“中国制造2025”背景下的3D打印技术发展及应用
 
   
 
 
 
 
 
 
 
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王淑娟
李小东 游伴奏 兰希 俞朝晖
制造业采用以机器人为代表的新一代智能装备,逐步向柔性化智能制造转变。企业引入人工智能、大数据分析来提升生产运营效率,利用数字化将物理设备虚拟化,以获得快速响应市场需求的能力,并支持小批量的个性化定制要求。
作为“中国制造2025”的发展重点,同时作为第四次工业革命的九大技术支柱之一,3D打印根据其可快速制造出各种形态的结构组织特点,在个性化定制市场有着巨大的市场机遇。“3D打印”之所以叫“打印”,是因为其借鉴了打印机的喷墨技术,普通的打印机是在纸
上喷一层墨粉,形成二维图文,而3D打印是以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术,能“打”出三维立体实物来,它对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生深刻的影响,是制造业有代表性的颠覆性技术。
关于3D打印技术的前景,《经济学人》中曾经评价道:“3D打印使得生产单个物品和批量生产几乎一样便宜,这就削减了规模经济。它对社会影响的深远程度可能同1750年的蒸汽机,1450年的印刷机和1950年的晶体管一样,没人能轻易预料。它迅速发展着,对每个相关领域都产生着巨大的影响。”
3D打印的发展现状与趋势
2017年全球3D打印全球市场规模为73.4亿美元,2018年约在83.7亿美元左右。我国3D打印从1988年发展至今,呈现出不断深化、不断扩大应用的态势。近5年我国3D打印产业规模及增速如图1所示。
3D打印应用领域广泛,主要集中在航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。目前,应用领域排名前三位的是工业机械、航空航天和汽车,分别占市场份额的20.0%、16.6%和13.8%,如图2所示。
随着产业的兴起,我国以高校科研机构为主的3D技术研究不断取得进步。2017年中国3D打印相关专利申请量达到7402件,其中华南理工大学、西安交通大学分别排名第一、第二。2019年1月11日,中国第一座使用3D打印技术制作的高分子材料观景桥正式亮相。未来,“3D打印+”生态圈将会越来越完善。
3D打印行业的发展是在技术的促进下对传统行业应用的突破。材料的可回收、可降解、能源高效利用等,将实现3D打印产品和系统全生命周期可持续发展。不间断的数字数据链路将可实现产品从设计、加工制造、装配、检测全流程的自动化、智能化,是“数字化改造”的核心。科技服务将为3D打印相关企业提供所需的配套服务,包括教育培训、咨询、售后、宣传等,促进3D打印产业的发展。
在技术的不断支撑下,国内外对3D打印发展前景看好,但作为新兴产业,我国3D打印还应从3D打印前处理模块、3D打印材料和3D应用3个方面同步推进。在国家政策的推动下,加大对3D打印材料的研发,更重要的是增加相关企业研发、应用意识的提升和对3D打印终端的应用,实现对传统制造行业的革新。
3D打印前处理
3D打印前处理模块产业,包括模型的设计与前期处理服务,以3D模型设计软件公司为主,其主要代表有因Pro/E三维设计软件而闻名的美国参数技术公司(PTC)和主营产品为UG的德国西门子自动化与驱动集团(A&D),以及Solidworks、Inventor、3DS MAX、MAYA等。
爱不单行mv
2017年4月,西门子推出了全新的线上协作平台,旨在将定制化的产品设计和3D打印引入全球制造行业,并于2018年推出的西门子零部件制造平台,旨在以新的方式连接成员,以推进增材制造在生产领域中的应用。
Shapeways平台主要为客户定制各种产品,帮助设计人员和3D打印爱好者销售自己的3D设计和产品。目前,该平台云集了来自全球超过 130个国家,数量超过50万的会员,月均3D打印产品数量已经高达18万件。
亚马逊将通过第三方的3D打印服务提供商,包括Sculpteo、Mixee Labs以及3DLT完成生产。3D Hubs则是另外一种3D打印云平台的代表,该平台并不拥有3D打印机,而是建立了一个全球的3D打印机分布式网络,形成一种C2C的服务模式。
温碧霞图片近几年,国内涌现出多个3D打印云平台企业,类似裕同科技旗下的云创盒酷平台,是全国首家基于互联网的在线编辑器,专为用户提供个性化文创商品,用户可以在线自主选择盒型以及海量设计素材,全程在线协助完成设计。如三迪时空、叁迪网、紫晶立方、南极熊3D打印网、美匠网、中国3D打印网、天工社等等,一部分为3D打印装备制造企业布局的业务延伸,另一部分为独立的3D打印服务平台,还有一些网站从事3D打印相关的周边服务。据了解,三迪时空正在建设“中国3D打印地图”——把全国各地的3D打印机信息叠加到地图信息上,并实时显示其运行状态,然后通过物联网实现数据可视化、设备物联管控,进而实现3D打印定制服务派单和管理等核心功能,就像“滴滴”派车一样,3D打印业务也将实现就近服务。
“中国制造2025”背景下的3D打印,通过互联网技术、大数据和算法构建云平台,整合和简化3D打印业务流程,将闲置的3D打印资源盘活,对产业发展具有正面积极作用。
3D打印材料及工艺
3D打印材料(装备和材料)是3D打印技术重要的物质基础,它的性能在很大程度上决定了成形零件的综合性能。目前材料种类已经十分丰富,主要包括聚合物材料、金属材料、陶
瓷材料等。而聚合物材料又包括了光敏树脂、热塑性塑料及水凝胶等,金属材料又分为粉末形式和丝材形式以及按照材料种类可以分为铁基合金、钛及钛基合金、镍基合金、钴铬合金、铝合金、铜合金及贵金属等。
同时,国内外3D打印领域中已有近20種不同的工艺系统,其中应用最典型、最成熟的就有6种,分别是立体光刻、叠层实体制造、熔融沉积成型、选择性激光烧结、选择性激光熔化和三维打印与胶粘。工艺不同,所用打印材料复杂多样,各自特点和具体应用场合也就不同。那么,面对个性化的需求,3D打印设备就需要超越传统单材质均质加工技术的限制,突破需求复杂性,可实现多材料、功能梯度材料、多及真彩表面纹理贴图零件的直接制造,实现多重需求的个性化定制。
多的3D打印设备能直接获得产品设计的彩外观,而不需要后处理流程,在消费领域、原型手板及教育行业较以往的单3D打印制件有着巨大优势。多材质的3D打印设备能将不同性能的材料构建于同一零件上,缩短加工流程,减少装配,提高性能。奥兰多布鲁姆老婆
Stratasys公司的3D打印装备Objet500 Connex3支持同一部件多材质、多打印,该系列3D打印装备采用Polyjet(喷射固化成型)技术,PolyJet 3D打印技术最显著的特点是可同
时打印多种材料,包括上百种鲜亮颜的刚性不透明材料、透明和着的半透明调材料、橡胶类柔韧材料和专业光聚合物。3D Systems公司的Z Printer系列3D打印装备采用彩喷墨打印(Colorjet Printing,CJP)技术,该技术通过在粉末床上喷射彩粘接剂的方法实现彩技术,由于彩粘接剂特性与彩墨水类似,通过混合渐变可实现真彩制件打印。Mcor公司的Mcor IRIS真彩3D打印装备采用LOM技术,配有墨盒,根据每层的颜将纸张双面用普通彩打印机打印成彩,再切出所需轮廓并粘接,能打印出100万种以上的接近真实彩的3D模型。王宝强新片疑
在控制技术方面,多重个性化的需求要求新的装备技术能够在新的3D文件格式基础上,实现多、多材料配比、多尺度工艺结构3D打印的主要转变,倾向于采用阵列式喷头实现多种材料(或彩)的同步喷出,以往主流的基于高能束(激光或电子束)成形的3D打印技术,相对难以实现多材料、多的高效率打印,因此基于光栅扫描的控制方式将在未来3D多重个性化的需求中占据更加重要的地位。
3D打印应用
在国内,针对材料、工艺和设备的研究成果部分已实现产业化,应用范围覆盖航空航天、
汽车、建筑、生物医疗、产品设计、模具、食物和装备制造等重要领域。面向的行业如此广泛,各有需求,3D打印作为一种“万金油”型技术,恰好满足市场应用的定制化需求。
在“中国制造2025”的背景下,智能物流是智能工厂的关键系统之一,AGV车是该系统的重要硬件构成。3D打印市场有这样一个案例,客户想要用3D打印技术制作一款AGV车外壳。由于自动导引装置等原因,这款AGV机器人的外壳结构比较复杂,传统工艺难以完成制作。而此时3D打印对于复杂结构的制作优势恰好就体现出来了。这款AGV车外壳采用树脂材料、SLA工艺进行打印,打印的精度非常好。
3D打印技术在制造复杂的特殊机器人方面也将发挥重要作用,哈佛大学科学家开发的柔软而灵活的软机器人Octobot,机器人柔软的身体中的每一个功能部件都是由3D打印技术制造的。美国加州大学圣地亚哥分校也利用3D打印技术制造了一个功能特殊的机器人,机器人的“腿”是在经过特殊设计后由3D打印制造的,具有可多角度弯折的柔软性和灵活性。研究人员为该机器人设计了一个由3个螺旋管连接而成的腿,在制造时使用了3D打印设备,以及柔性和刚性两种不同材料。3D打印的机器人腿部是空心的,可以进行充气,其活塞的膨胀量和排列量将决定机器人的步态。
航空航天装备的关键零部件通常具有较复杂的外形和内部结构,3D打印技术具有加工过程不受零件复杂程度局限的特点,能够完成传统制造工艺(如铸造、锻造等)难以胜任的加工任务。