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3D打印技术哪家强
  新华网 ( 2018-04-24 07:47:39 ) 来源: 《环球》杂志
 

    全球增材制造市场规模正逐年增加,作为新兴的革命性技术,世界各国都在加紧利用。目前中国增材制造技术的研发已有一定领先性,加上中国本就是制造业大国,未来增材制造技术将有更广阔的发展空间。

张云飞

  最近,提到制造业的创新技术,就不得不提增材制造,即俗称的3D打印技术——它并非新生事物,却在制造业转型升级的背景下,日益成为世界关注的焦点,一个不可忽视的发展突破口。

  日前发布的2018年“全球创新风向标”报告显示,83%的受访中国企业高管、63%的全球企业高管认为,增材制造能够促进业务发展,在所调查的创新技术中排名第一。这项调查报告由美国通用电气(GE)公司委托独立调查公司Edelman Intelligence进行,通过电话访谈了20个国家和地区的2090位公司高级主管。

  在中国,一些复杂的大型心脏手术中,医生用术前3D打印技术结合虚拟技术,更精确地了解病人病情,大大缩短手术时间;在美国得克萨斯州,一台巨型3D打印机,能在一天内打印出一套60平方米的房屋,造价仅一万美元;在荷兰东南部城镇海默特,人们用3D打印技术造了一座长8米的桥,这是世界首座3D打印混凝土桥梁……

  2017年年底,工业和信息化部、国家发改委等十二部门印发《增材制造产业发展行动计划(2017-2020)》,明确提出到2020年我国增材制造产业年销售收入超过200亿元,年均增速在30%以上。

增材与增效

  3D打印,顾名思义就是可以打印出3D的、立体的物品。我们日常办公用的普通打印机可以理解为2D打印机,其打印材料是墨粉。3D打印机的打印材料则是塑料、金属、陶瓷、尼龙等,通过计算机控制把打印材料一层层叠加起来,最终把三维模型变成实物。

  3D打印的内容既可以是人物头像、玩具汽车、鞋、衣服等相对简单而小型的物件,也可以是飞机、汽车零部件等精密构件,甚至还能是房子、桥梁等大型建筑,或者人体组织等复杂对象。

  增材制造相对于传统的车、铣、刨、磨这种对原材料进行切削、组装的减材制造来说,是一种创新型的制造技术,这使得过去受到传统制造方式制约而无法实现的复杂结构件制造成为可能。

  近几年,随着增材制造技术的不断突破,在国家政策的支持下,该技术与各个行业的应用结合度很高,可以说它正在逐步改变和影响着我们的生活。

  增材制造技术具有快速成型、材料利用率高、自由制造、复杂制造及结构强度高等特点:

  快速成型。车企在新产品更新换代时,前期模具需要工人反复打磨,调整后开模,如开模失败损失至少数百万元。一家车企平均每年花在模具上的费用在2亿元人民币左右,还不保证车型换代成功。而利用增材制造技术先设计出3D模型,然后直接打印出样品,如果不合适再调整,合格后再大规模制造,这大大缩短了研发周期,且降低了研发成本。飞机研发也是如此,比如美国波音公司通过3D建模和增材制造将原先3年的新机型研发周期缩短为半年,研发的成本也只有原先的20%。

  材料利用率高。增材制造技术从无到有制造物体,几乎不产生材料的浪费,而传统的减材制造,会造成一部分材料和边角料的浪费。

  实现自由制造、复杂制造。增材制造技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序,在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件,从而实现了零件“自由制造”,解决了许多复杂结构零件的成型,并大大减少了加工工序。

  成型件结构强度高。使用增材制造技术生产的部件,组织细密而均匀,激光成型的某些零件,超过或等同于锻件的性能,抗疲劳强度比锻件高32%~53%。例如某航天器钛合金零部件,使用增材制造生产的成品只有0.5千克重,却可承受100千克的压力。

应用和可能性

  增材制造技术凭借其优势,能有效解决传统技术无法克服的难题,目前正广泛应用于航空航天、船舶、汽车、医疗、文化、教育等领域。

  2016年5月5日在上海首飞成功的大型客机C919在研发和制造过程中,运用了增材制造技术以及特殊金属材料来制造客机的零部件,其中C919客机中央翼缘条长达3米,是大型增材制造钛合金构件,传统加工锻件毛坯重达1607千克,而利用增材制造技术制造的精坯重量仅为136千克,材料节省了91.5%,从而降低飞机的结构重量,延长其使用寿命,且提高燃油的经济性。

  美国通用电气(GE)公司的涡桨发动机,三分之一的零部件采用增材制造,由855个常规制造零件减少到12个增材制造零件。复杂性的降低加快了生产速度,重量减少5%,动力提升10%,能源消耗减少20%。

  汽车行业是除了航天航空外应用增材制造最为密集的行业之一,2012年梅赛德斯-奔驰就开始利用增材制造技术为汽车制造零部件,并且每年都会用增材制造技术打印10万多套原型零件。福特、宝马、兰博基尼、大众等几乎所有的整车厂都在持续探索增材制造带来的“无限可能”。

  增材制造技术还在临床医疗领域得以应用。利用CT、MRI或内窥镜得到患者病痛部位模型数据,用增材制造技术打出模型,使医生能够更直观地了解病情特点,提高手术成功率,这种增材制造技术方案主要用于高难度的手术,在术前进行演练可以在正式手术时更准确,缩短手术时间,减少出血量。另外,增材制造植入物在骨科运用得比较多,比如人工关节置换、人工椎体等。

  可以看出,增材制造这一创新技术已渗透进我们日常生活的方方面面。随着增材制造应用日益普及和深化,其将为各行业的生产和制造流程带来变革性影响,越来越多的企业也将使用增材制造技术进行产业升级和技术转型,这就是增材制造成为创新技术新热门的原因。

各国优势

  全球增材制造的市场规模正逐年增加,作为新兴的革命性技术,世界各国都在加紧利用。

  在美国,工业行业应用加快步伐,特别是在工业级的FDM打印机需求量比较大,以塑料聚合物为原材料的增材制造设备的使用不断增长,这些市场的扩张带来了设计师和创客的大量涌现,开启了设计思维的新空间。在医疗领域的增材制造技术发展也促使新的法律、规范的产生,比如FDA批准的材料和工艺,也将出台相关的法律规范和标准。

  在德国“工业4.0”的积极推进过程中,增材制造呈现出快速发展的态势,目前在德国使用增材制造技术的公司比例已经达到37%,计划使用增材制造技术的比例有12%。知名汽车制造企业大众、戴姆勒、宝马,以及电子行业的西门子,航空航天工业的空客等,均使用增材制造技术来帮助其进行新产品的研发和生产。

  俄罗斯在增材制造的某些技术上有显著优势,著名的光纤激光器供应商IPG Photonics公司就来自俄罗斯。由于激光和3D打印机之间的特殊联系,俄罗斯企业在这一领域占据了全球战略性地位,如粉末床熔融技术、直接金属激光烧结技术(DMLS)和选择性激光熔化成型技术(SLM)等。俄罗斯是一个军事大国,增材制造技术在飞机3D零部件、卫星、军用直升机、无人机以及核能等多个领域有了很大的突破。

  日本增材制造技术也发展迅猛,作为实业大国,日本工业基础雄厚,目前在医学、汽车、动漫等领域应用比较深入。

增材制造在中国

  中国增材制造技术经过多年发展,已形成以高校为主体的技术研发力量布局,若干关键技术取得重要突破,产业发展开始起步,形成了小规模的产业市场,并在多个领域成功应用,为下一步发展奠定了良好基础。

  以高校为主体的技术研发力量正在形成。清华大学、西北工业大学、北京航空航天大学、西安交通大学、华中科技大学等高校相继开展增材制造技术研究,成为中国研发增材制造技术的主力,相继成立了西北工业大学凝固技术国家重点实验室、华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室、西安交通大学制造系统工程国家重点实验室等。

  此外,中国的金属增材制造技术世界领先。虽然在增材制造技术上,中国起步较晚,但在科技人员的努力下,已取得了一大批重要研究成果,特别是在高性能金属零件激光直接成形技术方面取得重大突破,技术水平达到世界领先,攻克了金属材料增材制造的变形、翘曲、开裂等关键问题,成为首个利用选择性激光烧结(SLS)技术制造大型金属零部件的国家。

  中国已初步形成小规模产业化市场,依托院校及科研院所的研究成果,已涌现出一批增材制造设备与服务企业。目前,中国增材制造相关企业有数千家,产值规模接近100亿元。

  目前,随着关键技术的不断突破,中国增材制造技术的应用取得了突破性进展,比如在研制歼-15、歼-16和歼-31等战斗机过程中,金属增材制造技术被用来打造钛合金主体结构;中国国产大型客机C919的中央翼缘条、主风挡窗框使用的也是增材制造技术,这项技术显著降低了生产成本,节约了时间。

  目前,中国增材制造技术的研发已有一定领先性,加上中国本就是制造业大国,未来增材制造技术将有更广阔的发展空间。

  (作者系工业和信息化部工业文化发展中心增材制造研究院常务副院长)

来源:2018年4月18日出版的《环球》杂志 第8期

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