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3D打印:大规模制造有点悬

作者:闵杰 赵志伟来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2013-06-28 08:59我要评论

增材制造技术(俗称3D打印)并非新鲜的技术,在上世纪80年代就得到了发展和推广,而在近两三年却受到了包括美国、中国等国家的高度重视。为什么时隔30年之后3D打印突然变得火热?它能解决什么问题?有没有产业化的基础?

6月26日,工业和信息化部部长苗圩在“新工业革命与增材制造国际研讨会”上谈到,今天3D打印已经形成比较完整的技术体系,应用范围不断拓展,产业链初步形成,市场规模快速增长。科技部部长万钢认为,由于3D打印在复杂化结构零部件加工、个性化定制等方面具有独特技术优势,其在航空航天、汽车、电子等领域将具有相当广阔的应用前景。

信息技术驱动3D打印

在二三十年前,3D打印技术就已经能用树脂或胶等材料制作产品。近几年,由于3D打印可处理的材料范围扩大到了金属材料,而且成功地将几十年前就有的工艺技术重新组合利用,例如结合信息技术,使用激光和电子束进行表面工程和增材制造。此外,由于激光和电子枪等关键元器件品质不断提高等原因,使得3D打印技术更加成熟。而美国总统奥巴马振兴美国制造的新举动——成立3D打印创新研究院,则推动3D打印立马在全球“火”了起来。

北京航空制造工程研究所总工程师李志强告诉《中国电子报》记者,3D打印技术具备诸多优点:第一是直接,从材料最简单原始的形态到直接成形,跨越了传统工艺的锻造、焊接、粗加工等环节;第二是快速,减少了物流环节,制造周期缩短;第三是绿色,少了中间环节之后,基础零件不用再被反复冷却,降低了能耗;第四是柔性,可以发挥想象力设计出任意的文件;第五是赋予了传统制造业变革的可能性,影响传统的流水线和大工厂生产模式,形成网络化生产。

李志强认为,3D打印之所以突破瓶颈得以快速发展,主要驱动力是信息技术,而不是工艺技术,数据处理能力的急速提升是很重要的因素。Materilise公司执行副总裁巴特先生举了一个例子,打印一个20厘米长的铅笔盒,可能会需要2G到3G的数据,这就需要在打印的同时,在极短的时间内通过多重软件工序,处理掉这么庞大的数据。

中国工程院院士卢秉恒向《中国电子报》记者透露了3D打印技术发展的路线图:从3D打印发展到4D打印,再发展到5D打印。4D打印是通过智能材料打印成一个结构,在温度、环境发生变化以后,这种材料可以发生变形,变成在工作状态下需要的结构。5D打印是指细胞打印,活体器官以“打印”的方式,通过生长因子,由干细胞繁殖变成母体。

但是眼下,3D打印发展到今天,本身还存在不少发展瓶颈。

李志强表示,首先是没办法保证零件是合格的。高端的零件没有打印标准,需要大量数据的积累、检测,快速形成过程中产生的一些微小的缺陷找不出来。其次是无法保证连续熔化形成的组织的强度是稳定和足够的。现在3D打印出来的绝大多数组织还需要精加工、再加固,不是最终成型产品。最后是成本,现在基础零件增材制造的成本较高,不过这个需要看具体的应用领域。例如制造飞机部件,3D打印更加经济,而对于多数普通产品的大规模生产,传统制造方法仍然优势更多。

中国市场增长最快

记者在同时举行的3D打印展会上看到,来自3D打印上下游相关的研发企业、软件设计企业、制粉企业、设备提供商、服务商等展示了各自的产品和服务案例,既有侧重于使用树脂、塑料等材料的3D打印企业,也有金属3D打印企业,既有偏重工艺品、金属零部件应用的3D打印企业,也有偏重打印牙齿、接骨板等医疗应用的3D打印企业,从纯树脂材料到树脂与金属材料结合,再到纯金属材料的打印产品,均有所展现。

北京太尔时代科技有限公司总裁郭戈告诉《中国电子报》记者,工业领域一直是3D打印技术最早最重要的应用领域,从产品的外形设计到复杂的基础零件的直接制造,很多地方都已经用到了3D打印技术。随着3D打印技术的发展,各个民用领域也开始使用这个技术,比如医疗领域,可以用3D打印技术制造患者的组织器官模型,帮助医生做手术规范;比如时尚领域,越来越多的设计师开始使用3D打印技术制造与众不同的时尚产品,像比基尼、高跟鞋,甚至是整套的服装。

3D打印的产业化最早出现在工业设计、牙科和医疗、航空航天、汽车等领域。世界知名的3D打印公司,多数都有打印牙齿、骨骼或是辅助临床医疗等类型的制造业务,例如美国的Stratasys公司,比利时的Materilise公司等。

3D打印在医疗领域起到了不可估量的作用,可以更好地实现个体化、精准化、微创化和远程化的治疗。上海交通大学数字医学教育部工程研究中心的王成焘教授给记者举了个例子:曾经有1个女患者左腿严重畸形,运用常规的医疗手段无法为她实施矫正手术。医院方面根据实际情况使用了3D图像和打印技术,打印出1︰1的腿部模型供医生研究,从而制定手术方案。手术1个月后,该患者就能下地走路。这种特定医疗案例还有很多,“3D打印技术在医学界给患者带来了更大的收益。”他说。

市场对于3D打印的未来似乎非常看好。据预测,到2025年,3D打印技术潜在的经济影响将达到2300亿美元~2500亿美元。中国电子信息产业发展研究院副院长杨拴昌表示,虽然2012年全球3D打印的产值只有22.04亿美元,但是过去3年,3D打印的市场规模年均增速超过了25%%,而且可能会迎来几何级的爆发性增长。其中中国国内,大约产生了5亿元人民币的销售收入。

中国市场是外企非常看好的市场。Stratasys公司亚太与日本地区总经理Jonathan Jaglom向《中国电子报》记者透露,中国将是3D打印很重要的市场,而且这个想法在不断被证实是正确的。Stratasys公司在全球73个国家都有3D打印产品的销售,而中国市场是这73个国家市场里面增长最快的一个。

尚不能大规模生产

不过,和市场对3D打印火热的关注相比,不得不说的是目前的3D打印还在幼稚期。万钢认为,3D打印还处于初始发展期,涉及到的软件、服务等若干关键技术还有待攻克。

对于3D打印,争议比较多的是它是否会引起生产模式的变化。比如一件复杂产品的设计变成了数据模型,工艺由打印机完成,普通大众不用学习传统的复杂制造工艺,只需要操作电脑就可以生产出产品,这样大工厂的流水线生产模式可能又能回归到原始的家庭作坊。对此,巴特指出,3D打印可以生产的产品实际上还是受限制的,达不到大规模生产的地步,后者仍需要通过传统的集中生产来进行。但是,对一些使用比较少的部件,3D打印应该是一个比较好的方式。

3D打印所起到的作用更多的是个性化生产,而不是大规模制造。“千万不要有3D打印的出现,就有否定传统的制造工艺的想法。对于大规模制造而言,铸造锻造都不可替代,成本上竞争不过,质量上、稳定性上更不用说,所以在现阶段,3D打印是在某些特定情况下使用。”李志强坦言。

李志强认为,发展3D打印技术需要注重全产业链的协调发展,首先是材料的问题必须同步或是提前解决,其次是装备,例如激光器、电子枪的性能还不是很高,设备也不够智能化,对轨迹的控制、熔化的控制还不是那么准确,最后是国产的处理数据的软件也存在或多或少的缺陷。

当前,3D打印处于研究开发和产业化发展并行阶段。杨拴昌建议,推动3D打印快速发展,一是需要加强顶层设计和宏观引导,制定技术路线图,明确产业发展规划;二是将之纳入战略性新兴产业、国家科技重大专项,加快发展;三是凝聚行业力量推进政策和标准制定;四是加强地方引导,希望地方政府能够明确发展重点,避免盲目发展和重复建设。


责任编辑:张汝娟
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