3D打印也稱為“增材制造”,它是新興的一種快速成型技術。與傳統(tǒng)的減材制造工藝不同,3D打印是以數(shù)據(jù)設計文件為基礎,將材料逐層沉積或黏合以構造成三維物體的技術?,F(xiàn)代意義上的3D打印技術于20世紀80年代中期誕生于美國。以3DSystems和DTM公司為代表的一批美國中小科技公司在20世紀80年代末-90年代初相繼研發(fā)出立體光固成型(SLA)、選擇性激光燒結(SLS)和熔絲沉積造型(FDM)等主流技術路線,經過20多年的沉淀和不斷完善已經日臻成熟。
3D打印與傳統(tǒng)制造業(yè)的最大區(qū)別在于產品成型的過程上。在傳統(tǒng)的制造業(yè),整個制造流程一般需要經過開模具、鑄造或鍛造、切割、部件組裝等過程成型。3D打印則免去了復雜的過程,無需模具,一次成型。因此,3D打印可以克服一些傳統(tǒng)制造上無法達成的設計,制作出更復雜的結構。
規(guī)模化生產的條件尚不具備,而且3D打印機本質是單體機,是現(xiàn)有產業(yè)鏈的一種方式,而不是一個制造能力總成體系(比如星際里面的主機)。
事實上,在二三十年前,3D打印技術就已經能用樹脂或膠等材料制作產品。近幾年,由于3D打印可處理的材料范圍擴大到了金屬材料(激光燒結技術),而且成功地將幾十年前就有的工藝技術重新組合利用,例如結合信息技術,使用激光和電子束進行表面工程和增材制造。而目前而言的發(fā)展,是由于激光和電子槍等關鍵元器件品質不斷提高。
而現(xiàn)在3D打印被炒熱很多是因為民用領域的流行,比如Stratasys在到處銷售的,讓人吐槽連連的FDM機。而在工業(yè)制成上,3D打印機的主要應用在兩個,
一、某些結構復雜化的零件或者制成品
主要是對于精度要求和工藝細節(jié)要求很高的制成品,包括小型零件和大型構件。也就是說,大部分3D打印技術可以突破結構幾何約束。并且因此,在某些結構的大型構件的加工上,不僅工藝難度相對于傳統(tǒng)下降,而且成本還降低。
比如所謂的LaserAdditiveManufacturing,傳統(tǒng)上,在F-22的機身隔框就是由鈦合金鍛件加工而成而LAM由于采用疊加技術,它節(jié)約了90%十分昂貴的原材料,加之不需要制造專用的模具,原本相當于材料成本1--2倍的加工費用現(xiàn)在只需要原來的10%。加工1噸重量的鈦合金復雜結構件,粗略估計,傳統(tǒng)工藝的成本大約是2500萬元,而LAM的成本僅比傳統(tǒng)工藝要降低很多。
包括我朝也有這樣的例子,王華明團隊的在“大飛機計劃中”,大型客機C919機頭工程樣機的鈦合金主風擋整體窗框,就是用3D打印技術生產的,只花了55天,零件本錢不敷20萬美元。
二、某些行業(yè)的應急制品或者快速制成品
最簡單的是軍用上,給予機械維修團隊,就地加工一些制成品來保證緊急狀況下的機械平臺維護,在大部分情況下,陸戰(zhàn)坦克,裝甲車在受到損害后,超過一定比例,就因為成本原因,直接廢棄掉了。3D打印可以解決這些問題,當然給予行軍途中,在后勤緊張的時候,快速制成一些用品更不用說了。
舉些例子,比如醫(yī)用領域最著名的就是通過3D打印,打印高精度的模型,來輔助治療。比如,StratasysSolidoodle2可以用來打印病人的體內器官或者組織模型,輔助制定精確的手術方案。
而無需與生物組織相容的外部肢體,醫(yī)用3D打印可以進行深度定制。體外醫(yī)療器械包括醫(yī)療模型、醫(yī)療器械——如假肢、助聽器、齒科手術模板等。根據(jù)美國組織AmputeeCoalition的統(tǒng)計,目前美國正有約200萬人使用3D打印假肢。
而更高端一點,比如還完全不成熟的細胞打印,Organovo公司宣稱用3D打印機完整打印一個有正常生命機能的肝臟,為肝臟移植患者提供幫助。公司先通過獨特的細胞3D打印技術,在細胞培養(yǎng)基座中打印出肝臟所需的細胞組織,然后再在培養(yǎng)皿中進行培養(yǎng),并生成正常形狀和機能的肝臟,然后便可以移植到人體中,進行身體解毒和排毒等正常代謝功能。不過,該肝臟的生命周期只有40天左右。
而航天上的應用,主要集中在NASA的項目上,NASA主要在冷卻、包裝和屏蔽電子的物體上使用3D打印技術。例如,航天器的電池盒是使用熱塑性聚醚(PKK)3D打印的。
而無法規(guī)?;脑蛟谟冢?br style="PADDING-BOTTOM: 0px; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 20px; MARGIN: 0px auto; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-RIGHT: 0px; FONT: 12px/30px sans-serif; WHITE-SPACE: normal; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(68,68,68); WORD-SPACING: 0px; PADDING-TOP: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px"/>
1、生產模式的效率問題
單體的一體化成型的效率,肯定是比不上“行業(yè)內分級零件加工 組裝”的效率的,因為后者是在調動整個制造業(yè)體系的產能,半成品加工和分級加工可以把工序效率做到幾乎最高,相當于整個業(yè)界就形成了一個流水線。而單體的一體化成型,工作流程是完全固定的,無法形成此類產業(yè)效應,且目前的3D打印機體無法承受長時間,高強度的負荷。且單體機做生產,維護費用和難度是遠遠高出傳統(tǒng)工藝把產業(yè)鏈平攤開的做法。
2、材料問題
首先,材料應用導致的工藝問題。
因為需要預先制成專用的金屬粉末;打印出的金屬制品致密度低,最高能達到鑄造件致密度的98%,某些情況下低于鍛造件的力學性能,當然在某些構件,比如大型鈦合金構件上(比如比較熱的航空行業(yè)),是完全能夠滿足力學性能的,但總體狀況,值得商榷;某些打印制品表面質量差,精度2-10μm,需要打磨拋光機加工等后處理;3D打印具有復雜曲面的零部件時,支撐材料難以去除。
其次,材料的適用范圍的問題。
目前,工業(yè)領域能用的就適用的金屬材料只有10余種,鋁硅合金、鈦合金、鎳合金和不銹鋼比較成熟。新一點的東西的話,有3DXNanoESD碳納米管燈絲,3DXNano是基于CNT(碳納米管)的技術,可用于打印一些關鍵零件如在汽車,電子/電氣,工業(yè),以及需要靜電放電(ESD)保護和清潔高水平市場。該材料是由100%的純ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)樹脂和多壁碳納米管的制造。
3、成本問題
當然這個成本主要是剛才提到的如果長期,高負荷運轉的單體機的維護成本,導致規(guī)?;a的成本過高。還有就是材料——零件類型的深度定制化的模式,實際上不是一個成本低,而且市場廣闊的生產模式。
不過,個人覺得首要問題,是目前3D打印行業(yè),要精準定位下旗下產品的市場類型和受眾,行業(yè)內將市場推廣開來,可能是需要馬上解決的事情。3D技術在好幾年前很就有很多的手辦公司開始接觸了,最先使用到的應該就是鋼普拉了,然后手辦公司也開始漸漸的使用到了這個技術,比如一些武器道具類的,武器道具雖然也可以直接用手工制作,但是在精度和對稱度上遠遠比不上3D打印的。
(審核編輯: 智匯胡妮)
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