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解读3D打印:一种典型的数字化制造技术 -- 前沿科技 -- 中国科技网

时间:2016-11-15 来源: 人气:25
[导读]英国科学家打印出了“终结者机械手臂”。日本年度预算申请支持3D打印金属产品的技术研发。如果你与人聊天谈论3D打印,请注意及时储备谈资,因为网上有关此话题的更新,以小时为单位。
文·区和坚本报记者滕继濮
英国科学家打印出了“终结者机械手臂”;日本年度预算申请支持3D打印金属产品的技术研发;3D打印让法国病人重获鼻子……以上是记者15日发稿时搜到的信息。如果你与人聊天谈论3D打印,请注意及时储备谈资,因为网上有关此话题的更新,以小时为单位。
近日,主题为“我国3D打印技术的现状及发展趋势”的西苑沙龙在京举行。国内外著名大学、研究机构及产业界的院士、专家、学者与企业家代表,各陈所学,互动交流。
一幅针对3D发展现状和应用需求的立体图景被还原出来。
解读3D打印身份
3D打印“材料叠加”的核心制造思想起源于美国。一个名叫CarloBaese的人,在其研究专利提出,用光敏聚合物制造塑料件。这是很早以前的事了,早到1902年。
你听说过“增材制造”吗?
就像你可能不知阿尔茨海默病就是老年痴呆一样,3D打印其实是一个通俗、形象的概念,在学术界一般被称为増材制造、堆积制造、增量制造或快速原型制造。现在,这一技术是指基于离散材料逐层堆积的成形原理,依据产品三维CAD模型,通过软件与数控系统将特制材料逐层堆积固化,制造出实体产品的数字化制造技术。
这是一项融合了计算机软件、材料、机械、控制、网络信息等多学科知识的综合性系统性的技术。从原理上来讲,整个过程一般包括五个环节:一是产品三维建模,二是层片数据生成与传输,三是能束逐层扫描材料,四是材料熔化,五是材料逐层叠加。
根据采用工艺装备和材料的不同,3D打印技术大致可以分为粉末材料高能束烧结或熔化成形、丝状材料熔融沉积(FDM)、液态树脂固化成形、液体喷墨打印成形几类。
3D打印的三大“舞台”
“如果真的是(有用),那我的‘郭’字倒过来写。”制造业大佬、鸿海董事长郭台铭在今年6月底如是评价3D打印技术。当然此言本质上并不是否定该技术,其企业30年前就在使用3D打印机,只是至今这项技术都无法帮助其大量生产工业产品——现代汽车或家电都是在流水线上诞生,目前我们还不能指望打印机取代流水线。
3D打印当然有着大显身手的舞台,首先是复杂结构的快速制造,理论上只要能设计出三维结构模型,我们就可以在无需刀具、模具及复杂工艺条件下快速地将设计变为实物;二是个性化定制,3D打印非常适合个性化定制生产、小批量生产以及产品定型之前的验证性产品制造;三是3D打印技术目前主要适用于高附加值产品制造、个性化产品以及产品大规模生产前的研发与设计验证等环节的制造。
应用领域扩大从高端走向普及
上世纪90年代是3D打印技术蓬勃发展时期,至少有十几种新工艺和新系统设备先后面世,但其大红大紫还是在奥巴马提出振兴制造业的战略之后。
这一速度的发展之快,受关注之高,从频频见诸媒体就可感受到。它的发展也是体现在这一行业的各个环节和层面。
首先是从快速原型、工艺辅助等间接制造向零部件直接制造转变。近年来,利用粉末材料的3D打印技术成为零部件直接制造领域的研究热点和前沿。其中,利用小功率激光器和粉床工艺的选择性激光熔化技术(SLM技术)设备才出现两三年,但已经在钛合金、镍基高温合金等特种合金零件的快速制造方面显示出了强大的技术优势。美国AeroMet公司使用LENS技术制造的次承力结构件在F-18战斗机上实现了装机应用。
接下来是多学科交叉融合发展,3D打印应用领域不断扩大。3D打印与生物学科、信息学科、材料学科交叉融合为3D打印技术提供了更为广阔的发展空间。3D打印技术与生物工程的结合已成功应用于人体器官的再制造。
三是3D打印装备向产品化、系列化和专业化方向发展。制件成形精度和效率提高是产品化、系列化和专业化发展的目标。
第四是形成了相对完整的3D打印制造产业链,并形成了一定的产业规模和市场销售。欧美国家已经形成了包含材料制备、相关软件、工艺、装备、管理、创意服务和应用等相对完整的产业链。据《WohlersReport2010》统计,3D打印应用领域包括消费产品/电子产品行业、汽车行业、医疗/牙科行业以及航空航天、建筑等行业。据预测,到2025年,3D打印技术潜在的经济影响将达到2300—2500亿美元。
与我们生活最相关的是,3D打印装备从高端型走向普及型。低端3D打印装备销量的急剧增加促使了3D打印装备总销量的快速增长,也说明了3D打印制造装备从高端型向普及型快速转变。现在在淘宝网上,最便宜几千元就可以买到一部3D打印机。如果你迫不及待想试试打印出自己设计的模型,可以考虑购买一台。
我国与国外基本同步
我国自上世纪90年代初,便在国家自然科学基金委和国家科技部的支持下开始研究该项技术,相比较其他制造领域,我国3D打印技术与国外基本上同步启动、同步发展。
特别是在科技部多个五年计划的持续支持下,华中科技大学、西安交通大学、清华大学、北京航空航天大学、西北工业大学等一批科研院所开展了几乎所有主流的3D打印技术研究,研发出一批3D打印装备,建立了两个国家重点实验室、1个国家工程中心,以及若干生产力促进中心,在航空、汽车、生物、电子等行业进行应用验证,为持续研究与应用推广打下了良好的基础。
另外,神龙汽车、长安福特、奇瑞汽车、广西玉柴机器有限公司、东风汽车公司等一批企业则利用3D打印技术于多种零部件和产品的设计开发和生产应用中。
未来5年,我国可重点围绕高端工业产品和大众个性化消费产品两大类对象,加强3D打印有关的基础理论与成形微观机理、设计方法、关键工艺技术研究,高性能高精度高效率工艺装备研制,以及相关标准规范制定。
■专家视点
卢秉恒中国工程院院士、西安交通大学机械学院院长、教授:
我国的3D打印技术进步很快,但仍然落后于欧美,而落后的原因并不是研发时间晚了几年。国内企业在研发上投入少、底子薄、资金少,制约了研发投入。此外,政府的支持力度也不够。
国内3D打印技术虽然科研水平已位居世界前列,但在工艺装备、工程应用方面还有很大的发展空间。为此,我国3D打印技术需要制定技术发展路线图,规划基础研究、产业化、工程应用的发展路线,从而使其真正产业化。
宋天虎中国机械工业联合会副会长、教授级高工:
3D打印存在五个问题有待解决。
第一个,怎么检测。要作为产业,没有一个通用的检测方法可能不行;第二个,性能的稳定性也需要检测;第三个,尺寸精度也有待提高;第四个,组织结构需要研究;第五个,效率问题。
未来的增材制造要向着成形过程的仿真,过程监控与问题智能处理方向的发展很有必要,国外也在这方面开始着手了。
杨海成中国航天科技集团总工程师、北京神舟航天软件技术有限公司董事长:
3D打印制造应该是一个典型的数字化制造技术,当然包括材料,当然也包括装备,也包括工艺,但是的的确确为什么国外叫3D打印,因为突出了数字制造的体系和概念。以3D打印制造技术为代表的数字化制造技术将对产品设计、制造工艺、制造装备及生产线、材料制备、相关工业标准、制造企业形态乃至整个传统制造体系产生全面、深刻的变革。
王华明北京航空航天大学材料加工工程及自动化系教授:
增材制造技术最近很“热”,需要科学地、理性地对待。增材制造只是制造技术大家庭一个成员而已,实际上装备制造不可能依赖一种技术。制造技术体系完整,减材制造不是说传统制造,其实传统制造技术非常地多。增材制造与减材制造并不是对立的事情,增材制造产品需要后续少量的减材加工。增材制造不可能颠覆或取代减材制造。
史玉升华中科大材料科学与工程学院副院长、教授:
我们认为3D打印存在以下瓶颈问题。粉末材料,材料已经成为增材制造的主要瓶颈问题,如何制备这样的材料有很多困难。第二,装备的精度和效率。第三是,成本,现在装备一买几百万,上千万,成本太高了。再者是成形工艺,除了本身的增材制造成形工艺,也要考虑和传统的工艺相结合,结合后将发挥传统和增材制造的优点。表面质量、微观结构和宏观性能控制都是3D打印技术亟待解决的关键问题,特别是标准制定。
张正文英国埃克塞特大学教授、重庆大学特聘教授:
3D打印是个交叉学科,也就是设备难以提高的原因可能跟工艺有关系,但工艺提高可能跟材料有关系。怎么利用我们国家的市场优势,主导国际工艺链的形成过程,争取在国际产业链形成过程中,我国占据高附加值的部分。第三,软件,比如多孔结构、网状结构的优化设计软件,将来的软件是不是跟它的一样?这几个方面都得需要去加强。
孟光上海航天局副局长:
应该处理好五个关系。第一个传统设计制造与3D打印制造的关系。第二个,大规模制造与个性化制造的关系。将来仅仅是单件小批量,还是停留在很小的层面。第三个,政府和市场的关系。如果这个问题现在不考虑清楚,将来会带来另外的问题,完全靠市场拉动是很困难的,包括现在电动汽车的模式。第四个,装备和产品,硬件和软件的关系。我觉得在关心3D打印制造装备的同时,应该关心满足3D打印需求的材料的制备装备,包括钛合金的粉末,均匀性、一致性各方面的要求,这种装备的制造。另外要关心软件。第五个,制造模式、商业模式与产业模式的关系。
连宁南京紫金立德电子公司总经理:
3D打印技术现在在我国层面上,在高层规划过程中间,很重要的一点是要加强正确的宣传和引导。现在有些媒体的一些报道、宣传已经过头了,甚至于可以讲是胡说八道,还是应该抱着科学合理冷静的观点来看待3D打印技术,然后要促进技术人员到研发人员,更多更好地了解、认识3D打印技术,让他们更快地接受3D打印技术,来促进他们思想观念的转变以至引起导致他们工作方式方法的改变。
姚山大连理工大学材料工程系教授:
3D打印应该能对铸造这个典型的基础行业产生非常大的影响,而且通过先进铸造技术的研发,对其他行业,比如模具加以推动。现在的玻璃模具很多都源于铸件,毛坯都是铸件,为了做出铸件首先要先做一个获得砂型的铸造模具,有了3D打印就可以不再做这个模具,直接打印铸型,然后通过精加工就可以制得玻璃模具。3D打印现在社会上炒得过热、过高,但实际上落地需要和各种技术相结合,例如最基础的铸造,几千年的铸造和二十年的3D打印结合起来做,可能做得很好。
李冬茹机械联合会副秘书长、研究员:
当然从工业领域来,对3D打印或者增材制造有几个疑虑,第一个疑虑,通过这种工艺生产出来的东西,比如某一个零件,它跟传统制造的零件,特别是内在力学上有什么样的相同和不同,感觉拿出来的实验数据不足,不足以让产业界放心。第二个,效率问题、精度问题、成本问题,工业界应用很多的问题是成本问题。比如精度问题,一开始做汽车模具的时候,效率比起来虽然可以根据新产品开发做模具,但是当时高速加工技术的发展,很快就把刚刚冒头的汽车模具形势压下去了,不断地在发展。现在在工业领域的应用,确实都存在这个问题。现在大家看到主要的研究还是在学校为主,怎么能在一两个行业,在工业领域有所突破,使它更快速的发展,这是很核心的问题。
冯涛北京隆源自动成型系统有限公司总经理:
对企业来说,做基础装备来说,和国际上相比,如果科研做开发,说是创新还是补课,从国家的现状来说,更多的还是补课的问题,如果基础达不到,很多创新可能做不到。补课方面,我们和国际相比,几个方面都是落后的,比如精度,明显地和国外的有较大差距。
赵吉宾中国科学院沈阳自动化研究所装备制造技术研究室主任、研究员:
大家多说在美国、欧美非常地热,或者产业做得比较少,我们国家虽然炒的比较热,但真正的需求并不是很旺盛。欧美人比较注重自己动手,动手能力比较强。像欧美的家庭里有一个小的工作作坊,小车间,都喜欢自己动手做一些东西,但中国人的家庭里很少。还有文化理念的问题。
黄田天津大学机械学院院长、教授:
我有两个建议:第一个,在技术层面,特别是高精尖的,它的性能、内在质量,国家应该投入钱来做这方面的研究。第二个,这个东西肯定不是万能的,从其他方面来讲,它肯定是制造,制造技术是多样性的东西,这种3D打印技术对于某一些构件要分分类,特别突出的需要去攻克哪些问题,也并不是什么都能替代。所以这个东西在什么场合,对什么类型的产品适用,针对不同的问题可能有不同的答案。
刘继红北京航空航天大学机械工程及自动化学院教授:
我主要提两个问题:第一个,令我也一直困惑的是我们到底是否准确地把握住了美国重新提出3D打印的真实意图?第二个,3D打印到底定位是在哪里?补课还是超越,如果仅仅是补课,我想我们已经补了或者跟了二十多年,如果是超越,我们到底在哪几个方向超越,这实际上牵扯到我们在发展方向上,五年、十年甚至二十年的发展目标是什么。
邵新宇华中科技大学常务副校长、教授:
不管现在认不认可3D打印,是否代表第三次工业革命或者就是第三次工业革命的核心技术,我们不去争论它,但至少要高度重视。因为它所带来的一种关键技术乃至于将来产业变化核心是越来越明显的,或者潜力是无限的,因此,要高度重视。
从国家战略规划层面来看,的确要重视这块,相关资源整合起来,比如相关的基金委在关注,科技部在关注,工信部也会谈到这块。要把相关的资源整合起来,尤其是政府层面。
(本栏目稿件素材由西苑沙龙提供)
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