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《科学大众》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

创办于1937年,是我国创刊最早、影响最大的科普刊物之一。现由江苏省科技厅主管、江苏省科协主办。70多年来,杂志秉承“科学大众化、大众科学化”的宗旨,矢志不渝地为提高中华民族特别是青少年科学素质服务,影响了一代又一代中国人,得到了毛泽东、周恩来等党和国家领导人的肯定。

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3D打印机真能成为改变世界的神器?

2013-11-15 20:17:32

3D打印机真能成为改变世界的神器?

□ 文/ 杨先碧

 

肚子饿了,谁也不想去做饭,也不想出门上餐馆。怎么办?现在我们通常会弄些方便食品来吃。但是在不久的将来,人们可能会去商店购买一台3D食物打印机放在家里,想吃什么饭菜时,打印机可以直接帮我们“烹调”出来。近年来,具有“万能制造机”之称的3D打印机不但可以用于人造器官、无人机这样的尖端制造项目,还逐渐进入人们的日常生活,帮助我们打印出披萨、巧克力等食物以及其他各种生活用品。也许今后,你在淘宝上购买的不再是衣服、鞋子、玩具这些东西,而是打印出它们的3D服务项目。

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3D 打印机正在打印一个杯子

对此,美国媒体预测,在不久的将来,3D打印机很可能彻底改变人们的购物模式和生活方式,人们不必都涌入大城市了,仅仅依靠3D打印机和网络,就可以在小城镇或乡村过上自给自足的优质生活;英国媒体甚至预测, 3D打印机将引发第三次工业革命,极大地影响我们未来的职业选择;而中国媒体则预测,中国将成最大的3D打印市场,3年内产值达百亿元。

3D打印机,真的能成为改变世界的神器吗?

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一名男子正在观看3D 打印机打印玩具兔子


3D打印机制造美味披萨

当一个遨游太空的宇航员,着实让人羡慕,但宇航员也有自己的苦恼,那就是在每次执行太空任务时,只能吃各种方便食品,因为目前载人太空飞行器内的空间十分金贵,航天部门不可能专门为宇航员配备一名厨师。在未来的长途太空旅行中,天天吃方便食品肯定会影响宇航员的食欲和健康。为此,美国宇航局(NASA)想到一个好方法:用3D打印机充当宇航员的大厨。

NASA刚刚向一家3D打印机公司拨款12.5万美元,开启了为期半年、旨在研发一种全能食物合成器的项目。一旦成功,这种功能强大的打印机将为宇航员打印出一顿顿美餐。

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美国宇航局目前为宇航员提供的是真空压缩食品

这种3D打印机将按照“数字菜谱”混合各种粉末,制造色香味俱全的食品。研发太空食品3D打印机的工程师安詹·康特拉克特表示,他曾用3D打印机为妻子打印出巧克力。打印巧克力的试验促使他开始考虑,还有哪些食品可以打印生成,最后他决定把披萨作为新的目标。之所以选择披萨,因为它包含多种营养,口味也不错,同时它的多层次构造,有利于发挥3D打印技术的长处。在打印一份披萨时,首先需要打印底层的面团,打印过程中会进行烘烤,随后加入番茄粉末、水和油完成番茄酱的打印,顶部还会有个蛋白质层。

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美国宇航局希望能为宇航员们提供3D打印的披萨


它是可解决粮食危机的神器

当披萨也可以打印出来的消息被报道后,就有科学家表示,3D食物打印机不光是好玩有趣,它还可以避免食物浪费,从而解决全球粮食危机。

首先,3D打印按需定制,可以减少日常生活中的食物浪费。平时人们无论在家做饭还是在饭馆点菜,往往采用“模糊”算法,大概差不多就行了。而且,为了保障每个人都吃得饱,会在“差不多”的基础上再加一些,多出的这些食品往往就浪费了。有了3D打印机后,它可严格按照人们的饭量准备食物,总量精确到克,可有效地减少浪费。

另外,3D食物打印机采用粉末状食材,可以减少食物在仓储、运输过程中的浪费。由于各种粮食含有一定的水分,容易在仓储和运输的过程中腐败变质,这些变质的食品就会被扔掉。在未来用3D技术打印食物前,会把绝大部分粮食和肉类先加工成几乎不含有水分的粉末,在制作食物时,再往打印机的“食品墨盒”中添加各种粉末和水。这些粉末状食材被分门别类地装入真空食品袋,不仅减少了仓储和运输成本,而且可以长时间储存,在没有打开包装袋的情况下可以保存30年不变质。

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未来的食物会是这样子吗?

由于3D打印食物大多采用粉末状食材,现在许多人们不吃或不爱吃的原料,比如植物的茎杆、昆虫,也可以加工成粉末,这样就增加了食物来源。这对于传统的食物生产加工方式是一种很大的变革。不过,现在连科学家也不确认人们是否会喜欢机器打印出来的食物。但也有科学家乐观地表示,这只是个习惯问题,人们会慢慢喜欢上“打印美食”的。

 

它还是尖端制造领域的新秀

虽然我们日常生活中还很少见到3D打印机,但是它在尖端制造领域的应用已经十分广泛了。在我国神舟十号飞船中,3位宇航员的坐垫就是天津市快速成形技术工程中心利用3D打印机制造出来的。从神舟五号开始,这款坐垫也是第六次升上太空为神舟飞船保驾护航。为航天员量体,将他们的身体数据在电脑上形成三维数字模型,然后利用3D技术打印出立体的坐垫。这款坐垫可以有效减轻飞船升空、着陆时产生的加速度和颠簸对航天员身体的影响,最大限度提高舒适性和安全性。

为什么尖端制造需要3D打印技术?这是因为3D打印不走样。研究人员怎么设计的,3D打印机就可以一模一样地打印出来。因此,航空航天中一些精密度要求高、结构复杂且需求量少的零配件,有时就需要3D打印来完成。3D打印机还可以作为应急的重要工具。比如,载人航天器在太空中有零配件脱落是很危险的事情,如果从地面运送过去,不仅运送成本高,更可能因为时间差而导致航天器出问题。有了3D打印机,航天员就可以临时打印一个零配件安装上去,及时消除潜在的危险。

在未来的外星探索中采用3D打印,还可大大降低成本。欧洲航天局公布了人类首个月球基地计划蓝图。该基地将由从地球“空降”至月球的机器人建造,而且机器人将就地取材,利用3D打印技术将月球上的原始土壤转变成建筑材料。如果利用这种方案,未来月球基地中90%的建筑材料都可能实现就地取材,只有建造基地的机器人和固体连接器等少量较难就地打印的零部件,需要从地球运到月球上去。

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有朝一日,3D打印机也许能打印出真正的宇宙飞船


它让我们的生活变得更加好玩

家里来客人了,发现缺一把椅子,可以通过3D打印机随手打印一把;突然发现自己该换一把牙刷了,10分钟后一把牙刷就在3D打印机中出现了。这听起来像是在做梦吧?随着3D打印机的出现,我们的梦想将逐步变为现实。如今,3D打印逐渐步入生活,可以打印出我们日常生活用品。  

美国时装设计师玛丽认为,3D打印可以制造更贴身的泳衣。她和合作者费瑟选择的是“选择性激光烧结”技术,利用尼龙为原料,打印出用圆形薄片连接而成的新型泳衣。除了泳衣外,用尼龙还可以打印其他种类的衣服。在2013年的巴黎和纽约走秀场上,一款新式的3D打印礼服成为人们关注的对象。在不久的将来,3D打印服饰的网络服务将越来越多。只要你登陆相关网站,选中自己中意的服饰样式,提供自己的尺码,3D打印公司就可以帮你打印合身的衣服或合脚的鞋子。

美国一家名为“创意实验室”的公司推出一款廉价的家用3D打印机,主要用于制造一些家用塑料制品。这台打印机对一层层熔化的塑料进行叠加,形成一个个立体模块。这样,它就能够生产整套彩色塑料盘、碟和碗。此外,它还能混合生产一些简单的在低温下能熔解的合金组件与电路。  

由于3D打印机现在还比较贵,在近几年每家买一个还很不现实。因此,美国一家公司开发出3D打印自动售货机。你可以把自己设计的产品,或者从网络上下载的3D模型,通过电子邮件发送给3D打印服务公司的自动服务系统。然后,找到离家最近的3D打印自动售货机,输入打印密码,你需要的物品就自动打印出来了。如果你不想亲自观看打印过程,可以选择让公司把你打印的物品快递到你家。

3D打印走进我们生活的脚步,将越来越快,甚至会爆发出几何增长级的能量。食物、玩具、服饰、艺术品、人造假体、交通工具、房子,都可以是它的杰作。更大的变革,或许是生活方式。有了取代流水线的3D打印机,在小城镇、在乡村,自给自足、优化生活、实现创意皆成为可能。或者,人们真的不必都涌入大城市了。在未来,人人都可以是设计师,利用3D打印技术在家里制造出各种各样属于我们自己的个性化用品。

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你可以用3D打印机打印出任何你喜欢的东西

 

它可能成为新的国家核心竞争力

总体而言,3D打印已经应用到许多领域,而且在未来几年内,这一趋势还将扩大。有专家预测,到2015年,桌面型3D打印机及专属材料实现产业化。到2020年,工业商用型3D打印机实现规模产业化。

英国《经济学人》杂志2012年发表文章称,3D打印采用“增材制造”,相对传统的“减材制造”是一种颠覆性的变革,可能引发第三次工业革命。第一次工业革命时,制造业的特点是单机分散式生产;第二次工业革命时,制造业的特点是流水集约式生产。3D打印看似是单机分散式生产的回归,其实是与分布式能源技术、互联技术、新材料技术等多种齐头并进的高新技术结合。3D打印技术是制造方式和手段的革命化创新,代表着未来制造业信息化、智能化的发展方向。工业革命不会因为3D打印技术的出现而立刻发生,但是当3D打印给工业生产和经济组织模式带来颠覆式的改变时,工业革命就不远了。

3D打印技术无疑将给传统制造模式带来极大冲击,未来极有可能会终结流水线制造模式,各类产品的制造可能会由现在的集中生产、全球分销变成分散生产、就地销售。据此估算,交易和流通成本有可能降到传统方式的十分之一。根据《经济学人》杂志的预测,未来的生产制造将从大型、复杂、昂贵的传统工业过程中分离出来,任何计算机都能够配合3D打印机成为灵巧的生产工厂。目前制造业主要分布在劳动力成本较低的发展中国家,而未来制造业将再次回流到发达国家。

20123月,美国总统奥巴马宣布了重振美国制造业计划,提出要建立15个制造创新研究院,3D打印技术被确定为首个制造创新研究院的主攻方向,并成立了国家增材制造研究院。同时在1 000所美国大学配备3D打印设备,目标是培养新一代系统设计师和生产创新者。这是美国看到了3D打印技术对未来产业、经济发展将产生的重大影响而采取的举措。  

对于3D打印的未来,或许丹麦哥本哈根未来研究学院的名誉主任约翰·彼得·帕鲁坦的一句话值得深思:“我们的社会通常会高估新技术的可能性,同时却又低估它们的长期发展潜力。”在30年前,世界上大部分人没有见过电脑,如今,世界上不少人都会熟练地操作电脑。这样的情形很快将出现在3D打印领域。或许你现在没有见过3D打印机,但是在几年或者十几年后,你就会熟练地利用3D打印机为自己和他人生产物品了。

在不久的将来,3D打印技术可能将极大地影响我们未来的职业选择。面对即将到来的变革,我们要有充分的心理准备和知识储备,才不会在将来被时代的大潮所淹没。

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iPad3D打印机,就能成为一个灵巧的生产工厂

 

名词解释

增材制造

传统制造业制造物品往往是用减法,就是通过截断、裁剪、打磨等方法来获得制造物品所需的尺寸,制造的过程中免不了浪费原材料,还会带来一定程度的污染。然而,3D打印物品则做的是加法,就是将粉末、液体、片状等细碎材料逐层堆积成一个物品,就好像一层层打印上去一样。因此, 3D打印又被专业人士称为“增材制造”。

 









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