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          中國工程院院士盧秉恒:我國增材制造行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段

          發(fā)布者:匿名 2019-07-11 瀏覽量:8559

          增材制造對于中國制造而言非常重要,因為中國企業(yè)的制造能力很強,但是產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力嚴重不足,而增材制造可以為我們補足這個(gè)短板,它可以用很短的流程對設計進(jìn)行迭代,做出樣機并進(jìn)行評價(jià)、分析,確定之后再進(jìn)行生產(chǎn)。

          近日,中國工程院院士、西安交通大學(xué)教授盧秉恒談到我國增材制造行業(yè)發(fā)展時(shí)表示,增材制造(3D打?。┳罱鼛啄臧l(fā)展非???,年增長(cháng)率保持在20%~40%。其中,熔融沉積成型技術(shù)(FDM)尤其迎合了創(chuàng )客的需要和教育的需要,發(fā)展十分迅速。最近較為流行的光固化技術(shù)(SLA)也在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了重要作用。

          01

          創(chuàng )新技術(shù)不斷涌現

          “在金屬材料3D打印中,一個(gè)最重要的問(wèn)題就是怎樣提高結構件強度。這就需要我們對3D打印理論進(jìn)行研究?!北R秉恒表示,無(wú)論是鑄造還是鍛壓,學(xué)術(shù)界一直在研究凝固學(xué)理論,但是鑄造和焊接中熔池規模較大,需要在宏觀(guān)的體積內來(lái)進(jìn)行冷卻和凝固。而在3D打印中,無(wú)論是激光束還是電子束,熔池都比較小,從理論上分析,小的熔池產(chǎn)生的缺陷必定也小,所以材料結構的強度就能夠提高。但是怎樣控制一些晶粒的生長(cháng)呢?盧秉恒介紹,冷卻速度影響晶粒的大小,同時(shí)也影響了結構強度。引用瞬態(tài)強非平衡態(tài)凝固理論,金屬材料的3D打印凝固時(shí)溫度梯度可提高1~2個(gè)數量級,細化了晶粒,提高了材料性能。3D打印的結構性能遠勝于鑄造,很多相當于鍛件。但現在學(xué)術(shù)界還沒(méi)有能夠完全弄清楚強非平衡態(tài)凝固學(xué)這一科學(xué)問(wèn)題,對增材制造件的應力分析還處于實(shí)驗階段,還不能形成很好的理論來(lái)指導這一過(guò)程。

          最近幾年,增材制造創(chuàng )新技術(shù)不斷涌現,比如面曝光技術(shù),應用光固化原理,材料可以像拉拔一樣快速成型,效率提高50倍~100倍。再比如一體技術(shù)金屬打印,實(shí)際上是用光固化的材料加上金屬粉末或陶瓷粉末進(jìn)行打印,打印以后需要進(jìn)行脫脂、燒結。

          對大型金屬結構件來(lái)說(shuō),用絲材進(jìn)行熔化堆積可能是更好的方法,它的能源既可以是激光的,又可以是電子束的,還可以是電弧的,就像傳統的電焊一樣。目前,該技術(shù)可以做到尺寸大于2米、5米甚至是8米。盧秉恒的實(shí)驗室團隊目前已經(jīng)做到2米,且正在嘗試5米、6米的裝備。

          其實(shí),許多傳統制造技術(shù)都可以與3D打印技術(shù)相結合。例如鑄造技術(shù),利用層層堆積的概念,用一層層薄層鑄造來(lái)形成3D打印新的技術(shù)。盧秉恒團隊有一個(gè)專(zhuān)利就是在每一層鑄造中采取鍛打的方法來(lái)提高強度,增加結構材料的致密度來(lái)提高性能。他們做了很多堆焊實(shí)驗,認為這是大型結構件高效的制造方法,可以達到每小時(shí)5千克甚至10千克。

          02

          功能梯度材料受到重視

          功能梯度材料和復合材料越來(lái)越引起3D打印行業(yè)的重視。盧秉恒介紹,功能梯度材料(FGM)是指材料的化學(xué)構成、微觀(guān)結構和原子排列由一側向另一側呈連續梯度變化,從而使材料的性質(zhì)和功能連續地呈梯度變化。將材料分層,不同材料打印在不同層,就可以做到表面耐磨、耐腐蝕,里面高強度、韌性好,再里面則是疏松的蜂窩狀結構,就像人體的骨頭一樣,在增強剛性的同時(shí)又減輕重量。目前,這些技術(shù)在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)有了重要的用途。

          復合材料的應用也是一個(gè)非常重要的方面。例如汽車(chē)、飛機和航天設備,都需要在減輕重量的同時(shí)保持高強度或高剛度,這時(shí)就可用到復合材料。纖維復合材料具有比強度高、比模量大、熱穩定性好、可設計性強、重量輕等特點(diǎn)。纖維復合材料包括長(cháng)纖維復合材料和短纖維復合材料。長(cháng)纖維復合材料在車(chē)身的制造方面還存在許多技術(shù)難關(guān),它在一些表面較展開(kāi)的曲面比較容易制造,但是在曲面變化較大的凹凸結構中則較難實(shí)現。這時(shí),也可以用短纖維復合材料或樹(shù)脂復合材料解決這個(gè)問(wèn)題,達到很好的強度。

          此外,溫度變化時(shí)界面會(huì )發(fā)生什么樣的變化;承載時(shí)界面之間的作用力怎樣;3D結構形成的過(guò)程與正常工況、溫度環(huán)境和其他物理環(huán)境不一樣,會(huì )不會(huì )引起界面內應力的增加而影響性能……這些都是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

          03

          應用場(chǎng)景呈現高端化趨勢

          3D打印在各種高端制造領(lǐng)域得到了較大發(fā)展。

          在航空航天領(lǐng)域,由于3D打印具有對復雜形狀零件的適應性,它可以把很多零件集成在一個(gè)零件上,應用這個(gè)優(yōu)勢,火箭發(fā)動(dòng)機零件個(gè)數可以減少80%,很多焊縫都可以用3D打印來(lái)實(shí)現,這樣能夠減少焊縫帶來(lái)的強度破壞以及其他可能發(fā)生的故障。

          在醫療領(lǐng)域,3D打印對于實(shí)現精準醫療具有廣闊的應用前景,從影像診斷、三維數據設計、骨骼等結構打印到臨床手術(shù),3D打印能夠實(shí)現個(gè)性化組織再生和修復。目前,3D打印在醫療器械制造和專(zhuān)業(yè)醫療輔助器械方面的應用發(fā)展較為成熟。3D打印技術(shù)較為典型的醫療應用包括構建手術(shù)規劃模型、醫療培訓教學(xué)、手術(shù)導板、3D打印植入物以及假肢、助聽(tīng)器等康復醫療器械。醫療器械領(lǐng)域可以充分發(fā)揮3D打印特性化的特點(diǎn)。2000年,盧秉恒團隊做了3D打印用于下額骨特性化替換的試驗,2018年2月,“個(gè)體化下頜骨重建假體”獲得國內首張個(gè)體化定制骨科內植物器械注冊證。

          3D打印用于建筑領(lǐng)域也在探索階段。目前打印低層建筑日漸成熟,應用越來(lái)越廣泛。高層建筑還有一定的難度,有待于材料的改進(jìn)和材料打印工藝的發(fā)展。

          盧秉恒認為,目前,我國3D打印在應用領(lǐng)域進(jìn)展良好,但是在原創(chuàng )的裝備、原創(chuàng )的技術(shù)方面與發(fā)達國家相比仍有較大差距,希望能夠通過(guò)多學(xué)科交叉,包括材料領(lǐng)域、信息領(lǐng)域、生物醫療領(lǐng)域的交叉來(lái)推動(dòng)3D打印技術(shù)的創(chuàng )新。

          04

          3D打印未來(lái)發(fā)展趨勢

          盧秉恒指出,3D打印面臨的挑戰主要包括從控形到控形控性,從宏觀(guān)到微納,從制造到創(chuàng )造,從地球到太空以及如何多學(xué)科交叉推動(dòng)技術(shù)創(chuàng )新等多方面。

          “微納結構增材制造工藝與裝備”被科技部列為重大共性關(guān)鍵技術(shù)類(lèi)項目,目標是以微機電系統、傳感器、微納光學(xué)、精密醫療器件等為應用對象,開(kāi)展器件制造應用實(shí)驗,形成具有重大應用前景的新型功能器件原型,實(shí)現具有微納特征的三維結構與功能一體化制造。目前,智能制造需要很多的傳感器,在微電子工業(yè)制造領(lǐng)域可能需要上百萬(wàn)件,但是在某些定制化領(lǐng)域,只需要少量、多批度的傳感器,這時(shí)3D打印就能發(fā)揮重要作用。3D打印具有能夠制造復雜形狀的優(yōu)勢,它可以對產(chǎn)品結構進(jìn)行改造、進(jìn)行再設計,使很多零件結合成一個(gè)零件。

          盧秉恒認為,未來(lái),3D打印的發(fā)展趨勢集中在以下幾方面:

          第一,3D打印產(chǎn)業(yè)將逐漸成為各行各業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的利器。今后5~10年,也許各個(gè)領(lǐng)域都會(huì )用3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)自己的產(chǎn)品和裝備。

          第二,從批量生產(chǎn)走向個(gè)性化定制。制造業(yè)目前是大批量生產(chǎn),而要發(fā)展個(gè)性化定制,增材制造將發(fā)揮非常重要的作用。目前,國家藥品監管部門(mén)非常重視定制式增材制造醫療器械的發(fā)展,已經(jīng)對《定制式增材制造醫療器械注冊技術(shù)審查指導原則(征求意見(jiàn)稿)》進(jìn)行了多次研討。在個(gè)人消費品領(lǐng)域,海爾集團等公司也在嘗試通過(guò)設計師和用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )交互來(lái)進(jìn)行個(gè)性化產(chǎn)品的設計。

          第三,大型企業(yè)跨界介入,促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。例如GE公司,用3D打印技術(shù)革新了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的零件。他們還專(zhuān)門(mén)成立了增材制造公司,并投入大量資金來(lái)進(jìn)行研發(fā)活動(dòng)。

          第四,標準研究引領(lǐng)發(fā)展。目前,3D打印行業(yè)中標準不夠完善是制約發(fā)展的一個(gè)因素,目前很多低端、高端產(chǎn)品混在一起,用戶(hù)辨識不清,發(fā)展中出現了“劣幣驅逐良幣”、同質(zhì)化、低價(jià)位競爭等現象。標準的完善必須引起有關(guān)部門(mén)的高度重視。

          盧秉恒描畫(huà)了增材制造發(fā)展的路線(xiàn)圖:

          在技術(shù)發(fā)展方面,從3D走向4D,從4D走向5D,所謂5D就是生命可降解組織和發(fā)展因子聯(lián)合,打印出來(lái)的器械能夠成就器官再創(chuàng )技術(shù),如人工心臟、人工肝臟;

          在應用發(fā)展方面,逐步從20世紀的產(chǎn)品原型走向3D打印開(kāi)發(fā),再走向批量生產(chǎn);

          在成型材料方面,從樹(shù)脂發(fā)展到金屬材料、復合材料,再到生物活性材料;

          在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面,從裝備發(fā)展到各個(gè)領(lǐng)域,再發(fā)展到尖端科技;

          在參與者方面,正在從科技界走向企業(yè)界,金融機構也在嘗試應用3D打印技術(shù),將來(lái)會(huì )有越來(lái)越多的創(chuàng )客用3D打印技術(shù)完成他們的奇思妙想。

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