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3D打印技术:如何颠覆传统制造业

2016/9/14    来源:互联网    作者:王春净  夏成宝  叶达飞      
关键字:3D打印技术  传统制造业  瓶颈  
3D打印作为一项快速成型技术,自问世以来便受到社会广泛关注,如今更成为各国争相追捧的对象。有人甚至预测:不久的将来,3D打印技术将会替代传统制造业,使大批产业工人失业。从3D打印技术的现状出发,详细阐述目前面临的瓶颈,得出结论:3D打印很难颠覆和替代传统制造技术,而只是作为它的补充。

    众所周知,早已普及多年的打印机打印的是图文,使用的是纸张。而如今,有一种新型打印机,用电脑输入相关数据后,便能打印出任何你想得到的东西,小到玩具、蛋糕或是机器零部件,大到汽车和飞机,似乎已经无所不能,这就是近年来热潮频袭的3D打印技术

    似乎马良那支以画变实的神笔从神话中走了出来,成为现实。正是因为它的神奇,自它出现并得以传播之日起,便很快成为发达国家争相研发的“新宠”,被寄予重振制造业的厚望。

    有人设想,3D打印技术将使装备制造业彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具,改由更加灵巧的电脑软件主宰。以后,长长的流水线、轰鸣的机器声将越来越少,一个人、一台电脑、一部打印机就有可能组成一个“工厂”。设想是美好的,我们不难想象,3D打印技术带来的变化一定会或多或少地改变制造业的面貌,但是它能否取代或是颠覆传统制造业,却是一个值得探讨的问题。

    全国政协常委、经济委员会副主任、工业和信息化部原部长李毅中在世界3D打印技术产业大会上表示:“3D打印技术为传统制造业的创新注入新的动力和活力。但受技术和装备的局限,3D打印目前适用于少批量、小尺寸、高精度、造型复杂的零部件的加工制造,难以代替大规模、大批量的加工制造。”笔者也认为,3D打印技术虽方兴未艾,但面临不少瓶颈和挑战,不足以颠覆传统制造业。

1 成本之高限制产业化

1.1 材料昂贵限制应用

    在3D打印的家用领域,目前的材料有石膏、光敏树脂、塑料等。使用ABS工程塑料便能打印出一个小提琴的主体,虽然其中用于3D打印的塑料耗材仅价值4美元,音准能基本满足要求,但音色并不出色,根本达不到专业手工制造的效果。可见这些材料难以满足大众用户的需求。据了解,以色列的Object公司可以在14种基本材料的基础上混搭出107种材料。然而,这些材料的种类与现实世界中的材料相比,仍然相差甚远。

    工业级的3D打印材料也十分有限,目前适用的金属材料只有10余种,而且还需要专用的金属粉末材料才能获得满足要求的金属零件。在实际使用过程中,金属粉末每小时的用量可达100~3000g。成本之高,显然远远超过大众的承受范围。

1.2 设备昂贵限制普及

    华中科技大学材料科学与工程学院教授史玉升说,我国生产的3D打印机装备功能已经接近国际先进水平,差距主要体现在装备的可靠性和材料研发上。“部分3D打印机的关键器件需从国外进口,而用国产零件生产的打印机稳定性不够。”一台稳定可靠的金属材料打印设备约60万美元以上,成本十分高昂。

    因此,无论是高价的材料还是高昂的设备,都限制了产业化和相关研究的推进。

2 材料之缺限制领域扩展

    3D打印的关键是设备,而更关键的则是材料。目前能打印的材料还很有限,主要有树脂、石蜡、石膏、尼龙丝、钛合金、陶瓷、金属粉末等十几种,而且很多材料的强度和硬度都无法达到预期。受制于材料等因素,3D打印技术理论上虽可行,但现实中却遇到重重阻碍。

    目前的家用3D打印机多数只能采用单一的塑料材质,这也大大限制了其实用性。工业用3D打印机所使用的多为金属粉末,但目前打印还不能适应所有的金属牌号,这是因为受制于对激光熔炼技术的掌握,还只能简单地应用一些塑性较高、热加工性能好、内部含联结元素高的金属材料。世界3D打印设备领域的某顶尖供应商大中华区总经理吴承轩说,中国在金属材料研究方面与德国估计有5年差距。

    我国的3D打印技术目前尚处于“有锅没米”的局面,究其原因,国内做材料方面基础研究的人太少,国内生产3D打印材料的企业也极少,很多金属材料更是依赖进口,尤其是钛合金等贵金属材料,这在很大程度上限制了3D打印应用领域的扩展。

3 强度之低限制承力应用

    从金属制造和加工业来说,3D打印基本原理是将零件数字化模型进行空间网格化,通过像素化分解成为一个个空间点阵,然后利用金属微量熔融或烧结的沉积技术,将零件一层层堆积而成。目前的诸多成型手段和方法都有各自的优点和缺陷,在航空领域,选区激光烧结技术潜力最大,应用前景最广泛。它的材料适应范围最广,从铝合金、钛合金、高强度钢、高温合金到陶瓷都能处理,但是它属于微观粉末冶金的范畴,快速成型中,粉末冶金技术因熔融-凝固过程过快,成型体中容易夹杂空穴、未完全熔融的粉末,胚体缺陷还有可能包括激光扫描线方向形成的熔融-凝固不均匀金相微观线状晶格排列,这些都会严重影响成型件的强度。

    目前激光选区成型的构件大多只能达到同牌号金属铸造的强度水平,虽然这已经能让构件进入正常的应用领域,但要承担像飞机这样的主要结构受力构件还是有很大限制的。

    如何使冲击强化和打印的烧结与熔融保持一个相对合理的速度和强化锻造效果,仍是一个亟待研究的课题,激光冶金技术方兴未艾,锻造与淬火方面还没有形成系统的理论和实验体系,一旦这些理论和实验积累到足以支撑设计需求以后,激光三维成型在高强度、超高强度构件领域的应用前途就完全光明了,它把传统工业冶金、铸造、锻造、成型等一个庞大重工业工厂的全部工作集中微缩到一台连接到电脑的打印机中,只要购买打印设备和相应的粉末,任何工厂甚至个人都能方便、直接地设计和生产顶尖水平的机械产品。但是达到这个水平还有一段很漫长的路要走。

4 效率之低限制批量生产

    如果打印的是单件、单一材料的小部件,3D打印可以对物体直接复制、整体成型,效率比传统制造工艺高出很多,这使3D打印技术在单个或小批量模具和复杂零部件的生产中占有明显优势。然而,就金属材料而言,传统工艺的速度优势却是3D打印技术无法比拟的。目前激光打印还是单光头单层铺粉作业,速度还是较慢的,每小时打印质量大多在1kg以下,最好水平也只有9kg左右,要实现工业化生产,特别是大规模生产,这个速度是远远不够的。比如,用送粉激光熔覆技术打印一个直径1cm的金属螺栓,一层一层打印,每层20μm,1cm需要打印500层,每层需要10s,总共要5000s,也就是要将近1.5h。而传统铸造工艺,只要有现成且合适的模具和设备,短时间内便可以实现量产。

5 精度之低限制直接成型

5.1 打印成型后需要进一步精密机械加工

    目前的金属3D打印构件都不能直接形成符合要求的零件表面,它都必须经过表面的机械加工,去除表面多余的、不连续的、不光滑的金属,才能作为最终零件投入使用。因此,尽管3D打印可以获得复杂的空间结构和一些复杂的管路和腔体,但是电子束成型对复杂腔体、扭转体、薄壁腔体等成型效果不佳,它的成型点阵精度在mm级,所以成型以后仍然需要传统的精密机械加工,也需要传统的热处理,甚至锻造等。

5.2 打印成型后影响精密机械加工

    3D打印可以获得复杂的空间结构和一些复杂的管路和腔体,但这些管路和腔体的进一步机械加工很有可能无法进行,零件的重量效率、管路流动效率等方面不一定能够满足实际需求。

    因此,尽管3D打印可以一步直接完成很多复杂零件的成型,但其精度方面的缺陷使其还不具备直接取代传统机械加工的能力。

    综上所述,3D打印可以改善传统制造业的某些流程,提升某些环节的效率,只能说对传统制造方式有所改变,是原有方式的补充,还称不上根本的革新,更不会取代传统制造业。目前,3D打印技术只是露出一丝曙光,真正达到大规模应用并产生效益,还需要很长的时间来发展和积累。

责任编辑:屈婷婷
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