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解決方案
3D打印技術(shù)哪家強
星之球科技 來源:《環(huán)球》雜志2018-04-24 我要評論(0 )
全球增材制造市場規(guī)模正逐年增加,作為新興的革命性技術(shù),世界各國都在加緊利用。目前中國增材制造技術(shù)的研發(fā)已有一定領(lǐng)先性,加
全球增材制造市場規(guī)模正逐年增加,作為新興的革命性技術(shù),世界各國都在加緊利用。目前中國增材制造技術(shù)的研發(fā)已有一定領(lǐng)先性,加上中國本就是制造業(yè)大國,未來增材制造技術(shù)將有更廣闊的發(fā)展空間。
張云飛
最近,提到制造業(yè)的創(chuàng)新技術(shù),就不得不提增材制造,即俗稱的3D打印技術(shù)——它并非新生事物,卻在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的背景下,日益成為世界關(guān)注的焦點,一個不可忽視的發(fā)展突破口。
日前發(fā)布的2018年“全球創(chuàng)新風(fēng)向標(biāo)”報告顯示,83%的受訪中國企業(yè)高管、63%的全球企業(yè)高管認為,增材制造能夠促進業(yè)務(wù)發(fā)展,在所調(diào)查的創(chuàng)新技術(shù)中排名第一。這項調(diào)查報告由美國通用電氣(GE)公司委托獨立調(diào)查公司Edelman Intelligence進行,通過電話訪談了20個國家和地區(qū)的2090位公司高級主管。
在中國,一些復(fù)雜的大型心臟手術(shù)中,醫(yī)生用術(shù)前3D打印技術(shù)結(jié)合虛擬技術(shù),更精確地了解病人病情,大大縮短手術(shù)時間;在美國得克薩斯州,一臺巨型3D打印機,能在一天內(nèi)打印出一套60平方米的房屋,造價僅一萬美元;在荷蘭東南部城鎮(zhèn)海默特,人們用3D打印技術(shù)造了一座長8米的橋,這是世界首座3D打印混凝土橋梁……
2017年年底,工業(yè)和信息化部、國家發(fā)改委等十二部門印發(fā)《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃(2017-2020)》,明確提出到2020年我國增材制造產(chǎn)業(yè)年銷售收入超過200億元,年均增速在30%以上。
增材與增效
3D打印,顧名思義就是可以打印出3D的、立體的物品。我們?nèi)粘^k公用的普通打印機可以理解為2D打印機,其打印材料是墨粉。3D打印機的打印材料則是塑料、金屬、陶瓷、尼龍等,通過計算機控制把打印材料一層層疊加起來,最終把三維模型變成實物。
3D打印的內(nèi)容既可以是人物頭像、玩具汽車、鞋、衣服等相對簡單而小型的物件,也可以是飛機、汽車零部件等精密構(gòu)件,甚至還能是房子、橋梁等大型建筑,或者人體組織等復(fù)雜對象。
增材制造相對于傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨這種對原材料進行切削、組裝的減材制造來說,是一種創(chuàng)新型的制造技術(shù),這使得過去受到傳統(tǒng)制造方式制約而無法實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造成為可能。
近幾年,隨著增材制造技術(shù)的不斷突破,在國家政策的支持下,該技術(shù)與各個行業(yè)的應(yīng)用結(jié)合度很高,可以說它正在逐步改變和影響著我們的生活。
增材制造技術(shù)具有快速成型、材料利用率高、自由制造、復(fù)雜制造及結(jié)構(gòu)強度高等特點:
快速成型。車企在新產(chǎn)品更新?lián)Q代時,前期模具需要工人反復(fù)打磨,調(diào)整后開模,如開模失敗損失至少數(shù)百萬元。一家車企平均每年花在模具上的費用在2億元人民幣左右,還不保證車型換代成功。而利用增材制造技術(shù)先設(shè)計出3D模型,然后直接打印出樣品,如果不合適再調(diào)整,合格后再大規(guī)模制造,這大大縮短了研發(fā)周期,且降低了研發(fā)成本。飛機研發(fā)也是如此,比如美國波音公司通過3D建模和增材制造將原先3年的新機型研發(fā)周期縮短為半年,研發(fā)的成本也只有原先的20%。
材料利用率高。增材制造技術(shù)從無到有制造物體,幾乎不產(chǎn)生材料的浪費,而傳統(tǒng)的減材制造,會造成一部分材料和邊角料的浪費。
實現(xiàn)自由制造、復(fù)雜制造。增材制造技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具以及多道加工工序,在一臺設(shè)備上可快速精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件,從而實現(xiàn)了零件“自由制造”,解決了許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成型,并大大減少了加工工序。
成型件結(jié)構(gòu)強度高。使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的部件,組織細密而均勻,激光成型的某些零件,超過或等同于鍛件的性能,抗疲勞強度比鍛件高32%~53%。例如某航天器鈦合金零部件,使用增材制造生產(chǎn)的成品只有0.5千克重,卻可承受100千克的壓力。
應(yīng)用和可能性
增材制造技術(shù)憑借其優(yōu)勢,能有效解決傳統(tǒng)技術(shù)無法克服的難題,目前正廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車、醫(yī)療、文化、教育等領(lǐng)域。
2016年5月5日在上海首飛成功的大型客機C919在研發(fā)和制造過程中,運用了增材制造技術(shù)以及特殊金屬材料來制造客機的零部件,其中C919客機中央翼緣條長達3米,是大型增材制造鈦合金構(gòu)件,傳統(tǒng)加工鍛件毛坯重達1607千克,而利用增材制造技術(shù)制造的精坯重量僅為136千克,材料節(jié)省了91.5%,從而降低飛機的結(jié)構(gòu)重量,延長其使用壽命,且提高燃油的經(jīng)濟性。
美國通用電氣(GE)公司的渦槳發(fā)動機,三分之一的零部件采用增材制造,由855個常規(guī)制造零件減少到12個增材制造零件。復(fù)雜性的降低加快了生產(chǎn)速度,重量減少5%,動力提升10%,能源消耗減少20%。
汽車行業(yè)是除了航天航空外應(yīng)用增材制造最為密集的行業(yè)之一,2012年梅賽德斯-奔馳就開始利用增材制造技術(shù)為汽車制造零部件,并且每年都會用增材制造技術(shù)打印10萬多套原型零件。福特、寶馬、蘭博基尼、大眾等幾乎所有的整車廠都在持續(xù)探索增材制造帶來的“無限可能”。
增材制造技術(shù)還在臨床醫(yī)療領(lǐng)域得以應(yīng)用。利用CT、MRI或內(nèi)窺鏡得到患者病痛部位模型數(shù)據(jù),用增材制造技術(shù)打出模型,使醫(yī)生能夠更直觀地了解病情特點,提高手術(shù)成功率,這種增材制造技術(shù)方案主要用于高難度的手術(shù),在術(shù)前進行演練可以在正式手術(shù)時更準(zhǔn)確,縮短手術(shù)時間,減少出血量。另外,增材制造植入物在骨科運用得比較多,比如人工關(guān)節(jié)置換、人工椎體等。
可以看出,增材制造這一創(chuàng)新技術(shù)已滲透進我們?nèi)粘I畹姆椒矫婷?。隨著增材制造應(yīng)用日益普及和深化,其將為各行業(yè)的生產(chǎn)和制造流程帶來變革性影響,越來越多的企業(yè)也將使用增材制造技術(shù)進行產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)轉(zhuǎn)型,這就是增材制造成為創(chuàng)新技術(shù)新熱門的原因。
各國優(yōu)勢
全球增材制造的市場規(guī)模正逐年增加,作為新興的革命性技術(shù),世界各國都在加緊利用。
在美國,工業(yè)行業(yè)應(yīng)用加快步伐,特別是在工業(yè)級的FDM打印機需求量比較大,以塑料聚合物為原材料的增材制造設(shè)備的使用不斷增長,這些市場的擴張帶來了設(shè)計師和創(chuàng)客的大量涌現(xiàn),開啟了設(shè)計思維的新空間。在醫(yī)療領(lǐng)域的增材制造技術(shù)發(fā)展也促使新的法律、規(guī)范的產(chǎn)生,比如FDA批準(zhǔn)的材料和工藝,也將出臺相關(guān)的法律規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
在德國“工業(yè)4.0”的積極推進過程中,增材制造呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢,目前在德國使用增材制造技術(shù)的公司比例已經(jīng)達到37%,計劃使用增材制造技術(shù)的比例有12%。知名汽車制造企業(yè)大眾、戴姆勒、寶馬,以及電子行業(yè)的西門子,航空航天工業(yè)的空客等,均使用增材制造技術(shù)來幫助其進行新產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)。
俄羅斯在增材制造的某些技術(shù)上有顯著優(yōu)勢,著名的光纖激光器供應(yīng)商IPG Photonics公司就來自俄羅斯。由于激光和3D打印機之間的特殊聯(lián)系,俄羅斯企業(yè)在這一領(lǐng)域占據(jù)了全球戰(zhàn)略性地位,如粉末床熔融技術(shù)、直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)(DMLS)和選擇性激光熔化成型技術(shù)(SLM)等。俄羅斯是一個軍事大國,增材制造技術(shù)在飛機3D零部件、衛(wèi)星、軍用直升機、無人機以及核能等多個領(lǐng)域有了很大的突破。
日本增材制造技術(shù)也發(fā)展迅猛,作為實業(yè)大國,日本工業(yè)基礎(chǔ)雄厚,目前在醫(yī)學(xué)、汽車、動漫等領(lǐng)域應(yīng)用比較深入。
增材制造在中國
中國增材制造技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展,已形成以高校為主體的技術(shù)研發(fā)力量布局,若干關(guān)鍵技術(shù)取得重要突破,產(chǎn)業(yè)發(fā)展開始起步,形成了小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)市場,并在多個領(lǐng)域成功應(yīng)用,為下一步發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。
以高校為主體的技術(shù)研發(fā)力量正在形成。清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校相繼開展增材制造技術(shù)研究,成為中國研發(fā)增材制造技術(shù)的主力,相繼成立了西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室、華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室、西安交通大學(xué)制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室等。
此外,中國的金屬增材制造技術(shù)世界領(lǐng)先。雖然在增材制造技術(shù)上,中國起步較晚,但在科技人員的努力下,已取得了一大批重要研究成果,特別是在高性能金屬零件激光直接成形技術(shù)方面取得重大突破,技術(shù)水平達到世界領(lǐng)先,攻克了金屬材料增材制造的變形、翹曲、開裂等關(guān)鍵問題,成為首個利用選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)制造大型金屬零部件的國家。
中國已初步形成小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化市場,依托院校及科研院所的研究成果,已涌現(xiàn)出一批增材制造設(shè)備與服務(wù)企業(yè)。目前,中國增材制造相關(guān)企業(yè)有數(shù)千家,產(chǎn)值規(guī)模接近100億元。
目前,隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破,中國增材制造技術(shù)的應(yīng)用取得了突破性進展,比如在研制殲-15、殲-16和殲-31等戰(zhàn)斗機過程中,金屬增材制造技術(shù)被用來打造鈦合金主體結(jié)構(gòu);中國國產(chǎn)大型客機C919的中央翼緣條、主風(fēng)擋窗框使用的也是增材制造技術(shù),這項技術(shù)顯著降低了生產(chǎn)成本,節(jié)約了時間。
目前,中國增材制造技術(shù)的研發(fā)已有一定領(lǐng)先性,加上中國本就是制造業(yè)大國,未來增材制造技術(shù)將有更廣闊的發(fā)展空間。
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