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放眼全球:中国3D打印现状究竟如何?

2016-02-05 09:12
冷血の爱
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  近年来,随着3D打印人体器官、3D打印个性服装等创意的公开报道,3D打印技术开始进入公众视野。从技术原理来讲,3D打印属于增材制造技术,它以三维数字模型为基础,通过一层又一层堆叠材料的方式来构造物体。在构建一个物品时,传统制造工艺通常采用切削、钻孔等“减材”方式,去除多余的材料,而3D打印则采用完全相反的理念,在计算机软件控制下,将材料逐层叠加起来,从无到有地构建物品。

  3D打印不仅仅是炫酷的前沿科技,更是有望革新制造业的“潜力股”。制造业的全流程都可以引入3D打印,起到节约成本、加快进度、减少材料浪费等效果。在设计环节,借助3D打印技术,设计师能够获得更大的自由度和创意空间,可以专注于产品形态创意和功能创新,而不必考虑形状复杂度的影响,因为3D打印几乎可以完成任何形状的物品构建。在生产环节,3D打印可以直接从数字化模型生成零部件,不需要专门的模具制作等工序,既节约了成本,又能加快产品上市。此外,传统制造工艺在铸造、抛光和组装部件的过程中通常会产生废料,而相同部件使用3D打印则可以一次性成形,基本不会产生废料。在分销环节,3D打印可能会挑战现有的物流分销网络。未来,零部件不再需要从原厂家采购和运输,而是从制造商的在线数据库中下载3D打印模型文件,然后在本地快速打印出来,由此可能导致遍布全球的零部件仓储与配送体系失去存在的意义。

  原型制作应用较多

  3D打印不是一种技术,而是一系列快速成型技术的统称。按照基本原理的差异,3D打印技术可划分为七大类:材料挤出、材料喷射、片层压和容器内光聚合、直接能量沉积、粉末床熔合、黏结剂喷射。每个大类又可细分为不同的工艺。总体来看,每种工艺各有所长,适用于不同的场景。

  目前,3D打印应用较多的场景是原型制作。不同行业领域的原型制作,又对3D打印的材料、工艺和性能有独特要求。在医学模型制作场景下,通常对模型的表面质量和精度要求较高,但不要求耐用性和长久保存,因此,一般选用容器内光聚合技术,使用液态光敏树脂等材料,打印超高精度的齿科牙模、医学模型等。在汽车、电子等行业的测试模型制作中,由于对成型速度要求较高,可以使用黏结剂喷射技术,该技术的缺点是打印精度不高,并且成型部件强度偏低。在消费品领域,需要制作创意玩具、家装用品模型时,通常使用材料挤出工艺,其打印设备和材料成本较低,操作也更加简单。

  直接零部件制造场景下,通常对强度、硬度等机械性能有较高的要求,因此一般选择直接能量沉积和粉末床熔合等可以使用金属材料的工艺。其中,直接能量沉积技术可使用钛、不锈钢等作为原料,利用激光和电子束等热源,构造高性能的金属部件,能够直接制造航空航天等高端工程领域的复杂零部件。粉末床熔合技术也可以使用金属材料直接制造零部件,但是,其成型尺寸受限于粉末床的大小,难以构造大型部件。

  暂时局限于小规模市场

  3D打印技术已诞生30余年,但是,由于技术成熟度等因素的影响,其应用一直局限于产品设计和模型制造等小规模市场。未来,3D打印要拓展应用领域,最根本的是要解决打印精度、致密度、速度和打印成本等方面的问题。因此,业界主体各显神通,针对这些问题开展技术攻关,助力3D打印技术规模化应用。

  通过改善加热源提高打印精度。在激光加热源中,超短脉冲激光的光束作用范围更加集中,能够显著提高加工精度。德国TETRA公司基于双光子聚合工艺,推出纳米级3D打印机,使用超短脉冲激光来固化液体光敏材料。TETRA公司所使用的激光,波长780nm,脉冲持续时间少于120fs,由此保障固化区域的直径最低小于100纳米,从而实现极高的打印精度。

  通过改善材料等措施提高打印致密度。3D打印机制造商ExOne公司推出一种新型3D打印材料——Inconel合金625。该材料的致密度超过99%,可使用黏结剂喷射技术打印高致密度金属材料,用于航空航天等领域。弗吉尼亚理工学院正在开发一种新型的金属3D打印工艺,该工艺基于黏结剂喷射原理,使用铜粉末来打印零部件。研发团队通过向黏结剂中添加纳米粒子,来填补烧结过程中产生的空隙,增加零部件的致密度。

  改良喷嘴技术以提高3D打印的加工速度。日本东芝利用专有的流体模拟技术开发出一种全新喷嘴,这种喷嘴仅在一个极小的区域内施加粉末材料,使得激光能够精确覆盖微小的区域,进而大幅缩短激光金属沉积的时间,打印速度可达110cc/小时。法国BeAM公司研发出一种直接能量沉积技术,使用独特的喷嘴系统,能够在高能激光启动的同时喷射出金属粉末流,该项技术将打印速度提高到300cc/小时。

  从打印设备和材料方面降低3D打印成本。美国北卡罗来纳州立大学研发出一种新型光刻技术,不再依赖于专业的镜头、电子束等昂贵装置,而是使用纳米微球来塑造光线模型,因而极大降低了成本。英国金属材料制造商Metalysis开发出低成本的钛金属粉末,可用于3D打印汽车、航空零部件。Metalysis的工艺极大简化了钛粉的生产流程,将钛粉的生产成本降低了75%,已接近不锈钢的价格。

  我国尚未形成完整产业体系

  我国高度重视3D打印产业,已初步建立起研发体系,形成小规模应用市场。2015年2月,工业和信息化部、发展改革委、财政部联合印发《国家增材制造产业发展推进计划(2015~2016年)》,为3D打印的发展提供了有力的政策支撑环境。在3D打印技术研发方面,清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学等高校主导,已经在某些关键领域取得突破。而高校在技术研发过程中,通过专利授予和技术入股等方式成立公司,加快了3D打印技术成果的产业化。目前,国内涌现出数十家3D打印制造设备与服务企业,已初步形成小规模的产业市场。

  然而,我国3D打印产业依然处于新生阶段,尚未形成完整的产业体系。3D打印材料等关键核心技术基础薄弱,生产3D打印材料的企业较少,尤其是金属3D打印材料,严重依赖进口,导致3D打印成本较高,影响其产业化进程。

  总体来看,我国发展3D打印技术的起点较高,市场空间巨大。为此,我国应当从多个角度发力,加快推进3D打印产业健康有序发展。

  加快3D打印技术成果产业化。鼓励高校、科研院所将3D打印技术研究成果及时转化到产业界。通过成立3D打印创新中心等方式,促进创新链与产业链的紧密对接。依托创新中心,开展高校、科研院所与企业的合作研究,以及3D打印技术与专利的转让和交易。

  加强3D打印材料技术的研发。我国3D打印材料的种类和性能受限,特别是金属材料制造还存在瓶颈,远不能满足3D打印推广应用的需求。因此,我国应当加强材料的研制,形成完备的打印材料体系。一方面依托高校、科研机构对3D打印材料的特性进行研究,面向航空航天、国防工业等重点领域的需求,研发具有较高机械性能的金属材料。另一方面,鼓励材料生产企业拓展现有3D打印材料的种类,创新生产工艺,降低3D打印材料的价格。

  鼓励3D打印与传统工艺相结合。3D打印与传统制造工艺存在技术互补的可能性。在金属3D打印方面,从目前的技术发展来看,传统CNC的加工精度依然高于金属3D打印,而3D打印能够制造的零件复杂度远高于CNC,因此,将3D打印与传统CNC加工相结合是一种理性和经济的制造方式。在我国,鼓励3D打印与传统工艺相结合,能够加快3D打印在传统制造业中的应用推广。

 

 

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