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3D打印热潮已过,下步将如何发展!

来源:客户端

发布时间:2019-05-18 14:45:57

点击量:7736

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近年来3D打印技术大火,整个社会都在讨论它,很多高校借此东风开设了相关专业,很多地方政府在财政补助、土地供应、贷款贴息、用水用电价格等各个方面都出台了非常优厚的政策。此外,许多民营资本也在蠢蠢欲动,想赶快买上车票,生怕错过这趟车,意图分取一杯羹。美好蓝图才刚刚画好,突然一个激灵过来,梦被惊醒。3D打印的这股热潮逐渐冷却,在各类媒体上的曝光度少之又少,这不免让大家又重新审视起来,它究竟怎么了?


一、什么是3D打印?

3D打印技术,萌芽于上世纪末期,发展于本世纪初。它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

其基本原理是这样的:利用3D建模软件生成STL或STP模型文件(它们是3D打印机的标准三角语言)。3D成型机通过读取、解析接收的STL文件,构建出由一系列三角形组成的网状的3D模型,然后输出指令,进行打印,制成实物模型,有人把这种技术称为“增材制造”。(一般人理解起来可能有些复杂,下面会有具体实例说明)


3D打印机

3D打印机


最早实现它的,是一个美国人。1983年3月9日,Charles W.Hull发明了世界上第一台3D打印机。1986年,Charles W.Hull在全球建立了一家生产3D打印设备的公司,即3D Systems。它开发了现在通用的STL文件格式。

1988年,该公司推出了基于SL(立体声光刻)技术的3D工业打印机。在此后的许多年里,世界上又先后推出了SLA(光敏树脂选择性固化)、SLS(粉末材料选择性激光烧结)、FDM(熔融沉积)、3DP(3D喷射打印)、PUG(真空注型)等3D打印成型技术。


3D技术发展脉络

3D技术发展脉络


在实际生产生活中,它运用得较为普遍。无论是航空航天科技,亦或是建筑领域、医疗行业,甚至是食品产业、生活用品,都能发现它的影子。2011年,荷兰医生给一名83岁老人安装了一块用3D打印技术打印出来的金属下颌骨。


3D打印骨骼

3D打印骨骼


2017年3月,在沙特阿拉伯国王的见证下,我国建筑3D打印公司盈创与沙特Al Mobty承包公司签署一百亿人民币的合同,盈创将在沙特建造三千万平方米的3D打印建筑,用于解决该国持续增长的住房危机。


二、3D打印技术的流行和重视,不是没有原因的

1.与传统制造方式相比,它带来的是生产加工理念的革命性变革。它不光可以缩短加工制造周期,而且能大幅降低生产成本,特别是突破了传统加工制造方法对复杂形状加工的限制,使人类在加工领域实现了自由。事实上,3D打印技术的发明,就是Charles W.Hull为了缩短创建产品原型所需要的漫长时间的结果。

2.在特殊领域的广泛运用,是3D打印技术的显著特点。在医疗领域,特别是骨骼重建方面,3D打印技术使用得特别多。如有一位患者盆骨已经坏死,上海交大附属第九人民医院用人工骨骼材料3D打印了一个骨盆,并且成功地移植到了患者体内,最终患者成功康复。


3D打印航天零件

3D打印航天零件


当然,在航空航天领域的应用也非常广泛。2016年4月,欧洲飞机制造商空客公司收到了他们的下一代空中客车A320neo客机的LEAP-1A发动机,这是他们正式将使用3D打印的合金燃料喷嘴用于飞机引擎上。

3.打印精度高。由于3D打印成品的可塑性非常强,从二维到三维均可实施,且由于它的生成原理属于逐层打印,即完成一层再进入下一层的打印加工,根据打印机的加工精度和特性,可以精确到600dpi,每层只有0.01的误差,这个精度是相当高的。


3D打印的心脏

3D打印的心脏


4.个性化定制是其极大优势。传统的工业制造,都是大批量地生产,这才能保证产品成本足够的低;否则,老百姓买不起,生产的东西卖不出去,就没有市场。但3D打印技术的出现,让个性化定制成为可能。一方面,建模和打印技术让它有较低成本的可能,另一方面,成本与定制件的大小体积成正比关系。这就是说,同样体积同样材质的东西,成本相差并不大。从批量生产的角度看,均摊的无非是建模的成本,这使得批量生产和单件生产的成本相关不大。


中国制造

中国制造


5.它是“中国制造2025”计划中的重要一环。为了打造具有国际竞争力的制造业,提升我国综合国力、保障国家安全、建设世界强国,我国政府推出了实施制造强国战略第一个十年的行动纲领,即《中国制造2025》计划,确定以智能制造为主攻方向,涵盖机器人、物流网等基于现代信息技术和互联网技术等各类产业。

其中,3D打印是该计划的重中之重,在计划全文中共出现6次,贯穿于背景介绍、国家制造业创新能力提升、信息化与工业化深度融合、重点领域突破发展等重要段落,并融入于推动智能制造的主线,体现出我国对3D打印的重视程度,彰显了在战略层面我国对制造业发展面临的形势和环境的深刻理解。


三、虽然“3D打印”有着传统制造方式无可比拟的优势,但它存在的一些缺陷,却实实在在地制约着它的发展

1.成本较高。高精度的3D打印机都是比较大型且昂贵,技术专利基本掌握在国外公司手中,要购买和取得技术许可都需要花费大量金钱。从3D打印应用的领域看,它主要用于航空航天、人体器官医疗、古董配饰等行业,这些都属于高端制造业。通常,传统的加工制造无法完成任务,而且,它们本身就是专业性相当强、高成本、高附加值的行业,加工门槛高,只有非常有实力的公司才能涉足。

成本曲线

成本曲线


2.材料障碍是关键。我国的3D打印技术经过几十年的发展,技术逐渐成熟,实际应用成效显著,但是核心技术、核心零部件仍然受制于人,特别是关键打印材料技术还比较欠缺,基本依赖进口的局面并未得到有效改观,对3D打印产业的可持续发展造成致命影响。因为对于任何一种制造技术而言,材料都是重中之重,都是基础中的基础。如果不能在材料端的研究取得突破,那么后续的技术发展也难以实现。


打印材料受制于人

打印材料受制于人


3.产品层次低。除了几个大型国有企业外,在参与并发展3D技术的都是较小的私人企业。为求企业生存,它们往往投入不多,抵御风险的能力也不足,特别是在研发上的经费更是捉襟见肘。于是,它们往往采用开源代码来完成工作。REPRAP开源项目是由英国巴斯大学Adrian Bowyer等人所发起,主要目的是希望能够独立设计和制作出一款面向所有普通用户的3D打印机。经过多年发展目前已经发展出三个版本。可以说,它们已经规格化,入门快,成本低,就算是一个普通人也可以按照说明书自己攒一台。这导致简单桌面级的3D打印设备套件竞争十分激烈,而且产品的层次不高。但是这个行业的未来是在工业级市场。

特别是在前沿领域的投入不足,核心技术缺乏问题非常严重。比如在纳米3D打印技术方面,我国研发的力量不够,基础研究不多,无法创造未来优势技术。


工业级与开源精度对比

工业级与开源精度对比


若将3D技术应用于建筑业,当然可以大大提高工作效率。但是,在质量检验和工程验收时却犯了难,因为,目前我国根本就没有相应的技术标准去完成验收,而只能采用传统建筑业的标准。但是用传统标准,显然是无法完成这项工作的,因为,3D打印建筑是用纤维材料打印完成,可能根本就没有钢筋,但是现行的国家标准是决不允许发生这种事情的。

事实上,纤维材料的强度是钢筋混凝土强度的3至5倍,但它会被旧标准评定为不合格的建筑,这显然不太合理。重点突破高性能材料研发,提升增材制造专用材料质量,开展增材制造专用材料特性研究,鼓励优势材料生产企业从事增材制造专用材料及研究成果转化,这才是目前的重中之重。


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