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科普 | 高端制造的利器——3D打印

發布日期:2022-05-01??來源:人民日報??作者:盧秉恒??瀏覽次數:37
核心提示:圖①:小型3D打印機。(來源:影像中國)圖②:河北省邢臺市家樂園小學教師引導學生拼搭3D打印模型。(新華社記者 張馳 攝)3D打印是制造業熱門技術,應用范圍極廣。它既可以打印塑料、陶瓷等非金屬材料,也可以打印鋼鐵、鋁合金、鈦合金、高溫合金等金屬材料,以及復合材料、生物材料甚至是生命材料,成形尺寸從微納米元器件到10米以上大型航空結構件,為現代制

圖①:小型3D打印機。(來源:影像中國)圖②:河北省邢臺市家樂園小學教師引導學生拼搭3D打印模型。(新華社記者 張馳 攝)

3D打印是制造業熱門技術,應用范圍極廣。它既可以打印塑料、陶瓷等非金屬材料,也可以打印鋼鐵、鋁合金、鈦合金、高溫合金等金屬材料,以及復合材料、生物材料甚至是生命材料,成形尺寸從微納米元器件到10米以上大型航空結構件,為現代制造業發展及傳統制造業升級轉型提供了巨大契機。

相較傳統制造方法,3D打印在理念上大為不同。我們經常使用的產品都是三維的,傳統制造方法是模具成形或者切削加工,也被稱作是等材制造及減材制造。等材制造就是人們熟知的鑄鍛焊,已經有數千年歷史。無論是四川的三星堆,還是陜西的兵馬俑,都能看到用等材制造方法制成的精美銅器。電動機問世后,以其為動力,可以對材料進行切削加工。因為在車銑刨磨的加工過程中材料逐漸被切掉,所以被稱為減材制造。與上述兩種傳統制造方法相比,我們俗稱的3D打印技術是20世紀80年代發明的新制造方法,類似燕子銜泥造窩,材料一點一點累加,造出三維物體來,因此又稱增材制造。雖然從理念上說,燕子銜泥、萬里長城都可以視作增材制造,但是只有在計算機控制下,把需要的材料按照設計累加到需要的地方,實現控形控性,才是真正的增材制造。

賦能產品設計制造,推動高端制造業長足進步

經過多年研究與發展,人們發明了光固化、粉末燒結、絲材累加等3D打印技術。這3種技術分別利用激光掃描液態光敏樹脂表面,使之固化,或者高能束掃描材料粉末,使之燒結,或者采用熱/電弧/高能束熔融絲材按照圖形剖面鋪設等方法,在剖面上一層層累加,制成三維實體零件。信息技術日新月異,3D打印技術在計算機控制下,可以打印出多種材料、任意形狀,因此在工業及日常生活中,正帶來許多重大變化。

不同的制造技術有不同的技術特點。比如等材制造的鑄鍛焊過程,需要模具、砂型,如果我們只做一件樣品,成本上就劃不來,它更適合于批量制造。當然,也可以用減材制造進行切削加工,但加工過程會造成材料浪費。比如航空航天制造中,為實現輕量化,一些零件很大卻很輕,形狀復雜,要把材料盡可能地分布在邊沿,這就需要切掉很多材料。對一些像鋁合金、鈦合金這樣貴重的金屬來說,付出的成本高昂。3D打印技術擺脫了模具、工裝夾具等生產準備工作,在新產品開發、首件制造等方面,極大縮短了周期,降低了成本。而且通過計算機控制,完全實現數字化,哪里需要材料,就可以把材料堆積到哪里,做到節材制造。

目前,我國不少企業的制造能力強,但產品開發能力相對不足,制約了制造業向價值鏈頂端的發展。3D打印可以幫助我們補足這一短板,縮短設計迭代、樣機制作、評價、分析、改進、量產等流程。如在航空航天等高端裝備的快速開發和迭代升級方面,3D打印已成為新產品開發的有力工具。

3D打印還為創新設計拓展出巨大空間。過去設計師雖然有很好的構想,但由于模具制造的復雜性、切削加工空間的可達性,不能按照原構想來設計,只能把大的零件拆成幾十、上百個小零件,設計與制造的成本隨之增加。對于傳統制造難以實現的零件形狀或結構,3D打印可以勝任,通過結構一體化制造,實現最優設計構想。這就為設計創新、產品創新、裝備創新提供巨大空間,由此為制造業帶來不可估量的效益。比如,一家生產飛機發動機的大型公司,原來在制造發動機燃油噴嘴過程中,由于制造技術的局限,需要把噴嘴分成20多個零件去制造。這20多個零件中的每一個都要達到微米級,裝配在一起時需要焊接,然而一焊接,就達不到微米級的精度了。結果,燃油噴嘴的制造缺乏一致性,燃油效率很難優化。而現在,可以把20多個零件一體化地3D打印出來,化繁為簡,提高了零件的燃油效率,大大增強產品競爭力。

除了擅長復雜零件的設計制造,3D打印還可以在個性化制造上大顯身手。伴隨信息化進程,個性化制造在越來越多的領域替代流水線式大批量制造。家電、可穿戴電子設備乃至汽車等消費品越來越呈現個性化趨勢,而3D打印尤為擅長個性化制造。比如為運動員3D打印一雙最適合其腳型的鞋子,將有助于改善穿著體驗,提高運動成績。在精準醫療領域,如骨科手術輔具、牙科正畸、手術模型等方面,能夠越來越多地看到3D打印的應用。3D打印醫療器械新產品層出不窮,已從最初用于制造生物假體,擴展至細胞、組織和器官打印研究,未來或將用于人體器官再創,為人類帶來福祉。

產業鏈不斷擴展,“3D打印+”邁上新臺階

全球增材制造產業鏈正在不斷擴展。航空航天、航海、能源動力、汽車和軌道交通、電子工業、模具制造、醫療健康、數字創意、建筑等領域的企業和服務廠商不斷涌入增材制造產業。汽車行業超越航空航天、醫療等領域,成為3D打印技術的第一大應用行業,包括原型設計、模具制造和批量化3D打印零件等。

3D打印在前沿科學研究方面,也發揮著越來越重要的作用。3D打印技術能在可控條件下,快速將不同材料混合在一起,打印試件或零件,因此可以按照材料基因組方法,實驗與發明新合金、新復合材料,為工業應用快速開發出更多更好的新材料,滿足高端裝備、新產品的多方面需求。近年來,功能梯度材料越來越受到重視。用多種不同材料打印零件,將材料分層,不同材料打印在不同層,零件就可以實現表面是耐磨、耐腐蝕的,里面是高強度、韌性好的,再里面就像人體的骨頭一樣,是疏松的蜂窩狀結構。如此一來,產品在增強剛性的同時減輕了重量。

當前,人們正致力于增材制造技術開發與產業化。3D打印已經應用于我國航空航天開發和小批量制造、汽車快速開發及輕量化、精準醫療、文化創意等領域。在材料制備、3D打印主流工藝與裝備、關鍵零部件、控制軟件及各領域工程應用等方面,初步形成創新鏈與產業鏈。去年,我國增材制造產業規模增速高于全球同期增速。我國已將3D打印應用于飛機起落架這類高負荷承力件;中國首枚火星探測器“天問一號”的運載火箭發動機上,安裝了許多3D打印零件。作為一種短流程的制造技術,3D打印在抗擊新冠肺炎疫情中也發揮了作用,如3D打印醫療方艙、護目鏡、呼吸閥等。

經過近40年發展,增材制造已經邁向“3D打印+”階段。從開始的原型制造逐漸發展為直接制造、批量制造;從以形狀控制為主要目標的模型模具制造,到形性兼具的結構功能一體化的部件組件制造;從微納米尺度的功能元器件制造到數十米大小的民用建筑物打印……增材制造作為一項變革性技術,是先進制造的有力工具,是智能制造不可分割的重要組成部分。

隨著“3D打印+”的深入開展,增材制造、減材制造與等材制造將走向互融互通。不同制造技術各顯其長,發揮合力,共同推動我國由制造大國向制造強國邁進。(作者為中國工程院院士、西安交通大學教授,制圖:趙偲汝)

責任編輯:胡惠雯

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