3D打印——先进制造的强大工具

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3D打印是制造业中广泛使用的技术,具有多种应用。不仅可以打印塑料、陶瓷等非金属材料,还可以打印钢、铝合金、钛合金、耐热合金等金属材料,以及复合材料、生物材料,甚至家居材料。成型尺寸从微纳零件到10米,以上大型航空航天结构件为现代制造业的发展和传统制造业的升级改造提供了巨大的机遇。


3D打印是与传统制造方法截然不同的概念。我们经常使用的产品是三维产品,传统的制造方法是模具成型或切削加工,也称为同材料制造和切削加工。制造同一种材料称为铸造、锻造和焊接,已有数千年的历史。无论是四川三星堆,还是陕西兵马俑,都可以看到采用相同材料和制作方法制作的精美青铜器。电动机出现后,可以作为切割材料的动力。由于材料在车削、铣削和刨削过程中逐渐被切削,因此被称为减材制造。与上述两种传统制造方法相比,我们俗称的3D打印技术是20世纪80年代发明的一种新的制造方法,类似于燕子用泥筑巢。由于它是三维物体,所以又称为增材制造。从概念上讲,增材制造可以看作是燕子抱泥和中国的长城,但真正的增材制造只有在计算机控制下按照设计将所需的材料添加到所需的位置,实现形状可控。


强化产品设计制造能力,推动先进制造业快速发展。


经过多年的研发,人们发明了光固化、粉末烧结、线材堆积等3D打印技术。这三种技术各自使用激光扫描来扫描和固化液体光敏树脂的表面,使用高能光束扫描和烧结材料粉末,或者使用热、电弧或高能束熔化丝进行堆叠。诸如图形轮廓之类的层被堆叠起来以创建三维实体零件。信息技术日新月异,计算机控制下的3D打印技术可以打印各种材料、任意形状,给工业和日常生活带来诸多改变。


每种制造技术都有不同的技术特点。例如,制造同一种材料的铸造、锻造和焊接工艺需要模具和砂模,因此只制作一个样品可以节省成本,更适合批量生产。当然,也可以采用减材加工进行切割,但加工过程中会出现材料浪费。例如,在航空航天制造中,为了实现轻量化,一些零件体积大但重量轻,并且形状复杂,需要切割大量材料,因为材料必须尽可能分布在边缘周围。一些贵金属,如铝合金、钛合金,成本较高。3D打印技术消除了模具和夹具等生产准备任务,显着缩短了新产品开发和首件制造的周期时间并降低了成本。此外,通过计算机控制可以完全实现数字化,通过在需要的地方堆放材料来实现节省材料的制造。


目前,我国不少企业拥有较强的制造能力,但产品开发能力相对缺乏,了制造业向价值链顶端的发展。3D打印可以帮助解决这些缺点,加速设计迭代、原型制作、评估、分析、改进和批量生产的过程。例如,在航空航天等先进装备的快速发展和迭代升级中,3D打印已成为新产品开发的有力工具。


3D打印也为创新设计开辟了巨大的空间。过去的设计师有很好的想法,但由于模具制作的复杂性和切削加工空间的可达性,他们无法按照最初的想法进行设计,只能将大零件分解为数十或数百个小零件。制造成本也相应增加。对于传统制造方法难以实现的零件形状或结构,可以利用3D打印,通过结构集成制造实现最优的设计理念。这为设计创新、产品创新、装备创新提供了巨大空间,为制造业带来不可估量的效益。例如,一家生产飞机发动机的大公司,在制造发动机燃油喷嘴的过程中,由于制造技术的,最初不得不将喷嘴分成20多个零件。20个或更多的零件在组装在一起时每个零件都必须达到微米级并进行焊接,但一旦焊接起来,就无法达到微米级的精度。因此,燃料喷嘴缺乏制造一致性,并且燃料效率难以优化。您现在可以集成方式3D打印20多个零件,简化复杂性,提高零件燃油效率,显着提高产品竞争力。


3D打印不仅擅长设计和制造复杂零件,在定制制造方面也能大显身手。在信息化进程中,个性化制造在越来越多的领域取代了流水线大规模制造。包括家电、可穿戴电子产品甚至汽车在内的消费产品日益个性化,而3D打印特别适合个性化制造。例如,最贴合运动员脚形的3D打印鞋可以帮助改善穿着体验并增强运动表现。3D打印越来越多地应用于精准医疗领域,如骨科手术辅助器具、正畸、手术模型等。新的3D打印医疗设备不断涌现,最初用于制造生物假肢,但现已扩展到包括细胞、组织和器官打印研究,未来可能用于复制人体器官并提供益处。为了人类。


产业链不断延伸,“3D打印+”迈上新台阶。


全增材制造产业链不断拓展。来自航空航天、航海、能源电力、汽车及轨道交通、电子工业、模具制造、医疗健康、数字创意、建筑等领域的企业和服务制造商不断涌入增材制造行业。汽车行业已成为3D打印技术最大的应用行业,包括原型设计、模具制造、批量3D打印零部件,超越航空航天、医疗等领域。


3D打印在前沿科学研究中也发挥着越来越重要的作用。3D打印技术可以通过在可控条件下快速混合不同材料来打印标本或零件,使我们能够根据材料基因组方法实验和发明新合金和新复合材料,为工业应用创造更多更好的解决方案,材料可以快速开发。新材料满足先进装备和新产品的多样化需求。近年来,功能梯度材料越来越受到人们的关注。采用各种材料、层材料打印零件,分层打印各种材料,零件表面耐磨耐腐蚀,内部强度高、坚固,具有人性化。内骨具有疏松的蜂窝状结构。这样既增加了产品的刚性,又减轻了重量。


当前,人们关注增材制造技术的开发和产业化。3D打印已应用于韩国航空航天开发与小型制造、汽车快速开发与轻量化、精准医疗、文化创意等各个领域。在材料制备方面,3D打印主流工艺及装备、关键零部件、控制软件及各领域工程应用、创新链和产业链初步形成。去年,韩国增材制造业增速高于全同期增速。韩国一直在将3D打印应用于飞机起落架等高承载部件,中国首个火星探测探测器“天一号”的运载火箭发动机中也安装了许多3D打印部件。3D打印作为一种一步制造技术,在抗击COVID-19大流行中也发挥了重要作用,包括3D打印的医疗方舱、护目镜和呼吸阀。


经过近40年的发展,增材制造已进入“3D打印+”阶段。从最初的样机生产,逐步发展到直接生产和批量生产,从以形状控制为主要目标的模型模具生产到生产形状与形式兼具的结构功能一体化零件,从制造具有功能性的零件从打印几十米大小的民用建筑……增材制造作为一项变革性技术,是先进制造的有力工具,也是智能制造不可分割的一部分。


通过“3D打印+”的深入发展,增材制造、减材制造和同材料制造将变得更加融合和互操作。不同制造技术发挥各自优势、发挥协同作用,共同推动我国从制造大国向制造强国转变。


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