3D打印技术——制造业新宠
日期:2017-06-21  发布人:汉口学院  浏览量:789

摘  要:系统分析3D打印技术对制造业的影响,研究其发展历程和现状,在分析3D打印的原理、优点和不足的基础上,探讨我国3D打印技术的发展趋势。 关键词:3D打印   制造业
一、引言

       以2012年华中科技大学史玉升教授在材料技术上的突破为契机,国内3D打印技术掀起了热潮,成为近几年制造业的新宠。本文系统地分析3D打印技术对制造业的影响。首先回顾3D打印技术的发展历程并论述其应用现状,继而分析其原理和优点,然后研究3D打印技术的不足,最后探讨我国3D打印技术的发展趋势。
二、3D打印技术发展历程与现状

       3D打印是一种快速成型技术,以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体。其加工过程是:在电脑中生成物体的三维立体模型,将这些信息传递给3D打印机用特殊材料打印输出,从而令计算机上的蓝图变成现实。这一技术类似传统的打印技术,故而得名。
       这项技术的概念自从上世纪提出迄今已有三十余年,但直到近年才得到大范围应用。1984年查尔斯•赫尔发明将数字资源打印成三维立体模型的技术,随后第二年将其命名为立体光敏成型技术。上世纪90年代初,国内涌现了一批以高校为主的3D打印先行者,如华中科技大学、清华大学、西安交通大学等,当初称这一技术称为激光快速成型技术,仅能用树脂来做零件。我国成为继欧美之后第三个可以生产快速原型装备的国家。1991年,华中理工大学(现华中科技大学)校长黄树槐在该校成立快速制造中心。1994年,该中心研制出我国第一台具有自主知识产权的基于薄材质的激光快速制造装备。2005年,该中心研制出工作面达1米×1米的装备。2012年1月,华中科技大学材料科学与工程学院副院长史玉升带领的团队在“大工作面粉床预热温度场均匀控制装置及方法”、“高效高精激光扫描方法”和“高强度大型激光烧结制件的粉末材料制备及成形工艺”等影响大型复杂制件整体成形的关键技术方面取得突破,成功研制出世界最大的3D立体打印机,其工作面远远超过德国、美国等国同类产品,我国在快速制造领域达到世界领先水平。这一研究成果入选两院院士评选的“2011年中国十大科技进展”。经过近二十年的努力,国产3D打印产品的市场占有率由0%上升到85%。

       随着3D打印技术的突破,其商业价值备受瞩目。现阶段3D打印技术已广泛应用于珠宝、鞋类、汽车、教育、地理信息系统、土木工程等许多领域,尤其在制造质量精度要求高的行业(航空航天、国防、医疗设备等)3D打印技术的需求量大。波音公司用3D打印技术制造了大约300种不同的飞机零部件(包括将冷空气导入电子设备的形状复杂导管);空客在A380客舱里使用3D打印的行李架;中航重机激光技术团队进行“3D激光焊接快速成形技术”研发[1];医学领域用3D打印技术仿制人体器官模型,对外科手术有很高的实用价值。
       上海同济大学教授、现代制造技术研究所名誉所长张曙认为:“过去,我们只是当3D打印是一种快速成形技术,但现在工业领域的应用,可以让设计、创意与生产分开,可以实现减少库存的生产,等于提供了新的商务应用”。未来学家杰里米•里夫金提出3D 打印技术正引导资本主义进入可持续发展的“第三次工业革命”时代。
三、3D打印原理

       3D打印机的结构如图1所示,其工作步骤大致分为数据获取、数据处理、数据加工、加工制造四步。
       图1  3D打印机结构
        3D打印机首先获得一个完整的用专业软件设计的三维立体模型,经分析处理,把复杂的三维模型转化为一系列二维截面数据,然后打印输出二维“切片”并堆叠成型。每一层的打印过程分为两步:首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,然后喷洒一层均匀的耗材,耗材遇到胶水会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样一层胶水一层粉末地交替处理,实体模型被“打印”成型。打印完毕后扫除多余的耗材即可“刨”出模型,而耗材剩余部分还可循环利用。

       3D打印耗材由传统的墨水、纸张转变为特殊的胶水、粉末等。这些特殊材料对固化反应速度有极高的要求,并直接影响打印结果的强度和“打印”分辨率。根据所用材料的不同,3D打印堆叠二维“切片”的工艺可以细分多种,包括液态材料沉积成型法、激光烧结固态粉末成型法等(参见表1)。
       3D打印技术通过分层加工与叠加成型可以直接制造产品,无需机械加工或任何模具制造。3D打印相比传统制造方法具有很多优点:制造速度快;一次性完成而非分步优化;产品形状想象空间更大,可以用软件做出传统制造不方便完成的形状;修改成本小,只需在软件中修改参数就可以快速生产出新版产品。 表1 3D打印机“堆叠”切片的工艺

累积技术 基本材料
选择性激光烧结
(Selective laster sintering,SLS)
热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末
直接金属激光烧结
(Direct metal laster sintering,DML)`
几乎任何合金
熔融沉积成型
(Fuse deposition modeling,FDL)
热塑性塑料,共晶系统金属、可食用材料
立体平面印刷(Stereolithography,SLA) 光硬化树脂(photopolymer)
数字光处理(DLP) 液态树脂
熔丝制造(Fused filament fabrication,FFF) 聚乳酸(PLA)、ABS树脂
融化压膜(Melted and Extrusion modeling,MEM) 金属线、塑料线
分层实体制造
(Laminated object manufacturing,LOM)
纸、金属膜、塑料薄膜
电子束融化技术
(Election beam melting,EBM)
钛合金
选择性热烧结
(Selective heat sintering,SHS)
Thermoplastic powder
粉末层喷头三维打印
(Powder bed and inkjet head 3D printing,PP)
石膏
       3D打印技术先进的思想造就了高加工质量,目前已经能够0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率[2],并可实现24位色彩的彩色打印,从而确保模型表面的文字或图片也能够清晰打印。3D打印出的齿轮、轴承、拉杆等可以正常运动,腔体、沟槽等形态特征位置准确甚至可以满足装配要求,打印出的实体还可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。
四、3D打印技术的发展瓶颈

       作为一种新技术,3D打印遇到一些需要解决的难题,这些难题成为制约3D打印普及应用的瓶颈。
       1、快速成型技术本身存在局限性和缺陷。表现如下:
       A、成品性能差,强度、刚度、机械加工性等都远不如传统加工方式。由于采用层层叠加的制造工艺,即使层和层之间的粘结再紧密,也无法和传统模具整体浇铸而成的零件相媲美;在一定外力条件下,打印的部件可能会散架。用3D打印技术制造钻头等高硬度产品时力不从心,打印的房子也难以经受风雨。
       B、精度、速度和效率等方面存在不足。由于分层制造存在台阶效应,每个层次虽然很薄,但在一定微观尺度下,仍会形成具有一定厚度的一级级“台阶”,造成精度上的偏差。因此,目前3D打印成品的精度还不尽人意。而受喷打印原理的限制,打印精度与速度之间也存在严重冲突。虽然目前国际上较先进的产品达到25mm/小时的垂直速率,是早期打印速度的10倍,但打印效率还远不能满足大规模生产的需求。
       2、3D打印材料的局限,表现在五个方面:
       A、我国自主掌握的材料种类匮乏,跟不上市场发展。国外对我国实行技术封锁,3D打印材料国内产能低,目前主要依靠进口。
       B、打印流畅性不足。
       C、物理性能(强度刚度)不够。
       D、材料对人体有危险性,对环境有害。目前3D打印材料主要是石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料。塑料、树脂等大多难以降解的材料,一旦大规模运用会给人体带来致癌危险。
       E、材料标准不统一。目前3D打印机厂商都想让消费者购买自己的打印原料,打印材料缺乏标准,导致难以形成产业链。
       3、成本昂贵。现有3D打印机造价普遍较贵,给其进一步普及应用带来困难。尽管国内3D打印机造价相对较低,但性能不足,能应用于工业生产的3D打印机在国际市场上仍然是天价。
       4、知识产权保护的难题。3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散,制造业面对的盗版风险大增,现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。
       5、社会风险成本。3D打印技术会增加一些违法危险品(譬如手枪)流入社会的可能,尚需应对方法。
五、我国3D打印技术的发展展望

       每一项新技术的应用都会经历很长的市场培育期。尽管3D打印技术目前有缺陷,但仍能预见其良好的未来。我国3D打印技术的未来发展会有以下几个趋势。
       1、提升速度、效率和精度,改善打印成品的物理性能和表面质量。3D打印要能生产出抗负荷的结构性部件。
       2、打印材料多样化,并形成产业链。更为多样的3D打印材料,例如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等[1],将不断涌现以适应市场的需求。我国3D打印材料会形成产业链,打破国外的垄断。
       3、3D打印机小型化、桌面化,成本更低廉,利于普及。“低成本的3D打印机越来越多,厂商也有意将其消费化,那么对于普通用户来说,3D打印便可能成为一种低成本的家庭生产工具。”[3]
       4、3D打印技术操作简便化。3D建模并不简单,虽然通过3D扫描仪可以便捷的完成这项工作,但目前 3D扫描仪以进口为主,价格昂贵,迫切需求我国自主研发的廉价3D扫描设备。
       5、拓展3D打印技术的应用,创造性应用于生物医学、建筑、车辆、服装等更多领域。
我国应加大对3D打印领域的投入,加强自主研发和消化吸收外国先进技术。“尤其要重视自主知识产权的建设和维护,争取在未来的市场竞争中占据有利地位。”[2]
六、总结

       3D打印技术是一种高效的新型加工手段,在许多行业得到应用,其引领的定制化生产将会逾越传统的工序流程化加工,工厂、出产线和装配线会随之消失。虽然目前3D打印技术发展遇到瓶颈,但它必能颠覆传统制造业。
参考文献

       1.杨恩泉, 3D 打印技术对航空制造业发展的影响. 航空科学技术, 2013(1): 13-17.
       2.王雪莹, 3D 打印技术与产业的发展及前景分析 [J]. 中国高新技术企业, 2012. 26: 006.
       3.2014年3D打印发展趋势展望. 2014; http://www.vx.com/news/2013_3395.html.

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