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“吃”进泥土 “吐”出一座楼 3D打印突破你想象

文章来源:od官方体育app注册发表时间:2022-09-20 10:47:12

  3D打印技术是一种可快速成型技术,已经有约40年的历史。随着技术的进步与制造成本的下降,3D打印逐渐用于一些产品的直接制造,包括“打印”义肢、牙齿及一些飞机零部件等高价值应用,也用于“打印”服装、玩具和食品等日常生活用品。近期,位于意大利马萨伦巴达的3D打印生态住宅TECLA屋建成,引发关注。这座双圆球造型的房屋使用多级模块化3D打印机构建,整个建造过程仅用了200小时。

  位于意大利马萨伦巴达的TECLA屋可能是目前最有趣的3D打印生态住宅。它号称是全球首个由黏土材料通过3D打印制作而成的生态住宅。

  和当前许多3D打印建筑不同的是,TECLA屋使用的原材料不是混凝土,而是来自附近河床的黏土,可生物降解、可回收、低碳。

  这座建筑使用多级模块化3D打印机构建,该打印机使用两个同步臂,每个臂有50平方米的打印区域,可以同时打印模块。整个建造过程仅用了200小时,消耗的能源很少,产生的建筑废弃物也很少。

  TECLA屋高4.2米,室内面积约60平方米,分为客厅、厨房和卧室。这栋建筑最有趣的地方在于两个相连的圆球形墙体,外墙由350层3D打印黏土堆叠而成。这些黏土呈波浪状排列,不仅保证墙体结构稳定,还具有隔热的作用。部分家具同样使用当地的黏土通过3D打印而成,且设计为可重复使用及回收的产品,实现循环价值。

  走进室内,可以看到原生态的墙面和柳叶状墙拱。整座房子都没有窗,靠柳叶状墙拱连接不同功能区域。屋顶安装了大型圆形天窗,白天,光线透过天窗进入室内,夜晚,安装在天窗周围的灯具亮起,营造温馨的氛围感。

  由意大利马里奥·库奇内拉建筑事务所和3D打印专家WASP联手打造的TECLA屋就地取材,材料容易获取、无需运输,几乎不产生废弃物,充分体现设计师将天然本土材料的使用经验及先进3D打印技术应用结合起来的功力,极具创造力。

  3D打印又称增材制造技术。1981年,日本科学家儿玉秀雄率先提出了逐层打印的概念。他发明了一种利用紫外线凝固光敏液体树脂的快速成型设备。这让人们看到了3D制造技术的潜力。

  这项发明催生了更多制造技术,3D打印由此诞生,带来了快速制作原型产品和模型的方法。目前最常用的3D打印技术之一为光固化成型(SLA),这一技术就非常类似儿玉秀雄当年的发明。

  除了SLA,另一种常见的3D打印技术是熔融沉积成型(FDM)。这种方法通过让热塑性聚合物融化后经喷头挤出形成细丝,逐层打印成最终的形状。

  有趣的是,在医疗、工程、太空等领域大展身手的FDM,灵感竟然源自于一只玩具青蛙。1988年,美国男子斯科特·克伦普决定给女儿设计一只玩具青蛙,他将聚乙烯和烛蜡的混合物装进喷胶枪,先让这些材料融化,然后按照一层一层堆叠的方式,制造出一只玩具青蛙。

  玩具青蛙做好了,3D打印的里程碑技术也面世了。1989年,克伦普获得了FDM技术专利并创立了Stratasys公司。1992年,该公司卖出了第一台3D打印机。如今,该公司已成为全球领先的3D打印巨头。

  3D打印的一大特点是用有限的几种核心材料就能制造各式各样的产品。这或许对未来的太空旅行大有用处。

  当我们身处地球时,制造大多数产品所需的仪器和材料都唾手可得,假如身处距离地球数百万千米的太空该怎么办?

  身处国际空间站的宇航员探索太空时需要维持生存所需的食物和水,需要及时拿到合适的工具去维修航天器故障。问题在于,国际空间站内缺少某种工具或部件时,宇航员得等上数周甚至数月,直至货运飞船把货送到天上来。为了解决这一难题,2014年,美国太空探索技术公司(SpaceX)将第一台针对零重力环境设计的3D打印机送上国际空间站,宇航员在太空3D打印出来的第一样物品就是扳手。今年6月,用于打印热塑性聚合物部件的俄制新型3D打印机也将被送到国际空间站。未来,借助这一技术,宇航员将能够在国际空间站自行打印所需部件,而不是等待地球发货。

  未来,人类要进行深空探索,前往火星甚至登陆小行星,也不能单纯依靠地球的补给。2018年,美国航天局(NASA)举办3D打印栖息地挑战赛,旨在为登陆火星的宇航员们设计3D打印的房屋。目前,利用3D打印技术在火星打印房屋还停留在“纸上谈兵”阶段,但NASA已成功在休斯敦约翰逊航天中心内3D打印了一个模拟火星环境的住处。这个名为“火星沙丘阿尔法”的住处面积约158平方米,有卧室、厨房、浴室以及健身房。

  3D打印工作原理与传统打印原理类似,主要区别在于3D打印机使用的“墨水”是实实在在的原材料。3D打印机不用纸或墨,而是通过计算机辅助设计、激光扫描、材料熔融等技术,使特定金属粉或可塑性高的材料熔化,并按电子模型图的指示一层层叠加“铸造”起来,最终把电子模型图变成实物。

  融化的材料接触操作台后会立即冷却变硬。每一层彼此熔合便形成了最终的立体造型。

  打印用的原材料细丝通常缠绕成卷,由旋转的卷筒送入打印机。塑料的成本低、强度高、可选颜色多,因此是最常用的原材料。

  每填充一层材料,操作台就会降低一点。这样可以保证打印头始终在同一水平面移动。

  虽然不是万物都可通过3D打印来制作,但这项技术的应用领域正在不断扩大。家居装饰、玩偶工艺品、建筑模型……越来越多生活中常见的东西可以被3D打印出来。

  2015年,英国一家公司打造“看不见的艺术”项目,将世界名画用3D打印技术还原,意在让视觉障碍者通过触觉感受艺术欣赏经典。该项目的第一个作品是复刻版3D《蒙娜丽莎002918)》。

  在汽车业界,已经有企业成功地将3D打印技术和无人驾驶技术结合起来。2020年2月,新西兰本土制造的电动智能穿梭巴士亮相克赖斯特彻奇市。这辆无人驾驶巴士可以载客15人,车身部分采用3D技术打印,小巧精致,可以进行远程操控。

  去年11月,俄罗斯技术集团宣布,已开始用连续纤维3D打印技术,批量制造MS-21客机的PD-14发动机零件。声明指出,得益于工业3D打印技术,某些单个配套部件的生产时间有望从6个月缩短至3周。

  在这方面,“郁金香之国”荷兰可谓是走在前列:5年前,荷兰东南部城镇海默特就开通了可供自行车通行的3D打印混凝土桥梁;去年7月,荷兰首都阿姆斯特丹一座3D打印的12米长钢制桥梁竣工并于次月向公众开放;去年5月,荷兰南部城市艾恩德霍芬的3D打印住宅迎来了首批住户,这栋两室一厅的房子共94平方米,由24个3D打印的构件拼装而成……

  如果以人类组织细胞为材料,3D打印技术也可以用来制作某些身体部位或者器官,目前研究人员已制作出了可用于人造功能性器官或的3D打印脉管、自膨型3D打印血管支架、微型肾脏、心脏、耳朵等。

  去年11月,英国一名47岁男子在伦敦一家医院安装了一枚3D打印的假眼,据称是世界首例。这枚3D打印假眼安装在患者的左眼,仿真度极高,制作周期也比传统方法短。研究人员先对患者眼窝进行数码扫描,半个小时后就能生成假眼数码影像,仅3周就能完成制作。为了确保两只眼睛看起来一样,研究人员还扫描了患者的右眼。

  可食用3D打印技术为食物注入创造力。2016年在英国伦敦开张的“食品墨水”餐厅号称全球首个3D打印餐馆。在这间餐厅里,不仅所有食物都是3D打印而成,连顾客坐的餐椅也出自这种技术。

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