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3D打印,下一次产业革命?   

中国机械工业联合会机经网  发布时间:2012-12-18 09:57:50  来源:科技日报


MakerBot推出最新个人3D打印机,能让使用者设计任何东西,例如玩偶、小配件、珠宝等,并让他们的设计出现在眼前。北京航空航天大学材料科学与工程学院教授王华明认为,3D打印,专业的说法应该是“增材制造”技术,包括快速原型制造技术和高性能金属构件直接制造技术两大类。

  MakerBot推出最新个人3D打印机,能让使用者设计任何东西,例如玩偶、小配件、珠宝等,并让他们的设计出现在眼前。目前使用者只能设计410立方英尺的物品,大概是鞋子大小。售价为2199美元。

  “家里有一台3D打印机,孩子想要一个玩具,在3D设计模型平台上选好自己喜欢的风格,重新定义尺寸之后点击打印,20分钟后,玩具就已经在孩子手中了。”也许你会认为这是科幻片里的情景,但它确实是媒体报道的事实。

  看到这个报道,王女士显得很兴奋。“真是太好了,这样就不用再为给小孩买玩具来回奔波了,而且一个玩具没玩两天她就烦了,还要换新的,有这样一台打印机,她想怎么换就怎么换。”

  “3D打印”究竟有多神奇?甚至有人放言,它可能引领下一次产业革命。果真如此吗?

  “3D打印”是什么

  最近,国内有关3D打印的报道可谓频频,甚至有人预测:未来工厂流水线将会被一台3D打印机取代;家里来客人了,缺一把椅子,通过打印机随手就可以打印出来……

  真的有这么神奇?3D打印究竟是如何实现的?

  在中国科学院自动化所研究员王飞跃看来,3D打印的原理并不复杂。他介绍说,最初的技术是计算机首先会将3D模型分层扫描,一个物体模型会被切分成很多的薄层。然后3D打印机会像普通打印机一样把每一个薄层打印出来,只是不是打印在纸上,而是打印在一些能够快速成型的塑料、陶瓷等材料粉末上。墨盒里装的也不再是墨,而是特殊的胶水。一层一层的胶水,将粉末粘结成需要的形状,当所有的薄片都被打印出来之后,一个物体就这样通过薄片粘贴而成了。

  北京航空航天大学材料科学与工程学院教授王华明认为,3D打印,专业的说法应该是“增材制造”技术,包括快速原型制造技术和高性能金属构件直接制造技术两大类。

  “现在媒体报道的3D打印制造技术,主要是指快速原型制造技术。”王华明说。

  这项技术上世纪80年代就开始发展起来了,包括“3D打印”“立体印刷”“叠层实体造型”“熔融沉积造型”“选择性激光烧结”等五大类。主要制造由树脂、石蜡、陶瓷等材料组成的尺寸较小的原型样件或模型,这些原型样件原则上不能直接用于装备制造,但可以缩短新产品研制周期,降低产品研发和制造成本。

  王华明所做的则是第二类——“高性能金属构件直接制造技术”,主要采用高功率激光束(或电子束)对粉末或丝材进行逐层熔化、快速凝固逐层堆积、直接制造出全致密高性能金属零部件,具有无需重型锻造装备及锻造模具、材料利用率高、加工量小、柔性高效等优点,被誉为是一种“革命性”的短周期、低成本、数字化制造技术。

  过去,飞机钛合金结构件主要采用传统锻造和机械加工来制造,不仅耗时费力,而且技术难度高,需要数万吨级重型液压锻造工业装备及大型锻造模具加工,材料利用率通常不足10%、生产周期长、制造成本高。

  “以我国C919大型客机机头工程样件研制所需的钛合金主风挡窗框为例,从欧洲订购至少要两年才能拿到零件,4个框,每个框的锻造模具费就要50万美元。2009年,采用我们激光直接制造技术,从制造零件到装上飞机,仅用了55天,而且零件费用还不到他们模具费的五分之一。”

  “上世纪90年代底,该技术开始在美国发展,难度很大,迄今除我国外世界上其他国家一直还未能突破大型构件激光直接制造关键技术,是当前增材制造技术的热点、难点和国际竞争制高点和发展方向。”王华明说。

  能否引发第三次产业革命

  美国著名经济学家、趋势学家杰里米·里夫金在其《第三次工业革命》一书中指出,智能制造是未来最可能引发第三次产业革命的领域之一。到那时,搜索就是制造,搜索就是生产,搜索就是消费。

  对此,王飞跃说:“未来每一个人的不同需求,几乎都能通过3D打印得到满足。到时候我们在谷歌或百度上就不是搜一个名词,而是寻找3D文件,或是可以完成设计的人。”

  早在今年9月19日,美国就有报道称,MakerBot公司新推出的低端3D打印机Replicator 2的价格仅为2199美元,高端的 Replicator 2X也只有2799美元;并且,几年后价格可能会降到99美元;届时,每个人都将拥有3D打印机,比计算机还要普及。

  “这将彻底改变我们的世界。”王飞跃说,传统的制造方式依靠规模生产降低成本,但绝大多数的需求并不需要规模生产,过去只能由手工制作或归为奢侈品来满足,而现在可以通过3D打印技术高质量且经济地解决。

  “3D打印成本的下降和应用的普及,意味着增材制造的Microsoft、Google、QQ、阿里巴巴和微博时代的同时到来。正如Google依靠大规模的计算机服务器阵列来满足人们信息搜索的需求,从而改变人类生活与工作方式一样,我们可以设想未来的3D打印机组成大规模的制造阵列,实时方便地满足人类对各种个性化产品的物质需求,进而更加深刻地改变我们生活的社会。这就是为什么3D打印将改变我们的世界,这就是为什么社会制造将带来一场产业革命。”谈到这里,王飞跃显得很有信心。

  而王华明似乎对此有所保留。

  “有媒体报道说瑞典开发了一台3D打印机,存储了100多种软件,能打印出来100多种巧克力,这根本就不是制造。还有说打印手枪都没问题,那是塑料玩具手枪。真正的一把小小的金属材料手枪根本不需要3D打印,因为‘打印’出的手枪金属零件精度达不到要求、成本还高、速度也不快,而用传统机床去加工这些手枪等简单金属小零件、既不费料、也不费时、不仅速度快、精度高、而且成本还更低。”王华明说。

  但他同时认为,3D打印至少对那些高性能的难加工的大型复杂金属构件是一次革命,因为它是高性能难加工金属材料制备与零件成形一体化制造技术,而且流程短、成本低、近终成形。从这个意义上说,它代表着高性能难加工大型复杂关键金属构件制造技术的发展方向,当然也代表了3D打印制造技术的发展方向。

  “3D打印制造技术不能与第三次产业革命划等号,但它无疑是第三次产业革命中一个重要的元素。”王华明说。

  前景很光明,难题仍很多

  虽然经过几十年的发展,但直到1995年“3D打印”这个名词才正式出现。“而且这两年发展势头很猛。”王飞跃说。

  2012年3月19日,美国总统奥巴马在卡内基梅隆大学宣布创立美国“制造创新国家网络”计划。由政府主导、联邦政府和工业部门共同斥资10亿美元逐步建立15个“制造创新中心”,组成创新网络。8月16日,“国家增材制造创新中心”作为其首个“样板示范”创新中心剪彩成立。作为新技术研究、开发、示范、转移和推广的基础平台,号称要成为增材制造技术全球卓越中心并提升美国制造全球竞争力。至此,3D打印的发展更是如日中天。

  3D打印之所以如此受青睐,是因为其代表了未来制造业发展的新方向——增材制造或加式制造。

  王飞跃表示,加式制造是相对于传统制造方式而言的,传统制造方式主要通过模具、车铣等机械加工技术与工具将原材料转化成产品,其特点是利用缩削、减少材料来生产部件。而加式制造是利用逐层增加材料的方式生产各种产品,无须模具,因此也被称为无形制造技术。3D打印只是实现加式制造的一种主要方式。

  虽然前景很让人憧憬,而且人们也的确用3D打印技术打印出了人体器官、建筑、飞机零部件等很多东西。但“从现在看,还没有能力立刻取代传统制造业。”王飞跃说。

  而且3D打印仍然面临着许多技术上的挑战,美国一项研究曾将其面临的主要问题归纳为以下几个方面:材料的刻画,材料的研制,过程控制问题,过程的建模与分析,机器的验证与标准,机器的模块化构造与组合,设计工具与软件。

  王飞跃认为,其中最难解决的是材料问题。目前,不但能够用于3D打印的材料非常有限,主要为塑料、陶瓷等容易塑形的材料,而且很多材料的强度和硬度都无法达到预期。例如,打印一把可以使用的锤子就比较困难,因为硬度达不到要求。

  王华明的担忧似乎远不止这些。有数据显示:2012年,世界增材制造的总产值大概是11亿美元,而我国是两亿人民币左右。“在制备过程中控制材料的结构和性能的确很重要,但经过30多年的发展,为什么其产值才这么点儿。我想3D打印到底适合干什么,找到它合适的定位,这才是其是否能发展成为一种产业的关键。”

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做好产业规划  推动产业升级
责任编辑:机经网编辑部 yangbo
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