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3D打印技术的应用和发展前景


 来源:四川省电子学会副秘书长 张光明    上传时间:2014-01-27   访问量:28672   最近访问时间:2018-04-23   

3D打印技术的应用和发展前景
四川省电子学会副秘书长 张光明
    1  前言
    3D打印技术,是以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用 激光 束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、 细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同,3D打印将三维实体变为若干个二维平面,通过对材料处理并逐层叠加进行生产,大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力,直接从计算机 图形数据 中便可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。我们日常生活中使用的普通 打印机 可以打印电脑设计的平面物品,而所谓3D打印机与普通打印机工作原理基本相同,只是打印材料有些不同,普通打印机打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有 金属 、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料,打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说,3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备,比如打印一个机器人、打印玩具车,打印各种模型,甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。 中国物联网校企联盟 把它称作“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。
    2  3D打印技术的优点
    2.1 可以加工传统方法难以制造的零件
    过去传统的制造方法就是一个毛坯,把不需要的地方切除掉,是多维加工的,或者采用模具,把金属和塑料融化灌进去得到需要的零件,这样对复杂的零部件来说加工起来非常困难。而立体打印技术对于复杂零部件而言具有极大的优势,立体打印技术可以打印非常复杂的东西。
    2.2 实现了首件的净型成形
    后期辅助加工量大大减小,避免了委托外加工的数据泄密和时间跨度,尤其适合一些高保密性的行业。再者由于制造准备和数据转换的时间大幅减少,使得单件试制、小批量出产的周期和成本降低,特别适合新产品的开发和单件小批量零件的生产。
    2.3 具有速度快、高易用性
    打印的产品是自然无缝连接的,结构之间的稳固性和连接强度高等。
    3  3D打印技术的应用
    美国和欧洲在3D打印技术的研发及推广应用方面处于领先地位。美国是全球3D打印技术和应用的领导者,美国总统奥巴马在国情演讲中宣布,计划建立3D打印中心。美国政府将人工智能、3D 打印、机器人作为重振美国制造业的三大支柱,其中3D 打印是第一个得到政府扶持的产业。.欧洲也十分重视对3D打印技术的研发应用。澳大利亚制定了金属3D打印技术路线;南非正在扶持基于激光的大型3D打印机器的开发;日本着力推动3D打印技术的推广应用。
    3D打印技术在中国还处于初级阶段,从整个产业角度来看,由于缺少龙头企业的带动作用,政府暂时缺少针对性的扶植措施,整体产业体量还较小;产业整合度较低、主导技术标准、开发平台尚未确立、技术研发和推广应用还处于无序状态。另一方面由于中国制造业还处于粗放形式,各个环节对3D打印技术带来的冲击认识还不足,接受度较低。但是中国3D打印设计服务市场在快速增长,已有几家企业利用3D打印制造技术生产设备和提供服务。2012年全球3D打印的市场规模为21亿 美元 ,中国3D打印市场规模只有10亿元 人民币 。国内有40多家从事3D打印技术的上下游企业、科研单位和小而散的企业。
    首届中国国际技术进出口交易会上,3D打印成为高人气展区,现场展出了许多3D打印的玩具、工艺品等。据了解,这些玩具、工艺品等使用一台小型3D打印机就能完成,每台机器售价在6800元左右。现场还展出了一个为国产大飞机打印的钛合金构件,长度超过3米,这显示了我国在3D打印领域已经获得较大突破。此外,在医学领域,量身打印的钛合金人工骨,也给患者带来福音。我国首台万瓦连续光纤激光器在光谷的武汉锐科问世,标志着中国成为继美国后第二个掌握此技术的国家。
     发展前景
    3D打印技术被誉为是“改变世界的制造新技术”,是“增材制造”的主要实现形式。区别于传统的“去除型”制造,“增材制造”能简化产品的制造程序,缩短产品的研制周期,提高效率并降低成本。依托于多个学科领域的尖端技术。3D打印在消费电子、航空航天、车辆、家电、生物医学等领域得到了一定应用,对改善制造业的产品设计和制造水平起到了巨大作用,在工程和教学研究等应用领域也占有着独特地位。
    我国3D打印技术领军人物、北京航空航天大学教授王华明认为,现在3D打印这么热,可能与两大因素有关,一是美国总统奥巴马在重振制造业过程中,将3D打印列为重要发力点;二是英国权威机构将3D打印等数字化生产模式列为第三次工业革命的主要内容。
    目前国际新技术发展最具期待的技术3D打印居首,但是,事实上3D打印技术要成为主流的生产制造技术还尚需时日,技术要达到平稳、成熟期可能需要十年左右。
    发达国家面对近年来制造业竞争力下降,大力提倡“再工业化、再制造化”战略,提出智能机器人、人工智能、3D打印是实现数字化制造的关键技术,并希望通过这三大数字化制造技术的突破,巩固和提升制造业的主导权。我国工信部宣称将推动“3D打印”产业化,即将制定路线图和中长期发展战略。科技部公布的《国家高技术研究发展计划(863计划)以及国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》中,3D打印产业首次入选。表明我国政府决策层开始从战略高度重视和认可3D打印技术,无疑会对该技术进一步成熟和产业化运用起到关键的作用。加快3D打印技术发展,推动我国由“工业大国”向“工业强国”的转变;发展3D打印技术,可以提升我国工业领域的产品开发水平,提高工业设计能力,摆脱传统的工业开发方法等等。
    中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军描认为,未来几年国内3D打印技术市场规模将以每年至少一倍以上的速度增长。2016年中国3D打印市场将达到100亿人民币,将成为世界上第一大3D打印市场。
  
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