一起,也更加智能化,让我们可以更加方便快速地获得我们设计的机械结构。

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△数控机床的多轴联动加工△

而 增材制造,顾名思义,就是我们本来什么都没有,但是通过把需要的材料放到指定的位置最终组成了我们设计出来的结构。比如说现在大火的3D打印实际上就是增 材制造。比如说我们通过融化树脂,把这些融化的树脂喷射到对应的平面位置上,然后一层一层摞起来就可以获得我们需要的立体结构。

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△采用树脂作为原料的3D打印△

3D打印可以减少材料浪费

有人说:数控机床加工已经很先进了,你想要让它加工出来一个东西,那就只要输入模型就行了,很方便呀,为什么还需要3D打印呢?

于是有人回答这位朋友了:你看,减材加工是拿一大块材料,把不用的材料去掉,这就会浪费很多材料。用了3D打印之后就不需要浪费这么多了,当然就是技术革命喽。

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△3D打印确实可以节省大量的材料△

这样的回答没有错,但是3D打印号称技术革命的原因绝对不仅仅于此。因为真正的技术革命不是“人有我优”,而是“人无我有”,节省点儿材料固然很重要,但是还是无关宏旨。

3D打印的革命性远远不止省钱那么简单

要说3D打印的伟大意义,我们还是说回一开头“葫芦加工”这个故事上来。

为什么减材加工的方式没办法造出来一个最简单的葫芦?事实上,这样一个葫芦,别说当时的木匠做不出来,现在最先进的数控机床同样做不出来。究其原因,这是因为现在所有的机械加工方式都存在一个“加工干涉”的问题。

简单说,你既然需要通过刀头去除某个物体上的材料,那么最起码的,这个刀头必须要能够伸到对应的位置,而有一些形状的物体注定刀头无法到达,所以数控机床加工不出来。而葫芦作为一个肚子大、口小的物体,内部的材料是没办法通过数控加工的方式去除的。

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△数控加工需要考虑加工干涉的问题△

当然,如果有一些具有加工知识的朋友会知道,遇到这样的情况我们可以通过其他的加工手段来实现,比如说为了加工出来一个葫芦,我们可以加工两个瓢,然后焊接起来就行了;或者可以通过“失蜡法”的方式来加工这种带有内部空间的物体。

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△失蜡法加工出来窄口的瓶子△

这些方法是有效的,甚至于随着技术的进步可以加工出来以前我们不敢想象的机械结构,比如说内部有着复杂空气流道的航空发动机涡轮叶片也可以通过“失蜡法”加工出来。

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△航空发动机涡轮叶片和内部流道△

但是,这些方法仍然有极大的局限,比如说失蜡法没有办法制造内部有封闭空间的结构,而且这些内部结构的尺寸有要求,一旦小于这个尺寸,失蜡法、焊接之类的方法就失效了。

比如说现在很火的“超材料”,实际上就是具有微结构的材料,人类现在不仅仅可以去设计材料的外形,还能够把材料的微观结构给“加工”出来,这就带来了技术上的革命。

比如说多孔材料,相同的刚度,但是密度上却可以远远轻于普通材料;比如说你压它它能够“扭”起来的超材料,这种材料可从来没有在自然出现过。

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△多孔材料十分轻便△

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△一压就扭起来的材料△

这些材料根本不是“减材制造”可以实现的,直到“增材制造”出现之后,我们才逐渐认识到原来我们可以获得如此性质的材料。

但是,增材制造实际上是回归自然

我们的3D打印或者说增材制造并不是什么新鲜的东西,因为“增材制造”是大自然本来的样子。比如说生物体的生长就是名副其实的“增材制造”,所以在长期的演化过程中生物体往往都具有了我们现代工艺不能达到的结构。

比如说“多孔结构”在生物体中就是一种非常常见的结构,包括我们人体的骨骼中就包含了大量的孔隙,让我们的骨骼在具有相当的强度的同时,却还能够有很轻的质量。

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△增材制造让生物体中的多孔结构随处可见△

所以说,增材制造是更加符合“制造”这个词的一种方法,是直接“造”出来我们需要的结构,而不是先拿一块材料来切削成我们需要的形状。

当然了,现在的3D打印技术还远远没有到能够方便地制造出我们上文提到的那种超细孔隙的超材料,但是采用稍大孔隙结构的材料已经伴随着3D打印已经出现了,包括航空发动机中的涡轮叶片也可以使用3D打印成型。

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△3D打印出的带有大量孔隙的材料△

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△3D打印出的航空发动机涡轮叶片△

而随着技术的进一步发展,我们可能会获得更多的充满了崭新性能的材料,而这是我们处于减材制造的时代做不到的。

总结一下

减材制造是我们目前采用的最主流的制造方法,这种方法存在很多缺陷,而增材制造会很大程度上弥补这些缺陷,因为增材制造是更加符合“制造”规则的一种制造方式。

尤其是增材制造让我们可以直接操刀机械的“微结构”,从而获得性质更好的、甚至于在大自然中从来没有过的材料——而这才是3D打印具有革命性意义的真正原因,远远不是市面上加工几个玩具的3D打印机可以代表的。


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