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快速成型技术(3D打印)带动第三次工业革命 精选

已有 5333 次阅读 2013-1-21 20:37 |系统分类:科普集锦| 3D打印, 快速成型技术, 第三次工业革命, 增量化制造

1988年,美国3D System 公司推出的SLA-250液态光敏树脂选择性固化成形机,标志着快速成型技术的诞生。它采用一种立体光刻工艺,基于液态光敏树脂的光聚合原理工作。通过一束紫外激光束在偏转镜作用下扫描照射树脂使其固化,逐层制造得到一个三维实体模型。

我们知道,现有的材料成形方法有三种技术路线:要想得到一个所需的零部件,人们可以使用机械加工,通过不断去除材料来获得所需的零件形状;也可以利用变形原理来成形金属零件,使用热加工的锻造成形,也就是金属材料在强大的机械压力下改变形状来获得所需零件;而铸造、粉末冶金等方法采用的是“赋形+固化”的成形原理,也即先通过模具赋予液态或粉末状的金属材料以形状,再通过冷却凝固或高温烧结的方法使材料固化来获得具有所需形状和强度的金属零件。快速原型技术的成形原理与这些传统方法截然不同,它综合了计算机的图形处理、数字化信息和控制、激光技术、机电技术和材料技术等多项高技术的优势,采用逐渐增加材料的方法成形零件。这种成形方法不需要模具,因而又被称为实体自由成形技术或快速成形技术,俗称“3D打印”。这里,“自由”和“快速”都是指不需要模具来成形,能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体,从而极大地省去了十分冗长的制造模具过程和昂贵的模具制造成本,缩短产品的研制周期。通俗的说,如果想制造一些物品,你只需要一个3D打印机、原材料,和控制打印机的软件。用软件画出模型,把原材料加入打印机,然后点下打印,过一会儿就可以取出新鲜出炉的物品了。北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东教授称这种新技术为“数字化增材制造”,中国机械工程学会宋天虎秘书长称其为“增量化制造”。

我国学者迅速地跟进了这一世界新技术的热潮,西安交通大学的卢秉恒院士、清华大学的颜永年教授、华中科技大学的王树槐教授等是我国快速原型技术研究的先行者,并且都取得了卓著的成就。而黄卫东在国内首先创造性地发展的激光立体成形技术,把快速成形技术从制造“原型”发展到直接制造具有极高力学性能的致密金属零件。

北京航空航天大学材料学院材料加工工程系主任、材料加工工程学科责任教授、“长江学者特聘教授”王华明,开辟“快速凝固激光材料制备与成形”研究新领域,建成先进的“激光材料加工制造技术实验室”,在先进材料快速凝固激光制备加工与成形制造领域取得多项原创性成果并在航空发动机及飞机上得到应用。其中“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获2012年国家技术发明奖一等奖。

20121214日至16日,在中国工程院、工信部、中国机械工程学会、美国机械工程师学会、英国机械工程师学会联合主办的2012年增材制造技术国际论坛暨第六届全国增材制造技术学术会议上,工信部副部长苏波在会上表示:为加快推动我国增材制造技术研发和产业化,近期要加强顶层设计和统筹规划,组织研究制定增材制造技术路线图、增材制造业中长期发展战略,推动完善增材制造技术规范与标准制订,促进产业健康可持续发展。会议透露,我国首个3D打印工业园将落户武汉东湖高新600133)区,该项目由华中科技大学主导,规划首期用地500亩。

西方媒体把这种实体自由成形制造技术誉为将带来“第三次工业革命”的新技术。奥巴马政府认为3D打印技术可以帮助美国更好的同人力成本更低的国家进行竞争,因此,奥巴马政府斥资3000万美元成立了一家专注研究3D打印技术的学院。

立体光刻技术产生后即风靡世界,很快就产生了许多不同技术类型的快速原型技术,如分层实体制造、选区激光烧结、三维打印、熔融沉积造型等。2008年全球领先的6家快速制造公司销售收入已达6.96亿美元,占该行业总收入近60%。沃勒斯报告(2012)预计3D打印和增材制造领域的2015年销售收入可达37亿美元,2019年可达65亿美元。

通过3D打印机,采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来生成3D真实物体。当然,3D 打印机所使用的材料,自然不是喷墨打印机里面的墨水,而是一些可以发生固化反应的材料,现在可以作为原材料的东西已经多种多样,包括树脂、塑料、陶瓷、金属等。

3D系统公司(3D Systems Corp)首席执行官洛基-希尔(Rock Hill)表示:“该技术有能力使绝大部分零部件的生产地点发生转移”。希尔认为,目前售价从500120万美元不等的3D打印机可以被摆放在几乎任何地点,因此大大降低了使用者的运输及仓储成本。

波音公司飞机工程师迈克尔-海耶斯(Michael Hayes)表示“波音公司未来将有能力在无使用任何金属的情况下,利用3D打印技术打造一块完整的飞机机翼”。在海耶斯的脑海中,未来的机翼将由特质的粉末材料一次打造而成,而打造出这样一块机翼的工具便是人们所说的“3D打印机”。

首款“3D打印小飞机”SULSA已于2011年在英国成功试飞。据悉,这架由英国南安普敦大学工程师制造的世界上第一架 “3D打印小型无人驾驶飞机,包括机翼、整体控制面和舱门均是打印而成,可以在几分钟内不使用任何工具就组装完毕。

全球首辆3D打印赛车时速140公里--16位工程师组成的Group T小组在2012德国大学生方程式大赛中展示了全球第一辆由3D打印机打印的赛车。这辆名为Areion的赛车车身大部分由3D打印机制作,车身前部打印出的鲨鱼皮结构可以减少阻力和增加推力,最高时速141km/h

科学家利用3D打印和多光子聚合技术成功打印出了人造血管;德国小提琴制作公司用3D打印技术制作出了一把斯特拉迪瓦里小提琴的复制品;荷兰时尚设计师IrisvanHerpen发布了他用3D打印机制作的锦纶立体服装。

目前大多数个人购买的3D打印机,基本上以打塑料材质为主,3D打印耗材有限,多为石膏、塑料、可粘结的粉末颗粒、树脂等,制造精度、复杂性、强度等难以达到较高要求,主要应用于模型、玩具等产品领域。由于3D打印是材质一层一层堆积成形,每一层都有厚度,这决定了它的精度难以企及传统的减材制造方法。为提高精度,则需不断降低每一层的厚度,难度提高的同时,制造时间也大幅延长。而层和层之间粘结再紧密,其产品性能也无法和传统模具整体浇铸的零件相媲美。

0.02%,这是3D打印技术生产的商品占2011年全球制造业总产出的比重。如果需要更生活化地理解这一数据的微不足道,你可以在淘宝网里输入关键词“3D打印,弹出的相关宝贝只有2657件宝贝,如果缩小搜索范围至“3D打印机,更是只剩下96件宝贝(搜索时间为201312118时)。来自科技行业独立咨询公司WohlersAssociates的数据显示,2011年全球3D打印市场规模为17.1亿美元,预计2012年将增长25%21.4亿美元,2015年将达到37亿美元。尽管种种迹象显示数字化制造业时代正在慢慢临近,但对于再度被市场热炒的3D打印机而言,距离工业规模应用甚至飞入寻常百姓家,还有一段路要走。

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作者简介:李其龙,男,硕士学历,主要从事材料科学与机械加工方面的研究。Emailli-qilong@163.com



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