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3D打印将撼动全球制造业

  3D打印技术虽在国内还未普及,但产业链正在形成,中国3D打印技术产业联盟前不久也在北京成立。近期的英国《经济学人》杂志,还给3D打印技术扣上了第三次工业革命重要标志的帽子。

  实地探访3D打印制造

  美国科幻作家罗伯特希克利在其小说《万能制造机》中描述的诸多细节就好像现在的3D打印机。或许他未曾想到,现在还真出现了类似的机器。

  10月24日,记者走进位于DRC北京工业设计创意产业基地的一家3D打印服务中心,墙壁的一侧摆放着用石膏、塑料或树脂打印出来的动漫人物、立体人像工艺品以及像扳手这样的模具。而房间的另一端,一台3D打印机正在塑造翅膀的零部件,将被拼装在一个凤凰模样的工艺品上。

  这台机器的成型仓温度高达310℃,密闭盒内的丝状塑料依电脑程序路径指引,通过高温热熔喷头在一个可升降平台上像作画高手一般,层层喷涂、堆叠,由点堆积成面,由面堆积成实体,最终固化成型。24小时之后,尺寸同为长15mm、宽10mm、高100mm的十多个零部件喷涂完成。

  亚洲制造业协会首席执行官、中国3D打印技术产业联盟副理事长罗军告诉记者,3D打印技术的学术名称为快速成型技术,也称为增材制造技术,诞生于上世纪80年代。美国斯川塔斯(Stratasys)公司在1992年卖出了第一台商用3D打印机。这项技术应用计算机软件,设计出三维立体的加工样式,然后通过3D打印机,用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层打印出立体的产品。

  之所以使用打印一词,其原理与传统打印机是相似的,都通过电脑操作完成。但本质不同,传统打印机里面装的是墨粉,而3D打印机里面则是一个庞大的材料系统。这个系统里面是根据产品需要而配备各种材料,包括光敏树脂、塑料、尼龙,甚至是金属。

  经营上述3D打印服务中心的是北京上拓科技有限公司。当然,如果你想依据自己的面貌和身材打造一个立体玩偶,在这里也可以实现。

一台3D打印机正在打印石膏材制的人像

  该公司技术部经理侯贺杰说,像这种定制化的服务模式在欧美国家已非常流行,人们能自己设计三维图样,或是委托相关3D打印公司,或是通过在线3D打印服务网站,为自己或他人定制物件。

  效率为王省钱省时间

  相比传统制造,3D打印有其独特的优势。

  侯贺杰所在的技术团队曾为客户制作了一件结构复杂的3D打印模具,尺寸为长288mm、宽153mm、高67mm,使用的是熔融挤压堆积成型工艺(简称FDM)打印制作,耗费时间约为40小时,花费3000元,如果同样的模具采用传统制造方法,需要耗费30天左右的时间,花费在10000元左右。

  对比可以看出,3D打印在时间和费用上都比传统模具更占优势,在用于新产品的验证开发上,可以很大程度地节省项目的时间和费用。

  华中科技大学材料科学与工程学院副院长、中国3D打印技术产业联盟第一副理事长史玉升,长期从事快速制造的教学和科研工作。他在接受《中国科学报》记者采访时表示,通俗点说,过去的传统制造方法,比如采用模具,把金属或塑料熔化后灌进去,从而得出零件,这对复杂的零部件加工而言非常困难。这种时候,3D打印的技术优势就能凸显出来。

  美国通用电气公司向史玉升团队定制过一款零件,是钨镍材料制造0.1毫米壁厚的网格结构金属零件,两片手机芯片大小的立体空间拥有多达156个微细网格。

  3D打印机激发了人们的想象力。工程师们可以用其打印模具,极客牙医可用它来打印假牙,汽车维修公司可以用其来打印稀缺的汽车零部件,而不是忍受全球物流的烦琐和时间消耗。另外像捷豹、路虎等汽车生产商,其所用环氧树脂基复合材料所制部件中已有超过三分之一通过3D打印机生产。

  今年7月,美国宇航局(NASA)在地球上进行低重力抛物线飞行过程中,测试了3D打印机。或许宇航员们以后能用3D打印机来制造发射时遗漏的设备或物品。

  重塑全球制造业竞争格局

  据美国沃勒斯同仁咨询公司数据,2011年全球3D打印产品与服务的销售额为17亿美元,到2019年,该行业的收入将达69亿美元,其中零部件制造将占80%。

  尽管如此,3D打印机在中国企业界的装机量仅在400台以上,而美国则拥有3000台以上,并且每年的增幅都非常明显。

  这几年以来,北美和欧洲的3D打印市场正在急剧增长。从3D巨头美国斯川塔斯公司去年的财务报告可以看到,其80%的收入来源于欧美市场。

  3D打印现在虽然还没完善到直接造出汽车和iPhone的程度,但对于制造某些汽车配件和特别定制的手机零部件已非难事。正是因为其制造过程多是以数字化的方式表达,使得人们可以用更少的人力成本,去灵活地生产少量产品。而这一点对于欧美国家而言,是一个福音。但对于我国来说,这或许将给制造业带来一定的冲击。

  在史玉升看来,3D打印在全球范围内都尚处于起步阶段,但这不妨碍这项技术迅速转变成为全球先进制造的一个新动向,这已发展成为一种战略技术。

  在飞机、核电和火电等行业所使用的重型机械、高端精密机械装备上,传统的焊接和零部件加固的方法,使得部件之间的连接非常费工,而且牢固性还有待提高。但若使用3D打印技术,无缝连接是其最大亮点之一,结构之间的稳固性和连接强度将得到很大的提升。

  如果我们还不重视3D打印,这项技术在重塑全球制造业竞争格局的时候,我国将跟在别人的身后跑,但这块市场不能丢。罗军说。

  不是颠覆是改造

  现在打开网页搜索3D打印,不是颠覆制造业的革命,就是3D打印将取代制造业。就目前的发展趋势来看,3D打印技术不仅不会取代制造业,相反会为传统制造业的改造和提升提供更好的思路,并使得传统制造业更好地调整产业结构和方向。3D打印技术的突破,或许将使工厂彻底告别车床、钻头、制模机等传统工具,改由更加灵巧和精准的电脑软件主宰。

  国务院发展研究中心产业经济部研究员王忠宏近期也撰文指出,在我国已掌握的3D打印技术中,激光直接加工金属技术发展较快,已基本满足特种零部件的机械性能要求,有望率先应用于航天、航空装备制造。另外,生物细胞3D打印技术取得显著进展,已可以制造立体的模拟生物组织,为我国生物、医学领域尖端科学研究提供了关键的技术支撑。

  北京航空航天大学材料科学与工程学院教授王华明及其团队,同我国主要飞机设计研究所一起合作,通过3D打印技术,已研制生产了我国飞机装备中迄今尺寸最大、结构最复杂的钛合金及超高强度钢等高性能关键整体构件,并在大型客机C919等飞机研制生产中得到应用,大幅度缩短了周期和成本。

  罗军认为,过去工业化最大的成就就是通过机械化,实现了规模化大生产。而我们今天的3D打印技术,则可能将这种生产单位演变为若干个体,新的生产方式或许将使传统的生产制造业面临一次长时间的洗牌。

  然而,在我国已启动的各类重大科技专项、973计划、863计划、科技支撑计划中,尚未将快速制造技术(3D打印技术)列为重点发展领域。

  国外的脚步已经迈开,美国总统奥巴马今年3月份提议,投资10亿美元建立由15家制造业创新研究所组成的全美制造业创新网络,以带动制造业创新和增长。这项计划的第一步在今年8月已开始实施,便是在俄亥俄州的扬斯敦建立研发3D打印技术的创新研究所。

  不敢吃螃蟹的缘由

  虽然3D打印机的效率和对产品质量的精准控制很有优势,但我国敢于吃螃蟹的企业非常少。一方面是人们对于3D打印的概念还很陌生,另一方面在于3D打印机本身的价格也比较昂贵,比如前文提到的制作凤凰翅膀的3D打印机,是美国斯川塔斯公司出品的,价格在200万元左右,同类的国产机型,价格也在100万元以上。

  罗军表示,目前国内,北京航空航天大学、华中科技大学等高校以及为数不多的几家企业在3D打印技术方面具有较强的研发能力,但此前的状态是各自为政,缺乏宏观规划和引导。

  现在成立了中国3D打印技术产业联盟,目的就在于希望引导这一新兴产业与传统产业有机结合起来,促进产学研一体化,有一个系统的共同推进动力,同时也让更多人了解这项新技术。

  3D打印发展的瓶颈之一在于材料的局限性。中科院化学研究所研究员、新材料实验室主任宋延林对《中国科学报》记者表示,现在真正利用在工业制造领域的3D打印产品还非常有限,更多的是用来做模型、模具来减化生产环节。而在民用方面,3D打印更像是工艺品的一种制造方法,实用性也非常有限。一种靠谱的、适合3D打印的材料应该具备使用的方便性、成本的可控性、性能的可靠性这三个特性。

  在他看来,依据材料科学的发展规律,3D打印材料需求的丰富性可能还需要10年左右,才能突破现在的瓶颈,产生一次变革,那个时候的3D打印将极大地丰富制造业,甚至让每个拥有3D打印机的人都能随心所欲地DIY自己的小物件。

  3D打印技术的发展,依托于信息技术、精密机械以及材料科学等多学科的尖端技术。罗军认为,我国目前的软肋在于自动化控制系统方面与国外相比还有较大的差距,运行稳定性有待提高。

  这项新兴技术最终会发展到什么程度,虽然现在无法下定论,但它提供了一个实现想法的渠道,只要你将创意输入电脑,再来一台3D打印机,就可以按照自己的方式为世界添点料。

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