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3D打印或将重塑全球制造业格局

来源:    作者:    更新时间:2014-12-18

摘要: 3D打印技术正悄然席卷全球,并依靠其突出优势迅速占领了部分市场,成为工业制造的新宠。如何将3D打印更好地融入我国的现代化工业生产中已然成为热门话题,而对于我国已经取得的技术成果,还需细心总结,虚心求教,找出不足,并且在今后更加努力地将3D打印技术发展壮大。
  



3D打印技术正日益走进我们的生产生活之中。近日,一则新闻吸引了众人的眼球——“世界首款3D打印汽车现身纽约街头”。这款3D打印汽车只有两个座位,名字叫做“斯特拉迪”。“斯特拉迪”汽车利用3D打印技术制造,全身材料为碳纤维和塑料。全车只使用了40个零件,且依靠电动能源,充电花费3.5小时,可以行驶约100公里。这是汽车生产方式的新突破,也是工业时代新型制造方式的推广。

近年来,3D打印技术正悄然席卷全球,并依靠其突出优势迅速占领了部分市场,成为工业制造的新宠。

如何将3D打印更好地融入到我国的现代化工业生产中,已然成为时下最为热门的话题。


技术优势明显

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础,运用特殊的打印材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。打印过程不需要纸和墨,只是将设计好的物体转化为三维设计图,采用分层加工、叠加成形的方式逐层增加材料来打印真实物体。3D打印技术使产品复制由平面扩展到了立体空间,其意义远远超过了喷墨到激光、黑白到彩色打印技术的发展,从此装备制造业将会逐步告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具,改由更加灵巧的电脑软件来主宰控制。

3D打印技术已成为现代模型、模具和零件制造的有效手段,它简化产品的制造程序,缩短产品的研制周期,提高效率并降低成本,其发展将会深刻影响先进制造业、工业设计业、生产性服务业、文化创意业、电子商务业及制造业信息化工程等。

与传统制造相比,3D打印技术的优势明显。第一,3D打印速度快、操作简便。打印过程一次性完成而非分步优化,产品形状想象空间更大,可以用软件做出传统制造不方便完成的形状。设计者可以通过想象制造出一些构造复杂、传统工艺无法实现的零部件,这将大幅提升金属零部件的生产效率。此外,修改成本小,设计者只需要在软件中修改部分参数,就可以快速生产出新产品,省去了传统制造工艺中的诸多环节,操作简便。

第二,材料多样、结构坚固轻便。在机械零件制造时,大多数金属和塑料零件在生产中由于设计结构复杂导致零件自重大,并且含有与制造有关但与其功能无关的剩余物。而利用3D打印技术生产出的金属零件,原材料只为生产所需要的部分,这使得零件更加精细轻盈。当材料没有了生产限制后,就能以最优化的方式来实现其功能,因此,与机器制造出的零件相比,打印出来的产品重量要轻很多,并且同样坚固。

第三,节省空间、生产成本低。3D打印生产不需要在工厂操作,摒弃了生产线降低了成本。桌面打印机可以打印出小物品,人们可以将其放在办公室一角、商店甚至房间里,只有更大的机械零件等才需要更大的打印机和更大的放置空间。另外,3D打印的“增材制造”形式大幅减少了材料的浪费。“增材制造”无需原胚和模具,能直接根据计算机图形数据,通过增加材料的方法生成任何形状的物体,简化产品的制造程序,缩短产品的研制周期,提高效率并降低成本。

目前,3D打印技术已经在很多基础研究领域取得了突破性进展,它将把装备制造水平带入一个全新的高度和境界,因为随着生产速度和质量的不断提升,越来越多的工业部件将被打印出来,而不是被冲压或烧铸出来。同时,它还改变了通过对原材料切削、组装进行生产的传统加工模式,实现了随时随地按不同需要进行生产。

3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术,其中包括信息技术、精密机械和材料科学三大技术。近年来,3D打印技术发展迅速,在各个环节都取得了长足进步。通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合,该技术已成为现代模型、模具和零件制造的有效手段,在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定应用,在工程和教学研究等应用领域也占有独特地位。




全球制造业格局或将生变

为适应新一轮科技革命和产业变革需要,推动我国由制造大国向制造强国转变,工业和信息化部鼓励推动3D打印技术的发展。工信部总经济师周子学指出,工信部将着力在设计3D打印产业化路线、政策支持等方面加大工作力度,不断提高相关技术水平,延伸产业链条,加快我国装备制造业转型升级。

当今世界,科技创新正在推动人类社会生产、生活方式的深刻变革。特别是信息技术和制造技术的融合,大数据、云计算、3D打印、新能源、新材料等技术的重大突破,对制造业的生产方式、发展模式带来颠覆性、革命性影响,并将重塑全球制造业发展格局。

3D打印技术在我国发展迅速,在各个环节都取得了长足进步。由湖南华曙高科技有限责任公司自主研发的世界上最快的工业级3D打印机FARSOON 402于近日正式面世。据悉,FARSOON 402通过打印设备软硬件的升级,其激光扫描速度达到12.7m/s,打印速度较之从前提高了60%。该设备的核心在于激光烧结系统软件,作为设备的“大脑”,将对3D打印的全过程进行数据处理。这标志着中国企业自主研发的工业级3D打印技术已进入全球领先行列。

在金属零部件制造中,3D打印也发挥出巨大的优势。目前3D打印机所制造出来的金属部件在精度和强度上已经大有提升,这也让许多行业开始对3D打印刮目相看,并且已经开始进行大规模尝试。专家预测,通过3D打印制造出来的金属零部件有朝一日将能够达到甚至超过传统制造工艺的水平。由于3D打印的突出优势,使得利用3D打印的生产成本效益较传统更高一些,在加工某一个零部件时,不需要冗长的生产线和复杂的加工流程,只需在一台打印机中就能够全部完成,从而将故障点数目降到最低,几乎杜绝了残次品的出现,这在传统制造技术中是难以想象的。

此外,3D打印还能够制造出一些构造复杂、传统工艺无法实现的零部件,这也将大幅提升金属零部件的生产效率。通过金属3D打印,可实现飞机零部件的轻量化订制,减轻机身重量,使得航空公司每年可节约不菲的燃油费用。而对于汽车行业,金属3D打印技术将能轻松解决由于车辆更新换代过快而导致的适合车型零件短缺问题。只要保存好汽车零件的扫描数据,随时可以通过一台金属3D打印机制造出来。所以,相信未来将会有更多的3D打印机出现在工业制造领域之中。


加工工艺存在局限性

虽然3D打印拥有诸多优势,对于一般要求较低、专业性不强的部件,3D打印可以满足要求,但是对于高硬度的产品,3D打印明显力不从心。

首先是材料的问题。部分打印材料性能差,强度、刚度、机械加工性等都远不如传统加工方式;其次是材料局限,成本高。目前供3D打印机使用的材料非常有限,主要是石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等。有些3D打印成品非常“脆弱”,一捏就碎,经不起折腾;再次是精度问题。由于分层制造存在台阶效应,每个层次虽然很薄,但在一定微观尺度下,仍会形成具有一定厚度的一级级分层,如果需要制造的对象表面是圆弧形,那么就会造成精度上的偏差。业内人士表示,整个产业的大发展除了打印机的功能加强以及成本降低,同样需要材料的发展能够多样性、功能化,才可能推动整个3D打印产业的大发展。

我国3D打印技术产业联盟首席顾问颜永年曾经对如何将3D打印与传统工艺结合起来的问题阐述了自己的观点。他认为,这是3D打印发展方向的问题,任何一个新技术的发展不能脱离已有的技术孤立地发展,与原有技术互相补充是基本的发展理念。3D打印与传统加工工艺不是取代的关系,而是结合的关系。金属3D打印应与热加工相结合,反过来热加工也要与金属3D打印相结合。

与此同时,我国3D打印技术产业联盟秘书长罗军也发表了自己的看法。他同样认为,虽然3D打印在部分产品的小批量生产和模具生产上颇有优势,但在大批量生产上,3D打印的速度和成本其实都比不过传统制造方式。打印材料品种的单一和昂贵的成本,使其局限于对价格敏感度不高的产品,市场应用领域有限。所以,3D打印技术只是传统制造业的补充。3D打印技术擅长解决个性化、复杂化、高难度的生产技术,而传统制造业擅长批量化、规模化和精益化的生产,两者是互补关系,无法相互替代。


3D推动中国制造由大变强

我国生产的3D打印机装备功能已经接近国际先进水平,两者的差距主要体现在装备的可靠性和材料研发上。部分3D打印机的关键器件需从国外进口,而用国产零件生产的打印机稳定性不够。此外,我国在材料质量和品种上还远不如美国、德国丰富,许多研发的实验材料也需要进口。 而差异在更大程度上体现在实际应用上,在国外,3D打印技术已经在新产品开发、生物医疗、航空航天、影视教育创意等方面有较多应用,而我国还主要局限于模具打印、文化创意产品等少数领域。

虽然还有不小差距,但3D打印技术已经算是我国制造行业与国外先进水平差距很少的技术之一,部分领域几乎同步,在某些方面还具有自身特色和一定优势。我国要从制造业大国走向强国,依靠当前加工型的技术含量低的生产手段难有根本改观,国家应加强对3D打印技术研究的支持。

中国科学院院士卢秉恒曾表示,目前我国3D打印产业的发展与美国的差距主要在于没有形成产业链、工业环境不配套等。此外,在一些核心技术和关键器件上,如3D打印机中的激光器,也仍然对国外依赖较大。目前我国3D打印的大部分应用仍集中在军工领域的开发与模具制造上。

有数据显示,国外有40%~50%的3D打印产品是直接做终端产品样机,而国内基本上还是停留在功能性测试、研发阶段来用这个技术,制约了我国3D技术应用产业的发展。从设备数量上看,美国目前各种3D打印设备的数量占全世界40%,而中国只有8%左右。

对于具体的发展方向,卢秉恒曾对媒体表示,军用和工业的高端领域,以及创意开发等大众消费领域,都应该大力去发展。我国是制造大国,制造能力过剩,但设计研发能力不足。而3D打印技术正是辅助和加速设计与研发的手段。同时,卢秉恒也认为,我国对3D打印应采取理性态度。3D打印技术在生产制造中所占的比例正在上升,但对传统制造业更多是补充而非颠覆。应该高度重视这一技术,投入科研和其他力量,并大力推广,这样才能真正使我国成为制造强国。

2013年,我国政府已将3D打印产业纳入国家战略发展项目。预计2015年我国3D打印市场规模将达到100亿人民币。在我国政府重点扶持下,3D打印产业将迎来新一轮发展机遇,并有望成为世界最大的3D打印应用市场。在将来,复杂繁琐的流水线、不绝于耳的机器声都将越来越少,一个人、一台电脑、一部打印机就有可能组成一个现代化“工厂”。



延伸阅读:3D打印助推中国军工新发展




中航工业副总工程师、中国航母舰载机歼-15总设计师孙聪曾介绍:“作为我国自行设计研制的首型舰载多用途战斗机,歼-15达到美国最先进的第三代舰载机‘大黄蜂’的技术水准。”其中十分重要的一点是,歼-15项目率先采用了数字化协同设计理念。三维数字化设计改变了设计流程,提高了试制效率;五级成熟度管理模式,冲破设计和制造的组织壁垒,而这与3D打印技术关系紧密。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。在传统的战斗机制造流程当中,飞机的3D模型设计好后,需要进行长期的投入来制造水压成型设备,而使用3D打印这种“增材制造”技术后,零件的成型速度、应用速度得以大幅度提高。

用3D打印技术制造战机,我国并不是第一家。美国早在上世纪80年代就开发出从数字数据打印出3D物体的技术。不过,由于在制造过程中钛合金变形、断裂的技术难题无法解决,美国始终无法生产高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。而且美国的其他国家实验室也无法攻克这一难题,只能进行小尺寸钛合金部件的打印或进行钛合金零件表面修复。

我国的钛合金激光成形技术起步较晚,早期主要以学习美国的技术为主,不过却后来居上。其中,中航激光技术团队取得的成就最为显著。据相关资料显示,早在2000年前后,中航激光技术团队就已开始投入“3D激光焊接快速成型技术”研发,解决了多项世界技术难题、生产出结构复杂、尺寸达到4米量级、性能满足主承力结构要求的产品。

目前,我国已具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力,成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造、应用的国家。在解决了材料变形和缺陷控制的难题后,我国生产的钛合金结构部件迅速成为国内航空力量的一项独特优势,先进战机上的钛合金构件所占比例已超过20%。

传统钛合金零件制造,主要依靠铸造和锻造,其中铸造零件用于大尺寸制造,美国F-22战机的主要承力部件便是大型铸造钛合金框,但铸造的零件重量较大且无法加工成精细的形状;锻造切削精度较好,但零件制造浪费严重,原料的95%都会被作为废料切掉。让飞机制造陷入困境的是,由于受到机器的限制,锻造钛合金的尺寸也不能过大。3万吨大型水压机只能锻造不超过0.8平方米的零件,即使世界最大的8万吨水压机,锻造的零件尺寸也不能超过4.5平方米。而且这两种技术都无法制造复杂的钛合金构件,而焊接则会遇到可怕的钛合金腐蚀现象。

激光钛合金成形技术则完全解决了这一系列难题,它节约了90%的昂贵的原材料,还无需制造专用模具,原本相当于材料成本1~2倍的加工费现在只需原来的10%。加工1吨重的钛合金复杂结构件,传统工艺成本大约2500万元,而激光3D焊接快速成型技术的成本仅130万元左右,仅是传统工艺的5%。更重要的是,许多复杂结构的钛合金构件可以通过3D打印的方式一体成型,不仅节省了工时,还大大提高了材料强度。

此外,中国民用航空制造业也开始应用这一技术。在西北工业大学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心,通过激光立体成型技术为将于2014年投产、2016年投入运营的国产客机C-919制造了钛合金翼梁,长度超过5米。除制造外,这些部件即使出现问题,也可以使用同样的技术进行修复,而无需重新制造,这将可以节省大量用于更换受损部件的费用。

凭借激光钛合金成形技术,我国在航空材料科学领域第一次走在了世界先进水平的前列,正因为如此,2013年1月18日,国务院向“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”颁发国家技术发明奖一等奖。凭借激光钛合金成形技术,我国在航空材料科学领域第一次走在了世界先进水平的前列,并为我国的航空工业的发展打下了坚实的基础。




 

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