OFweek3D列印網訊 在2016年柏林航空展上,空中客車公司(Airbus)推出了全球第一架3D列印飛機Thor。該飛機機身全長3.9米,重量僅約21千克(46磅),其中的非電子部分,諸如推進器、起落裝置等均採用綿綸製造。在飛機製造應用3D列印技術後,可以節約燃料,減少普通飛機製造所產生的垃圾,從而達到保護環境的目的。3D列印技術經過20多年的發展,已先後進入航太航空、建築、醫療等領域,在降低成本、節約能源和創新製造方面發揮了巨大作用,未來其應用範圍還會更加廣闊。
增材製造技術是20世紀80年代後期發展起來的新型製造技術。增材製造技術過去也被稱為“材料累加製造”、“快速原型”、“分層製造”、“實體自由製造”和“3D列印技術”等。廣義地講,以三維CAD設計資料為基礎,將材料(包括液體、粉材、線材或塊材等)自動化地累加起來成為實體結構的製造方法,都可視為增材製造技術。相對于以車銑刨磨為代表的減材製造和以鑄鍛焊為代表的增材製造技術,其發展時間短但潛力巨大。它從原理上解決了傳統製造技術受結構複雜性制約的難題,實現從材料微觀組織到宏觀結構的可控制造,引領製造技術向“設計—材料—製造”一體化方向發展。
增材製造的技術特點在於不需要傳統的刀具、夾具及多道加工工序,利用三維設計資料在一台設備上可快速而精確地製造出任意複雜形狀的零件,從而實現“自由製造”,解決許多過去難以製造的複雜結構零件的成形問題,並有效減少了加工工序,縮短了加工週期。其優勢表現在:
適合複雜結構的快速製造,可製造傳統製造技術難加工(如自由曲面葉片、複雜內流道等)甚至是無法加工(如立體柵格結構、內空結構等)的複雜結構,在航空航太、汽車/模具及生物醫療等領域具有廣闊的應用前景。
傳統大規模、批量生產需要做大量的工藝技術準備,以及大量的工裝、設備和刀具等製造資源準備,增材製造技術在快速生產和靈活性方面極具優勢,適合珠寶、人體器官、文化創意等個性化產品定制生產、小批量生產,可大幅降低個性化、定制生產和創新設計的製造成本。
適合高附加值產品製造。目前,增材製造技術主要應用於航空航太、生物醫療等高附加值產品大規模生產前的研發與設計驗證以及個性化製造。
世界科技強國和新興國家都將增材製造技術作為未來產業發展新的增長點加以培育和支持,以搶佔未來科技產業的制高點。2012年美國提出了“重振製造業”戰略,將增材製造列為第一個啟動專案,成立了國家增材製造研究院(NAMII)。美國政府將增材製造技術作為國家製造業發展的首要戰略任務給予支援。歐盟國家認識到增材製造技術對工業乃至整個國家發展的重要作用及巨大潛力,紛紛加大支持力度。德國政府在“高技術戰略2020”和“工業4.0”等綱領性檔中,明確支援包括鐳射增材製造在內的新一代革命性技術的研發與創新。
澳大利亞政府宣導成立增材製造協同研究中心,促進以終端客戶驅動的協作研究。新加坡政府在2013年財政預算案中宣佈,將5億美元的資金用於發展增材製造技術。日本政府在2014年預算案中劃撥了40億日元,由經濟產業省組織實施以增材製造技術為核心的製造革命計畫。2014年6月,韓國政府宣佈成立增材製造工業發展委員會,批准了一份旨在使韓國在增材製造領域爭取領先位置的總體規劃。增材製造的發展正在帶動世界新一輪的科技和產業競爭。
2013年美國麥肯錫諮詢公司發佈的《展望2025》報告中,將增材製造技術列入決定未來經濟的12大顛覆技術之一。增材製造技術通過材料、鐳射、資訊、工藝、裝備和應用的交叉融合,突破製造工藝約束,向智慧化、定制化、服務化方向拓展,解決傳統製造技術無法解決的複雜結構快速製造問題。增材製造技術在航空航太、生物醫療、汽車、消費電子、文化創意等領域有巨大的發展空間,將給製造技術帶來革命性變革,成為創新和創業的銳利工具。
增材製造技術為我國製造業發展和升級提供歷史性機遇。改革開放30年來,我國成為製造業大國。但是,製造業生產能力過剩、產品創新開發能力嚴重不足,已經成為制約我國製造業發展的瓶頸。促進創新和創業是未來我們的核心任務,而增材製造技術恰好為創新和創業開闢了巨大空間。
增材製造技術為創新開拓了巨大空間。3D列印適合應用於複雜形狀結構、多品種小批量的製造,使設計擺脫了傳統技術的約束,給創新設計釋放了巨大的空間,同時可提高新產品的研發速度。增材製造技術為創業提供了無限商機。增材製造帶來集散製造的嶄新模式,即通過網路平臺,實現個性化訂單、創客設計、製造設備這一生產模式,可以有效實現社會資源的最大限度發揮,為全民創業提供技術支撐。
在促進學科交叉革命性發展上,發展微型冶金實驗平臺,應用于材料基因研究,創造新合金材料。通過細胞列印、組織工程、基因列印等手段,發展器官再造。通過建設幹細胞試驗台,快速高效進行幹細胞誘導實驗,實現生命學科躍進式發展。增材製造技術也為我國製造業發展和升級帶來重大機遇。我國製造業發展的瓶頸是製造業生產能力過剩而產品開發能力嚴重不足。將增材製造在各個領域推廣應用,是發展高技術的服務業、調整製造業結構和促進製造業由大變強的重要手段。
增材製造技術近年來無論是在基礎研究、關鍵技術還是產業發展方面都取得了飛速發展。在基礎研究方面,新工藝、新原理、新材料和新應用不斷湧現,4D列印、太空3D列印、電子3D列印、細胞3D列印、食品3D列印、建築列印等新概念不斷出現,從傳統的製造業向社會的各個領域發展。2014年全球增材製造設備與服務增長35.2%,其中桌面3D印表機保持高速增長,增長率為92.5%。增材製造技術呈現出從工業品向消費品發展的高速增長勢頭。互聯網下萬眾創新產業模式雛形已經呈現。新材料與新工藝是增材製造技術保持活力並持續發展的核心動力。隨著增材製造工藝的發展,其所使用材料從最開始的液態光敏樹脂,擴展到種類繁多的工程塑料、金屬粉體材料,並且逐漸成熟,開展應用。增材製造工藝的發展依託於能源、材料及其對話模式的創新,涉及機械、材料、物理、力學等多學科交叉領域。未來,基於金屬材料、非金屬材料、生物材料等體系的增材製造工藝技術與裝備是發展和應用的主要方向。
PEEK 材料定制化顱骨替代物
我國3D列印技術的起步時間僅比歐美晚3 5年,擁有幾支處於國際先進水準的研究團隊,他們都已經致力於3D列印研究20多年。我國的3D列印技術中,高性能大型金屬鐳射直接製造技術處於世界領先水準,相關技術已應用於新型飛機研製,顯著提高了我國飛機研製速度。我國率先在大尺寸鐳射選區燒結和選區熔化設備中採用多光束掃描技術,取得顯著進步。率先製造定制化骨替代物並應用於臨床,在生物組織製造和醫學應用方面走在國際前列。在產業化方面,我國近年來增材製造相關企業迅猛發展,增材設備擁有量於2014年趕超德國,以9.2%列第3位元,設備產量僅次於美國排第2位。但從國家整體水準來看,我們在創新能力、產業鏈構建、資金投入、人才培養和社會普及方面與先進國家還有很大的差距。在未來,需要在增材製造技術上繼續加大投入,通過增材製造技術服務促進我國製造業轉型,支撐我國從“製造大國”向“創造大國”轉變。
3D列印技術成創新創業的一把新利器
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