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如何理性看待增材制造(3D打印)技术

2016/12/21    来源:互联网    作者:黄卫东      
关键字:3D打印  增材制造  
增材制造,即媒体普遍称谓的“3D打印”技术,是当前受到高度关注的新制造技术。我们需要理性和科学的态度看待这项技术,盲目和轻率地决定发展方向和方式,会导致社会资源的极大浪费。

    增材制造,即媒体普遍称谓的“3D打印”技术,是当前受到高度关注的新制造技术。很多媒体将3D打印誉为无所不能,似乎其诞生之日起,就预示着传统制造技术将退出历史的舞台。如此“神奇”的技术,不能不激起公众强烈的好奇心。一方面,很多人见到笔者都急于询问:3D打印到底是什么技术?另一方面,质疑3D打印技术的人也不少。其中,最极端的莫过于最近见诸网上郭台铭先生的意见:3D打印绝不等于第三次工业革命,只是噱头而已,所制造的产品只能看,不能用,一摔就碎。他甚至还语出惊人地说:“如果真的是,那我的‘郭’字倒过来写。”互联网预言家、前《连线》(Wired)杂志总编辑克里斯·安德森认为郭台铭的言论太过偏激,对3D打印的定义太过狭隘。然而,他认为3D打印不是做制造的,而是一个做模型的技术。从此观点上看,说明克里斯·安德森对3D打印技术的了解也十分有限。

    大家都在谈论3D打印,但真正懂得什么是3D打印的人却很少。毕竟这是一个发展历史很短的新技术领域,在最近成为炙手可热的领域之前,涉足3D打印的人是很少的。问题是,现在从政府到各行各业都对3D打印兴趣极浓,而如果不是在真正深入了解的情况下非理性地涉人其中,难免对这一本来前途光明的新技术带来致命的负面影响。已经有不少有识之士担心,3D打印会不会重蹈当年光伏产业的覆辙?事实上,如果没有科学务实的态度,无论多好的东西都会被扭曲,这才是增材制造业内专家普遍担心的事情。

    公众现在谈论的“3D打印”,其专业术语是“增材制造”,即通过逐渐增加材料的方法实现制造过程。传统的机械加工方法是“减材制造”,在其制造过程中材料逐渐减少;锻造、铸造、粉末冶金等热加工方法,可粗略地看作是“等材制造”。这些传统制造技术的最大优点,是可以高效率、低成本地实现大规模的批量制造。诞生于20世纪80年代末期的增材制造技术是制造技术原理的一次革命性突破,它形成了最能代表信息化时代特征的新型制造技术,即“以信息技术为支撑,以柔性化的产品制造方式最大限度地满足无限丰富的个性化需求。”它的本质不是一个批量制造技术(当然不排除在某些特殊情况下可应用于小批量制造),所以,只要社会还需要批量制造,传统制造技术就不会由于增材制造技术的发展而退出历史舞台。我们现在似乎没有任何理由认为社会只需要个性化制造而不需要批量制造,这2种制造模式是互补的,不存在一个取代另一个的问题。

    有的人注意到,盖房子不就是一个增材制造过程吗?据此看来,增材制造似乎不是什么新原理,而是古已有之。如果“增材制造”这个术语只是如其字面意义那样仅包含逐渐增加材料实现制造过程,这种看法就是有道理的。推而广之,鸟搭建鸟巢也是一个增材制造过程,这个历史就更久远了,远比人类历史长得多。但一个古已有之的东西,为什么只是在最近才突然变得“神奇”起来的?奥秘就在于数字化

1 3D打印技术绝大部分的神奇之处都来自于数字化

    1892年,一个关于立体地形模型制造的美国专利首创了叠层制造原理,在其后的100年间,类似的叠层制造专利有数百个之多,实践中的技术探索也层出不穷。但以1988年世界第一台可以工业应用的立体光刻机的诞生为标志,以快速满足柔性化需求为主要应用目标的现代增材制造技术才真正形成。可以说,如果没有几何模型的计算机设计和对其进行分层解析的软件技术,没有能够控制激光束(或电子束、电弧等其他高能束)按任意设定轨迹运动的振镜技术、数控机床或机器手,增材制造技术的柔性化特征就只能停留在一种理想化的原理层面。因此,增材制造技术应该被称之为信息化增材制造技术或数字化增材制造技术。

    立体光刻技术(Stereolithography,SL)诞生之后的几年间,各种增材制造方法迅速诞生,主要有:分层实体制造(Laminated ObjectManufacturing,LOM)、选区激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)、熔融沉积造型(Fused DepostionModeling,FDM)以及三维打印(Three  Dimension  Printing, 3DP).值得指出的是,原本狭义的3DP今天被媒体广义地用作增材制造的代表性
术语,而公众普遍见到的面向社会大众的消费品和展示品制造的3D打印机实际上主要是FDM机器。

    这些增材制造技术在诞生初期主要被用于模型或原型的快速制造,因此增材制造技术最初的名称是快速成形技术(Rapid Forming,RF)或快速原型技术(Rapid Prototyping,RP)。RF强调的是其省去了费时费钱的模具制作流程,从而带来快速制造单件产品的特点;RP强调的是其应用对象是原型制造而不是实用零件的直接制造。最初RF和RP被广泛作为同义词使用,然而,把这2个意义完全不同的术语混为一谈有碍创新。1995年,笔者注意到了当时蓬勃发展的快速原型制造技术,随即萌生了把快速原型制造技术的增材成形原理与同步送粉激光熔覆结合起来,形成一种金属零件高性能增材制造技术的构思。笔者团队的目标是:创造一种兼顾复杂形状和高性能的金属零件直接制造方法。然而,在与相关技术领域的专家交流这种新想法时,所有人都持否定意见,认为这种方法无法实现高性能金属零件制造。笔者则认为,增材成形原理并不排除实现极高力学性能的可能性,只要成形点的材料性能高,而且点与点、道与道、层与层间良好结合,就可能制造出兼顾复杂形状和高性能的金属零件。激光熔覆正好具有上述特点:冶金结合的快速凝固组织导致整体零件的优越力学性能。当然,必须经过深入而充分的研究工作才能把可行的原理变为现实。经过持续18年在工艺和技术上的艰苦研究,笔者已经通过增材制造实现了很多金属合金达到锻件力学性能、疲劳强度和断裂韧性等要求。此外,力学性能一致性也远远高于美国波音公司制造施工标准。

    金属高性能增材制造技术被业内专家普遍看作是增材制造技术领域具有高难度的前沿发展方向。金属高性能增材制造技术包括以同步送粉(或送丝)激光熔覆为主要技术特征的激光立体成形技术(Laser MetalDeposition,LMD)和以粉末床为主要技术特征的选区激光(或电子束)熔化技术(Selective Laser Melting,SLM或Selective Electron Beam Melting,SEBM)2个技术方向。金属高性能增材制造技术主要是在应对航空航天高技术需求的背景下诞生的,今天世界上主要的航空航天企业和研究机构都在下大力发展金属高性能增材制造技术。所以,美国增材制造路线图(Roadmap for AdditiveManufacturing-2009)把航空航天需求作为增材制造的第一位工业应用目标。英国技术战略委员会特别专家组在一份题为“Shaping our National Competency in Additive Manufacturing”的报告(2012年9月)中,把航空航天作为增材制造技术的首要应用领域。2012年10月,全国人大常委会副委员长路甬祥在中国增材制造技术战略咨询会议的总结发言中,也明确地把航空航天放在增材制造技术应用领域的第一位。

    金属高性能增材制造技术为航空航天技术发展带来的主要效益包括以下6个方面:

    ①新型航空航天器的快速研发。航空航天是代表国力的高技术领域之一,因而发达国家激烈争夺,力图以更快的速度研发出更先进的航空航天器,占据竞争优势。金属高性能增材制造技术摆脱了模具制造这一显著延长研发时间的关键技术环节,兼顾高精度、高性能、高柔性和快速制造结构十分复杂的金属零件,因而为先进航空航天器的快速研发提供了有力的技术手段。

图1 金属高性能增材制造技术,为先进航空航天器的快速研发提供了有力的保障

图1 金属高性能增材制造技术,为先进航空航天器的快速研发提供了有力的保障

责任编辑:马倩
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