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3D打印技术的本质特征及产业化对策探析(一)

2017/9/20    来源:互联网    作者:包国光  赵默典      
关键字:3D打印技术  增材制造  产业化  市场峡谷  
3D打印技术与传统制造技术相比,在原理上具有本质性的不同,显示出“革命性”特征;但3D打印技术并不能完全替代传统制造技术,二者是对立统一的互补关系。中国3D打印技术产业发展很快,但受到技术瓶颈困扰、材料进口依赖、应用成本高企、“市场峡谷”阻碍等方面的制约。为了推进中国3D打印技术产业化,需要正确判定3D打印技术与产业的定位;建立“产学研用”协同创新中心及上下游合作研制生产3D打印材料;建立应用示范基地,增强用户对3D打印技术的信心;促进3D打印商业运营模式创新;培育3D打印技术应用人才;政府建立3D打印行业基金吸引企业投资跟进。

    进入21世纪以来,3D(三维)打印(three dimensional printing,简称3DP)技术、增材制造(additive manufacturing,简称AM)技术、快速成形制造技术(rapid prototyping and manufacturing,简称RPM)等新的制造技术正在快速发展。国外的一些研究机构和舆论界兴奋地预测,以3D打印技术为代表的新技术将会逐渐占据制造领域的主导地位。国内的一些报纸宣称数字化增材制造技术将带来“第三次工业革命”,3D打印将撼动全球制造业。3D打印技术为何如此受到褒扬,未来的制造业果真将被3D打印技术一统天下么?

    一、3D打印技术的起源与本质特征

    3D打印技术之所以被认为具有“革命性”,在于它的“技术原理”与传统加工制造原理有着根本的不同。

    1. 3D打印技术的“革命性”与优势

    (1)3D打印技术的起源

    19世纪末美国有人研究出了地貌成形技术,形成了利用“层叠成形”的方法去制作地形图的构想,这是3D打印技术设想的来源之一。真正的3D打印技术,学界一般认为开端于20世纪80年代的美国和日本。1977年,美国的Swainson提出了可以通过激光选择性照射光敏聚合物的方法来直接制造立体模型产品。1979年,日本的中川威雄利用“层叠成形”的薄膜技术方法加工出实用的工具模具。1981年,美国的HideoKodama首次提出了一套功能感光聚合物快速成形系统的设计方案。1986年,3DSystems公司成立,开发出里程碑式的STL文件,并于1988年成功研制出世界首台商用3D 打印机SLA-250。ScottCrump也于1988年发明了另一种3D打印技术FDM,并创建了Stratasys公司,于1992年研制出第一台FDM技术的3D打印机

    (2)与传统加工制造技术相比的“革命性”

    传统加工制造技术工艺主要是利用力学、热学、压强等原理来实行加工制造。一般将产品的技术加工过程分为冷去除加工和热变形加工两大类,通常是利用切割、磨削、腐蚀、熔融等方法,去除多余部分,得到零部件形状,再以拼装、组合、焊接等方法加工制造成最终产品。

    以3D打印技术、快速成形制造技术(RPM)为代表的“增材制造技术”,是20世纪80年代发展起来的“集成型”高技术,依赖于计算机技术、数控技术、激光技术、CAD/CAM 技术、新材料技术等高技术群。3D打印技术的基本原理与传统的加工制造原理有本质的不同。其革命性显示在基于离散、堆积原理采用不同方法堆积材料,通过计算机控制来实现产品的成形制造。3D打印技术制造产品采用的是“增材法”,即用材料逐层或逐点堆积出产品的形态,其基本原理却都是“分层制造,逐层叠加”,可以类比于数学上的“积分”过程,也可以说是微积分原理在制造技术上的体现。

    3D打印技术这种“自下而上”的“累加堆积”成形原理,即将一个空间实体分层离散加工,再堆积成形得到所需产品(离散-堆积-成形)。基本方法程序是:首先利用计算机建立实体的三维CAD模型,再将CAD模型进行分层离散化,即将实体沿z方向分层切片,得到各层截面轮廓的几何信息。然后转换为控制成型机工作的NC 代码,将成形材料按截面轮廓进行分层加工再叠加起来,即得到所需产品的实体形态。

    (3)3D打印技术制造产品的优势

    与传统的的去除成形法、受迫成形法加工制造零件相比,3D打印技术工艺过程不对材料进行切割加工,因而也就不会产生工艺废料。传统制造工艺的加工周期一般都比较长,受限于刀具、模具形状,不能制造出复杂曲面的、异形深孔的特殊零件;而3D打印技术等“增材制造技术”弥补了上述制造技术的缺点,显示出“绿色技术”的优越特性。

    采用3D打印技术,在产品建模设计阶段就可以看到将来欲成型的产品外观形状,因而可以超前、灵活地调整并测试,能够快速、低成本、高品质地推出产品。与传统的制造技术相比,3D打印技术工艺减少了多道加工工序,在一台设备上可快速而连续地“打印”制造出任意复杂形状的产品,从而实现“自由制造”,解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形问题,并大大减少了加工工序环节,缩短了加工周期,而且越是复杂结构的产品,其制造的效率相对地就越发显著。

    2. 3D打印技术的主流类型

    ① 熔融层积成型技术(FDM)。通过加热将塑料类材料(ABS、PC类塑料)软化,用喷头将其挤出,迅速固化,逐层堆积成形产品。使用此类技术的代表性企业是Stratasys公司。

    ② 光固化成型技术(SLA)。采用激光扫描液体的光敏树脂,将其固化,然后逐层堆积成形产品。使用材料一般为液态光敏树脂,代表性企业是3DSystems公司。

    ③ 选择性激光烧结技术(SLS)。在激光照射下,使粉末状材料烧结。在计算机控制下按照界面轮廓信息,进行有选择地烧结,堆积成形产品零件。使用材料可以是金属粉末、陶瓷粉末、热塑塑料等;代表性企业是3DSystems公司、EOS公司等。

    ④ 直接金属粉末激光烧结技术(DMLS)。在基材表面添加熔覆材料,利用高能激光使之与基材表面层一起熔凝,形成添料熔覆层。此项技术以合金金属为材料,代表性企业为EOS公司、MT公司等。

    ⑤ 激光叠层制造技术(LOM)。将热熔胶涂到材料表面,然后热压片材,使其粘结;然后用激光器切割零件截面轮廓。纸张、塑料薄膜、铝箔等可作为材料,代表性企业有Helisys公司、Kinergy公司等。

    ⑥ 电子束熔融技术(EBM)。在高温下逐层融化金属粉末,快速成型金属零件。一般以钛合金为材料,代表性企业为Arcam AB公司。

    ⑦ 3DP技术。逐层喷涂成型材料,直至所需模型完成。一般以彩色石膏为材料,代表性企业为3DSystems公司。

    支持上述主流的3D打印技术的程序语言,有低级的STL和高级的AMF等。3D软件是图像前期设计成型建模,有AutoCAD和Solidworks等。

责任编辑:张纯子
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