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全面解析“大工业时代”的3D打印!

2015-09-11 08:56
姚看江湖
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  增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是通过CAD 设计数据并采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除(切削加工)技术,是一种“自下而上”的材料累加制造方法。自20 世纪80 年代末,增材制造技术逐步发展,期间也被称为“材料累加制造”、“快速原型”、“分层制造”、“ 实体自由制造”、“3D 打印技术”等。美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会对增材制造给出了定义:增材制造是依据三维模型数据将材料连接制作物体的过程,相对于减法制造,它通常是逐层累加的过程。3D打印也常用来表示“增材制造”技术。狭义的3D 喷印是指采用打印头、喷嘴或其他打印技术沉积材料来制造物体的技术,这些增材制造设备相对价格较低,总体功能较弱。

  从更广义的原理上来看,以三维CAD 设计数据为基础,将材料(包括液体、粉材、线材或块材等)自动化地累加起来成为实体结构的制造方法,均可视为增材制造技术。

  增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件,从而实现“自由制造”,解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形,并大大减少了加工工序,缩短了加工周期。而且越是结构复杂的产品,其制造的速度优势越明显。近20 年来,增材制造技术得到了快速的发展,增材制造原理与不同的材料和工艺结合发展出了许多增材制造设备,目前已达到20 多个种类。这一技术在各个领域都获得了广泛的应用,如电子产品、汽车、航空航天、医疗、军工、地理信息、艺术设计等。

  增材制造(3D 打印)技术被认为是“一项将要改变世界的技术”。英国《经济学人》杂志认为增材制造将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。2013 年麦肯锡发布“展望2025”,而增材制造被纳入决定未来经济的12 大颠覆技术之一。增材制造技术为我国制造业发展和升级提供了历史性机遇。增材制造可以快速、高效地实现新产品物理原型的制造,为产品研发提供快捷技术途径。该技术降低了制造业的资金和人员技术门槛,有助于催生小微制造服务业,有效提高就业水平,有助于激活社会智慧和资金资源,实现制造业结构调整,促进制造业由大变强。

  (1)为创新、创业开拓了巨大空间。3D 打印适用于复杂形状结构、多品种、小批量的制造以及众多领域的应用。人们可以通过拓扑优化设计及多材料制造功能梯度结构,最大限度地发挥材料的功能,为许多装备设计和制造带来颠覆性进步,使设计摆脱了传统技术可制造性的约束,给创新设计释放了巨大的空间。

  (2)崭新的生产组织模式为创业提供了无限商机。增材制造带来集散制造的崭新模式,即通过网络平台,实现个性化订单、创客设计、制造设备,乃至资金的集成规划与分散实施,这一生产模式可以有效实现社会资源的最大发挥,为全民创业和泛在制造提供技术支撑。

  (3)促进学科交叉研究的革命性发展。发展微型冶金试验平台,应用于材料基因研究,创造新合金材料。可以通过细胞打印、组织工程,发展器官再造,通过建设干细胞试验台,快速、高效进行干细胞诱导试验,发展基因打印,为生命学科发展提供跃进式发展。

  (4)为我国制造业发展和升级带来重大机遇。3D 打印是产品创新的利器,已经成为先进开发模式。而生产能力过剩,产品开发能力严重不足,是我国制造业发展的瓶颈。将3D 打印迅速在各个领域推广应用,是发展高技术的服务业,实现制造业结构调整和促进制造业由大变强的重要手段。

  国内外发展现状及趋势

  1 、国外3D 打印发展现状及趋势

  经过近30 年的发展,目前美国已经成为增材制造领先的国家。3D打印技术不断融入人们的生活,催生出许多新的产业。人们可以用3D 打印技术自己设计物品,使得创造越来越容易。美国为保持其技术领先地位,最早尝试将3D 打印技术应用于航空航天等领域。1985 年,在五角大楼主导下,美国秘密开始了钛合金激光成形技术研究,直到1992 年这项技术才公之于众。2002 年,美国宇航局(NASA)就研制出3D 打印机,能制造金属零件。同年,美国将激光成形钛合金零件装上了战机。为提高制造效率,美国人开始采用42kW的电子束枪,Sciaky 的3D 打印机每小时能打印6.8~18.1kg 金属钛,而大多数竞争者仅能达到2.3kg/h。美国军工巨头洛克希德· 马丁公司宣布与 Sciaky 加强合作,用该公司生产的襟副翼翼梁装备正在生产的F-35 战斗机。目前,使用3D 打印钛合金零件的F-35 已经进行了试飞。据估计,如果3000 多架战机都使用该技术制造零部件,不仅大大提高“难产”的F-35 战机的部署速度,而且还能节省数十亿美元成本,如原本相当于材料成本1~2 倍的加工费现在只需原来的10% ;加工1t 重的钛合金复杂结构件,传统工艺成本大约2500 万元,而激光3D 焊接快速成型技术的成本在130 万元左右,仅是传统工艺的5%。2012 年7 月,美国太空网透露,NASA 正在测试新一代3D 打印机,可以在绕地球飞行时制造设备零部件,并希望将其送到火星上。

  世界科技强国和新兴国家都将增材制造技术作为未来产业发展新的增长点加以培育和支持,以抢占未来科技产业的制高点。2012 年,美国提出了“重振制造业”战略,将“增材制造” 列为第一个启动项目,成立了国家增材制造研究院(NAMII)。欧盟国家认识到增材制造技术对工业乃至整个国家发展的重要作用及巨大潜力,纷纷加大支持力度。德国政府在2013 年财政预算案中宣布政府在《高技术战略2020》和《德国工业4.0 战略计划实施建议》等纲领性文件中,明确支持包括激光增材制造在内的新一代革命性技术的研发与创新。澳大利亚政府倡导成立增材制造协同研究中心,促进以终端客户驱动的协作研究。新加坡,将5 亿美元的资金用于发展增材制造技术,让新加坡的制造企业能够拥有全球最先进的增材制造技术。日本政府在2014 年预算案中划拨了40 亿日元,由经济产业省组织实施以增材制造技术为核心的制造革命计划,以构建其完备的增材制造材料与装备体系,提高其增材制造技术的国际竞争能力。2014 年6 月,韩国政府宣布成立3D 打印工业发展委员会,批准了一份旨在使韩国在3D 打印领域获得领先地位的总体规划,其目标包括到2020 年培养1000 万创客(Maker),针对各个层次的民众制订相应的3D打印培训课程,以及为贫困人口提供相应的数字化基础设施。可以说,增材制造技术正在带动新一轮的世界科技和产业发展与竞争。

  美国专门从事增材制造技术咨询服务的Wohlers 协会在2015 年度报告中对行业发展情况进行了分析。2014 年增材制造设备与服务全球直接产值为41.03 亿美元,2014年增长率为35.2%,其中设备材料为19.97 亿美元,增长31.6%;服务产值为21.05 亿美元,增长38.9% ;其发展特点是服务相对设备材料增长更快。在增材制造应用方面,工业和商业设备领域占据了主导地位,然而其比例从18.5% 降低到17.5%;消费商品和电子领域所占比例为16.6%;航空航天领域从12.3% 增加到14.8% ;机动车领域为16.1% ;研究机构占8.2%,政府和军事领域占6.6%,二者较2013 年均有所增加;医学和牙科领域占13.1%。在过去10 年的大部分时间内,消费商品和电子领域始终占据着主导地位。目前,美国在设备拥有量上占全球的38.1%,居首位;日本占第二位;中国于2014 年赶超德国,以9.2% 列第三位。在设备销售量方面,2014 年度美国增材制造设备产量最高,中国次之,日本和德国分别位居第三和第四位。

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