3D打印是制造業(yè)熱門技術(shù),應(yīng)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(fù)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(jié)構(gòu)件,為現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展及傳統(tǒng)制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型提供了巨大契機(jī)。
2020年7月23日,天問一號火星探測器由長征五號遙四運(yùn)載火箭成功發(fā)射,該型火箭制造中采用了3D打印技術(shù)。(圖片來源:人民視覺) 相較傳統(tǒng)制造方法,3D打印在理念上大為不同。我們經(jīng)常使用的產(chǎn)品都是三維的,傳統(tǒng)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(jīng)有數(shù)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(dòng)機(jī)問世后,以其為動(dòng)力,可以對材料進(jìn)行切削加工。因?yàn)樵谲囥娕倌サ募庸み^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(tǒng)制造方法相比,我們俗稱的3D打印技術(shù)是上世紀(jì)80年代發(fā)明的新制造方法,類似燕子銜泥造窩,材料一點(diǎn)一點(diǎn)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(jì)算機(jī)控制下,把需要的材料按照設(shè)計(jì)累加到需要的地方,實(shí)現(xiàn)控形控性,才是真正的增材制造。 賦能產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造,推動(dòng)高端制造業(yè)長足進(jìn)步 經(jīng)過多年研究與發(fā)展,人們發(fā)明了光固化、粉末燒結(jié)、絲材累加等3D打印技術(shù)。這3種技術(shù)分別利用激光掃描液態(tài)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(jié),或者采用熱/電弧/高能束熔融絲材按照圖形剖面鋪設(shè)等方法,在剖面上一層層累加,制成三維實(shí)體零件。信息技術(shù)日新月異,3D打印技術(shù)在計(jì)算機(jī)控制下,可以打印出多種材料、任意形狀,因此在工業(yè)及日常生活中,正帶來許多重大變化。 圖為小型3D打印機(jī)。 不同的制造技術(shù)有不同的技術(shù)特點(diǎn)。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(dāng)然,也可以用減材制造進(jìn)行切削加工,但加工過程會(huì)造成材料浪費(fèi)。比如航空航天制造中,為實(shí)現(xiàn)輕量化,一些零件很大卻很輕,形狀復(fù)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(shù)擺脫了模具、工裝夾具等生產(chǎn)準(zhǔn)備工作,在新產(chǎn)品開發(fā)、首件制造等方面,極大縮短了周期,降低了成本。而且通過計(jì)算機(jī)控制,完全實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,哪里需要材料,就可以把材料堆積到哪里,做到節(jié)材制造。 目前,我國不少企業(yè)的制造能力強(qiáng),但產(chǎn)品開發(fā)能力相對不足,制約了制造業(yè)向價(jià)值鏈頂端的發(fā)展。3D打印可以幫助我們補(bǔ)足這一短板,縮短設(shè)計(jì)迭代、樣機(jī)制作、評價(jià)、分析、改進(jìn)、量產(chǎn)等流程。如在航空航天等高端裝備的快速開發(fā)和迭代升級方面,3D打印已成為新產(chǎn)品開發(fā)的有力工具。 3D打印還為創(chuàng)新設(shè)計(jì)拓展出巨大空間。過去設(shè)計(jì)師雖然有很好的構(gòu)想,但由于模具制造的復(fù)雜性、切削加工空間的可達(dá)性,不能按照原構(gòu)想來設(shè)計(jì),只能把大的零件拆成幾十、上百個(gè)小零件,設(shè)計(jì)與制造的成本隨之增加。對于傳統(tǒng)制造難以實(shí)現(xiàn)的零件形狀或結(jié)構(gòu),3D打印可以勝任,通過結(jié)構(gòu)一體化制造,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)構(gòu)想。這就為設(shè)計(jì)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新、裝備創(chuàng)新提供巨大空間,由此為制造業(yè)帶來不可估量的效益。比如,一家生產(chǎn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的大型公司,原來在制造發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴過程中,由于制造技術(shù)的局限,需要把噴嘴分成20多個(gè)零件去制造。這20多個(gè)零件中的每一個(gè)都要達(dá)到微米級,裝配在一起時(shí)需要焊接,然而一焊接,就達(dá)不到微米級的精度了。結(jié)果,燃油噴嘴的制造缺乏一致性,燃油效率很難優(yōu)化。而現(xiàn)在,可以把20多個(gè)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(qiáng)產(chǎn)品競爭力。 除了擅長復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)制造,3D打印還可以在個(gè)性化制造上大顯身手。伴隨信息化進(jìn)程,個(gè)性化制造在越來越多的領(lǐng)域替代流水線式大批量制造。家電、可穿戴電子設(shè)備乃至汽車等消費(fèi)品越來越呈現(xiàn)個(gè)性化趨勢,而3D打印尤為擅長個(gè)性化制造。比如為運(yùn)動(dòng)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(yàn),提高運(yùn)動(dòng)成績。在精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域,如骨科手術(shù)輔具、牙科正畸、手術(shù)模型等方面,能夠越來越多地看到3D打印的應(yīng)用。3D打印醫(yī)療器械新產(chǎn)品層出不窮,已從最初用于制造生物假體,擴(kuò)展至細(xì)胞、組織和器官打印研究,未來或?qū)⒂糜谌梭w器官再創(chuàng),為人類帶來福祉。 產(chǎn)業(yè)鏈不斷擴(kuò)展,“3D打印+”邁上新臺(tái)階 全球增材制造產(chǎn)業(yè)鏈正在不斷擴(kuò)展。航空航天、航海、能源動(dòng)力、汽車和軌道交通、電子工業(yè)、模具制造、醫(yī)療健康、數(shù)字創(chuàng)意、建筑等領(lǐng)域的企業(yè)和服務(wù)廠商不斷涌入增材制造產(chǎn)業(yè)。汽車行業(yè)超越航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域,成為3D打印技術(shù)的第一大應(yīng)用行業(yè),包括原型設(shè)計(jì)、模具制造和批量化3D打印零件等。 3D打印在前沿科學(xué)研究方面,也發(fā)揮著越來越重要的作用。3D打印技術(shù)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(shí)驗(yàn)與發(fā)明新合金、新復(fù)合材料,為工業(yè)應(yīng)用快速開發(fā)出更多更好的新材料,滿足高端裝備、新產(chǎn)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(shí)現(xiàn)表面是耐磨、耐腐蝕的,里面是高強(qiáng)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(jié)構(gòu)。如此一來,產(chǎn)品在增強(qiáng)剛性的同時(shí)減輕了重量。 當(dāng)前,人們正致力于增材制造技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。3D打印已經(jīng)應(yīng)用于我國航空航天開發(fā)和小批量制造、汽車快速開發(fā)及輕量化、精準(zhǔn)醫(yī)療、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域。在材料制備、3D打印主流工藝與裝備、關(guān)鍵零部件、控制軟件及各領(lǐng)域工程應(yīng)用等方面,初步形成創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈。去年,我國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模增速高于全球同期增速。我國已將3D打印應(yīng)用于飛機(jī)起落架這類高負(fù)荷承力件;中國首枚火星探測器“天問一號”的運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上,安裝了許多3D打印零件。作為一種短流程的制造技術(shù),3D打印在抗擊新冠肺炎疫情中也發(fā)揮了作用,如3D打印醫(yī)療方艙、護(hù)目鏡、呼吸閥等。 經(jīng)過近40年發(fā)展,增材制造已經(jīng)邁向“3D打印+”階段。從開始的原型制造逐漸發(fā)展為直接制造、批量制造;從以形狀控制為主要目標(biāo)的模型模具制造,到形性兼具的結(jié)構(gòu)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(shù)十米大小的民用建筑物打印……增材制造作為一項(xiàng)變革性技術(shù),是先進(jìn)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(shù)各顯其長,發(fā)揮合力,共同推動(dòng)我國由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)。 (作者為中國工程院院士、西安交通大學(xué)教授) 本文刊發(fā)于《人民日報(bào)》2022年4月19日20版
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