一、3D打印技术概述
3D打印技术出现在20世纪90年代中期,其以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将陶瓷粉末、金属粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品,它与普通打印机工作原理基本相同,打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,打印材料由传统的墨水、纸张转变为粉末状陶瓷、金属、塑料等经过处理的特殊材料。
3D打印技术是一个舶来品,发端于美国,随后在世界各地开花结果。资料显示,在美国,3D打印技术已经初步产业化。目前全球有两家3D打印机制造巨头,分别为Stratasys 和3D Systems,均在纳斯达克上市,2011年两家公司的营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元。而另一家3D打印服务企业——Shapeways已拥有15万个会员及超过6000个用户,已为顾客打印过上百万件产品。
在对国内外3D打印技术相关领域的团队研究时,由团队的界定——国内:共同进行3D 打印技术
的研究,与上市公司合作承担项目的研究工作的团队;国外:合作完成了3D打印史上具有代表性的研究成果并有共著论文发表的研究组织。可知道,3D打印技术正在对传统的制造业发生巨大的冲击。其运用的领域从日常生活的小玩具到航天航空,从衣食住行到生物医疗。
二、3D打印技术对传统制造业的冲击
3D打印最大的优势是增加机器数目,就可以提高产能。而且机器是一次性投资,仅需考虑电费,人力加工却要不断投入。一条传统注塑生产线至少要5至6个工人操作,一名技术员却可以管理数十台全自动化的生产设备。更大的颠覆在于柔性供应链。在传统制造业模式中,客户提出生产需求时,须根据市场预期确定每批生产数量后开展批量生产,一旦工厂投入运作,即使供过于求或供不应求,生产线亦难以停下。而3D打印则可先打印实验性产品,依据市场反馈效果后再做决定。
在中国3D打印技术产业联盟理事长、北京航空航天大学教授王华明看来,3D打印实际上诞生已经近30年,最近之所以骤然变“热”,除了媒体的炒作之外,也与美国特别是奥巴马政府的重视有关。2012年3月,为重振美国经济和美国制造,奥巴马提出建设全美制造业创新网络,并将3D打印确定为方向之一,引发世界其他国家纷纷效仿。中国也成立了3D打印技术产业
联盟,以促进相关技术和产业的发展。
三、3D打印技术在传统制造业上的应用
从衣服开始——3D打印公司
荷兰设计师Iris Van Herpen使用3D打印机来为比约克和Lady GaGa进行时尚设计。Freedom OfCreation公司和NaimJosefi公司使用3D打印机制作的华丽高跟鞋,能让凯莉•布拉德肖心动不已。ContinuumFashion使用MakerBot公司的Replicator打印机创造了第一款3D打印版比基尼和眼镜,成为2012年时装周上的佳话。
3D打印公司Shapeways已能采用尼龙12直接打印制造无缝拼接泳衣。这仅是一个开始,
未来任何种类的衣服都将通过数字技术制造,而无需人工或缝纫机械。
航空领域应用
——黄卫东团队
苯检测
H无穷控制
为国产大飞机C919制造中央翼缘条,是3D打印技术在航空领域应用的典型。黄卫东教授介绍,作为机翼的关键部件,以我国现有制造能力无法满足需求,如果向国外采购,势必影响大飞机的国产化率。西工大与中航飞机公司合作,应用激光立体成形技术解决了C919飞机钛合金结构件的制造问题。"目前,激光立体成形制造成本与国外锻压制造成本差不多,最重要的是形成了具有自主知识产权的特新技术。"黄卫东说,这项技术在航空航天发动机等关键部件的制造上也得到了运用,并为多家航空航天企业提供了达到国际先进水平的制造装备。
在2013年两会上,全国政协委员、中航工业副总工程师、中国航母舰载机歼-15总设计师孙聪透露,歼-15项目率先采用了数字化协同设计理念,而这与3D打印技术关系紧密。他透露,钛合金和M100钢的3D打印技术已应用于新机试制过程,主要是主承力部分,包括整个前起落架。
——王华明团队
而王华明所在团队历经近20年研究,通过产学研合作,率先攻克了上述难题,提出了钛合金等高活性、难加工金属大型结构件激光直接制造成套装备新原理,并研发出具有原创性核心技术、零件成形能力可达4000×3000×2000毫米、迄今为止世界最大的激光直接制造成套装
备。其成果已应用于大型客机等飞机的研制。
重工业领域
——颜永年团队
颜永年带领清华技术团队在快速成形技术方面取得了许多成就。经过多年努力,多次改进、完善,清华团队推出了“M-RPMS型多功能快速原型制造系统”,“这是我国自主知识产权的世界唯一拥有两种快速成形工艺的系统”;之后,他们又完成了改进型M-RPMS-II的产品化工作,在世界上首先完成无木模铸型制造工艺。
一家名为峰华卓立制造技术有限公司的企业,在使用着清华团队的技术。这家企业主要应用无模铸型快速制造技术,更多地为重工业领域服务。一汽集团就曾因需要开发一款新型的发动机而到了他们。由于发动机缸体和缸盖内部结构复杂,依靠传统的设计制造方法,仅制造铸造模具、修改模具等环节就需要近半年的时间,而且发动机内部存在多处自由曲面,采用传统方法制造很难保证曲面精度。而峰华卓立采用无模铸型快速制造技术,先通过三维立体制造技术制作出用于铸造的砂型(无木模砂型,再浇铸成发动机的缸体和缸盖。通过层叠堆积
的方式制作出的砂型不但可以极大地保证模具精度,完美体现设计者意图,更为重要的是,大大节省了时间。如果运用传统方法,从设计到开模再到制造出成品大约需要六个月时间,而采用无模铸型快速制造技术,总体计算下来仅需一至两个月,大大缩短了新品的开发时间。并且,与传统开模方法相比,成本下降了许多。正是依靠这诸多优势,许多汽车制造企业与发动机生产企业都成为了峰华卓立的合作伙伴,其中不乏玉柴、东风、华晨、长城等业内知名的企业。
航模飞机
——美国弗吉尼亚大学工程师和工程系学生
据国外媒体报道,3D打印机曾用于制造一些机械零部件和小玩具,但是目前,美国弗吉尼亚大学工程系的研究人员采用最新的3D打印技术制造了一架无人飞机,机翼宽6.5英尺(约合1.9米,巡航时速达到45英里(约合72千米。
美国弗吉尼亚大学工程师大卫-舍弗尔称,3D打印技术现已证实是应用于教导学生的一种宝贵工具。据悉,他和工程系学生史蒂芬-伊丝特和乔纳森-图曼共同建造这架3D飞机。
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h5n7>石墨冷铁舍弗尔称,五年前为了设计建造一个塑料涡轮风扇发动机需要两年时间,成本大约25万美元。但是使用3D技术,我们设计和建造这架3D飞机仅用4个月时间,成本大约2000美元。这将创建一个前所未有的飞行教学平台。
四、3D打印技术传统制造业
被认为推动了第三次工业革命进程的3D打印技术,涉及信息技术、材料科学、精密机械等多个方面。该技术的主要特点是,可直接根据计算机图形数据,通过增材制造的方法生成各种形状的产品。与传统的减材制造相比,3D打印不仅可以提高材料利用率,还可以用更短的时间制造出更复杂的产品。
即使未来3D打印将使一些传统制造中心的地位下降,但是仍无法阻挡人们对它的狂热和痴迷。例如深圳手机业的优势在于高效的供应链系统,上下游均能清晰掌握市场的走势,一旦产品滞销或者热销即可调整生产策略。但在3D制造时代,这些都不重要。3D打印可随时即开即停,工厂无论设在深圳还是美国,均可获得足够的产能与响应速度,人力成本、技工水平均可忽略不计。
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