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3D打印深刻变革传统制造 新工业革命蓄势待发

2015-12-09 09:00
潇纵
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  随着时代的飞速发展与科技的日新月异,新兴技术的出现使用和交叉融合正逐渐改变人类传统的生产方式与生活方式。3D打印(增材制造)技术以其与传统去除成形和受迫成形完全不同的制造理念和技术优势迅速发展成为制造技术领域新的战略方向。3D打印技术作为具有前沿性、先导性的新兴智能制造技术,正在使传统生产方式和生产工艺发生深刻变革,被认为是推动新一轮工业革命的原动力,引起了世界各国的广泛关注。

  3D打印(增材制造)用来指通过层层叠加制造实体的技术。制造出的实体可用于从试制(即快速原型)到最终产品的规模化生产(即快速制造)整个生命周期内任何地方。它是一种以数字模型文件为基础直接制造几乎任意形状三维实体的技术。3D打印运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层堆叠累积的方式来构造物体,即“层造形法”。3D打印与传统的机械加工技术不同,后者通常采用切削或钻孔技术(即减材工艺)实现。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用(比如髋关节或牙齿,或一些飞机零部件)已经有使用这种技术打印而成的零部件,意味着“3D打印”这项技术的普及。

  目前应用比较普及的3D打印技术包括:(1)选择性激光烧结技术,主要应用于尼龙等非金属复杂构件的打印;(2)激光选区熔化成形技术,主要应用于不锈钢、高温合金、钛合金、模具钢以及铝合金等金属复杂金属构件的打印;(3)激光熔融沉积技术,主要用于大型复杂金属构件的打印;(4)熔融沉积式3D打印技术,主要用于热塑性材料以及可食用材料的3D打印。(5)电子束熔化成型技术,主要用于钛合金材料的打印。

  3D打印技术目前在民用领域得到了广泛地应用,深入到人类生活的各个角落。为我们所熟知的是,世界首款3D打印汽车Urbee 2已经面世,它是一款混合动力汽车,其亮点是绝大多数零部件来自3D打印。传统的汽车制造是生产出各部分然后再组装到一起,而3D打印机能打印出单个的、一体式的汽车车身,再将其他部件填充进去。据称,新版本3D汽车需要50个零部件左右,而一辆标准设计的汽车需要成百上千的零部件。只要将模型的每部分上传到打印机上,2500小时后,就能拿到了所有的塑料部件,然后再把这些东西组装在一起。此外,3D打印技术还应用于珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品、生物医学以及模具制造等领域的设计和制造。

  更为我们所熟知的是,3D打印技术凭借其独有的技术优势在航空航天领域展现出了无穷的魅力,其优势主要体现在三个方面:(1)不需要铸模或锻模具,能够直接制造最终产品,省去了传统加工工艺繁琐的工艺流程;(2)不存在加工死角,尤其适合复杂异型结构;(3)实现了设计思路上的革命,为设计者提供了充分想象的平台,可以说“没有做不到,只有想不到”。航空航天产品不断推陈出新和升级换代,研制周期不断缩短,从而对复杂精密构件的制造提出了越来越高的要求,不仅要求具有高效、高性能制造能力,而且要求具有大型复杂结构件的直接制造能力,传统的制造技术难以满足上述要求,于是,3D打印技术可以扬其所长,助力于航空航天。尤其是先进战机用到的大型整体钛合金关键构件,航空发动机用到的四大热端部件(包括燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘)以及航天型号产品复杂关键结构件的高效、快速制造,被国内外公认是航空航天领域复杂结构件研制与生产的核心技术。

  为此,各国政府投入巨资对3D打印技术展开研究与应用,利用3D打印技术突破航空航天领域的技术瓶颈,提高航空航天领域的制造水平。以美国为首的西方军事强国,采取了一系列有力措施推动3D打印技术的发展。2006年,美国国防部“下一代制造技术计划(NGMTI)”重点支持3D打印技术研究与应用;2009年,美国制定了3D打印发展路线图;2012年,美国由国防部牵头组建“国家增材制造创新研究院”(NAMII),致力于3D打印技术的研究、技术转移、人才培养和主流制造的推广应用。

  我国在3D打印技术领域目前已经取得了一定的成果,上海航天设备制造总厂成功研制了国内首台双激光选区熔化3D打印设备;华曙高科开发了可定制化金属3D打印机;北京航空航天大学王华明团队在将激光熔融沉积技术应用于大型复杂金属构件的高效快速制造方面达到了国际领先水平。但是与发达国家相比,仍然存在较大的差距,尤其是大幅面3D打印设备和粉末材料研制方面。为此,我国政府顺应3D打印技术的发展潮流,制定了《国家增材制造发展推进计划》。《国家增材制造发展推进计划》的制定,为我国3D打印产业明确了发展目标,构建了宏伟蓝图,为3D打印全面发展与深化应用提供了良好平台。

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