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增材制造技术的应用及其发展(一)

2017/2/26    来源:互联网    作者:袁茂强  郭立杰  王永强  王力  王联凤      
关键字:增材制造  3D打印  研究现状  发展趋势  
增材制造技术,也称3D打印技术,是一种采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,由于具有成形速度快、材料利用率高、生产周期短与数字化程度高等特点,近20年来成为各国科学家研究的热点。随着激光技术、计算机技术、CAD/CAM等技术的快速发展,增材制造技术在航空航天、汽车生产、生物制造、建筑设计等诸多工程领域得到了广泛的应用。介绍了增材制造技术的主要分类、工作原理、应用领域及其国内外研究现状,总结了各类关键技术所面临的问题,并讨论了其未来发展趋势。

    0 前言

    增材制造技术(Additive Manufacturing,简称AM)是一种与传统的材料去除加工方法相反的,基于三维数字模型的,采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺。该技术通俗也称3D打印技术(3D Printing),是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术,被称为“具有工业革命意义的制造技术”,其核心是数字化、智能化制造,实现了随时、随地、按需生产。自19世纪80年代第一台3D打印机诞生以来,增材制造技术得到了迅速发展,该技术被英国杂志《经济人》称为是第三次工业革命。

    目前欧美国家、日本等国都投入了大量的财政支持,支持增材制造技术的发展。随着材料、工艺方法和成形装备的发展,增材制造技术已从快速原型和工艺辅助等间接向金属、陶瓷、复合材料等零件直接制造转变。增材制造技术依托多个学科领域的高端技术,部分制造的零部件机械性能达到可直接应用的水平,在航空航天、生物医学、汽车制造、家电生产等方面均有所应用,发展前景十分广泛。

    文中简要概况了增材制造技术的研究现状及在几大领域的应用情况,介绍了选择性激光熔化、激光熔覆、熔融沉积成形和光固化立体造形等相关技术的基本原理及面临的挑战,并讨论了其未来发展趋势。

    1 增材制造关键技术研究现状

    作为第三次工业革命标志的3D打印技术,经过二十多年的发展,其相关技术领域逐渐成熟,应用范围逐渐扩充。根据美国专门从事增材制造技术的技术咨询服务协会Wohlers发布的2013年度报告显示,对各行各业对增材制造技术的应用进行了分析,如图1所示。从图中可以看出,3D打印技术目前在消费电子、汽车、医疗牙科、科研用途,以及建筑方面应用较多。

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    图1 增材制造技术应用领域分布图

    1.1 增材制造关键技术在生物领域应用

    在生物制造领域,增材制造技术得到了广泛关注和发展,该领域也是增材制造技术研究最前沿的领域。“细胞打印”是增材制造技术与生物制造技术的有机结合,解决了传统组织工程难以解决的问题,利用计算机控制含细胞液滴的沉积位置,在指定位置逐点打印,层层叠加形成三维多细胞/凝胶体系。2010年6月,美国Organovo公司成功研制的“按需打印”患者所需的人体活器官的机器,其打印原理如图2所示; 2011年9月,德国科学家团队成功研制出人造血管,如图3所示,该成果有望成为广大器官移植者的福音; 2013年2月20日,美国康奈尔大学的研究人员利用牛耳细胞在3D打印机中打印出人造耳朵,如图4所示,该技术有望用于先天畸形儿童的器官移植;2月,英国赫瑞瓦特大学和一家干细胞技术工程,利用真空阀门式3D打印技术,将3D打印拓展到人类干细胞范围。目前生物制造领域的研究主要为一些国外的科研机构,我国在这一领域的研究离国外还存在一定差距。

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    图2 细胞打印机及打印流程

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    图3 人造血管                               图4 康奈尔大学打印出的人造耳朵

责任编辑:郝秋红
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