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卢秉恒:3D打印技术如何改变制造业的今天与明天

  一、增材制造(3D打印)简介

  3D打印是一个颠覆性的创新技术。

  从制造方式来说,铸、锻、焊在制造过程中重量基本不变,属于等材制造,已经有3000年历史了。

  车铣刨磨机床通过材料的切削去除,达到设计形状,称为减材制造,已有300年的历史。

  增材制造中材料一点一点地累加,形成需要的形状。发明于1984年,才30年的历史。

  当前3D打印几种主流技术有:

  SLA(光固化技术)利用激光扫描,使液态光敏树脂固化。是最早发明出来的3D打印技术。广泛应用于设计验证。

  SLS(选择性激光烧结)是一种将非金属(或普通金属)粉末分层铺设,激光在程序控制下,选择区域扫描烧结成三维物体的工艺。用于飞机、航空航天零件的制造以及精密件的制造,包括飞机的格栅、牙科的修复、颅骨的修复。

  SLM是在送粉中,实现激光融化和烧结,类似堆焊,制造件更加致密、强度达到锻件水平,可用于制造大型结构件、承载件。

  FDM技术(熔融堆积法)将热塑性丝状材料加热从小孔挤出,将丝材熔化堆积成型。适合于教育或者创客设计验证。大尺寸FDM装备可用于汽车和无人机的制造。

  二、3D打印(增材制造)的特点与意义

  1984年美国发明了光固化激光成型技术,1986年实现SLA样机,按照材料累加概念,各种增材制造工艺与装备纷纷涌现,当时采用激光快速原型制造等学术名词。这些技术中有一种以石蜡等材料的3D打印机。近年来,美国媒体开始把增材制造技术称为3D打印技术,有利于大众理解。增材制造被美国自然科学基金会称为上世纪最重要的制造技术创新。麦卡锡报告列出了对人类生活有颠覆性影响的12项技术,3D打印排在第九位,排在新材料和页岩气之前。预测在2030年全世界将达到1万亿左右美元的效益,15年麦卡锡报告又将这一进程前移,认为增材制造2020年可达到5500亿美元的效益。

  3D打印制造有如下特点与优势:

  1、 3D打印无处不在:3D打印可以打印许多材料、任意复杂形状、任意批量,可以应用于各工业和生活领域,可以在车间、办公室及家里实现制造。理论上3D打印无处不在,无所不能。但许多材料的打印、工艺的成熟度、打印成本、效率等等尚不尽人意,需要多学科交叉的创新研究,使之更好、更快、更廉价。

  2、 支持产品快速开发:3D打印可以制造形状复杂的零件,所想即所得。直接由设计数据驱动,不需要传统制造必须的工装夹具模具制造等生产准备,编程简单。在产品创新设计与设计验证中,特别方便。使产品开发周期与费用至少降低为一半,成为机电产品和装备快速开发的利器。

  3、 节材制造:增材制造仅在需要的地方堆积材料,材料利用率接近100%。航空航天等大型复杂结构件采用传统切削加工,往往95%-97%的昂贵材料被切除。而在航空航天装备研发机制造中采用增材制造将会大大节约材料和制造成本,具有极其重要的价值。

  4、 个性化制造:可以快速、低成本实现单件制造,使单件制造的成本接近批量制造。特别适合个性化医疗和高端医疗器械。如人工骨、手术模型、骨科导航模板等。

  5、 再制造:用于修复磨损零部件的再制造,如飞机发动机叶片、轧钢机轧辊等,以极少的代价,获得超值。应用在军械、远洋轮、海洋钻井平台、乃至空间站的现场制造,具有特殊的优势。

  6、 开拓了创新设计的新空间:可以制造传统制造技术无法实现的结构,为设计创新提供了非常大的创新空间。可以将数十个、数百个甚至更多的零件组装的产品一体化一次制造出来,大大简化了制造工序,节约了制造和装配成本。以3D打印新工艺的视角对产品、装备再设计,可能是3D打印为制造业带来的最大效益所在。

  近两年,3D打印显现出颠覆性变革。如GE公司做的飞机发动机的喷嘴,把20个零件做成了一个零件,成本材料大幅度的减少,还节省燃油15%。这是一代发动机的概念,每开发一代发动机要上亿欧元,一个喷嘴就解决了。美国3D打印的概念飞机,重量可以减轻65%。

  7、 引领生产模式变革:3D打印可能成为可穿戴电子、家居用品、文化产业、服装设计等行业的个性化定制生产模式。一些专家认为,3D打印等数字化设计制造将引领生产从大批量制造走向个性化定制的第三次工工业革命。

  3D打印已经成为创客最欢迎的工具,将有力促进大众创新,万众创业。GE公司在网上发布了一条消息,挑战3D打印,将飞机的一个零部件让创客设计。第一名只用了原始结构的1/6的重量就完成了全部测试,而设计者是19岁的年轻人。3D打印展现了全民创新的通途。互联网+3D打印的制造模式:收集大众的个性化需求,由创客完成设计,设计方案由3D打印件进行验证;再由虚拟制造组织生产,由物联网来配送。美国众创公司,15000名访客、6000名创客。亚马逊利用网络销售3D打印商品,营业额已达数十亿美元,利润30%。所以互联网+3D打印=万众创新、万家创业的最佳技术途径。

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