我國增材制造行業進入快速發展階段


盧秉恒

? ??中國工程院院士、西安交通大學教授,是我國3D打印領域最早的研究者之一,也是我國3D打印領域的領軍人物。長期致力于先進制造技術的研究,主要開展增材制造、生物制造、微納制造與電子制造裝備等方面的科研和教學工作。開發了國際首創的紫外光快速成型機及具有國際先進水平的機、光、電一體化快速制造設備和一系列快速模具制造技術,首倡納米壓印研究,在個性化匹配人工骨及生物活性人工骨的研究方面獲得重要突破。2018年2月,盧秉恒院士及其團隊研發的“個體化下頜骨重建假體”獲醫療器械注冊證,這是國內首張個體化定制骨科內植物器械注冊證。

? ? “增材制造對于中國制造而言非常重要,因為中國企業的制造能力很強,但是產品的開發能力嚴重不足,而增材制造可以為我們補足這個短板,它可以用很短的流程對設計進行迭代,做出樣機并進行評價、分析,確定之后再進行生產。”近日,中國工程院院士、西安交通大學教授盧秉恒談到我國增材制造行業發展時表示,增材制造(3D打印)最近幾年發展非常快,年增長率保持在20%~40%。其中,熔融沉積成型技術(FDM)尤其迎合了創客的需要和教育的需要,發展十分迅速。最近較為流行的光固化技術(SLA)也在產品開發中發揮了重要作用。

????創新技術不斷涌現

????“在金屬材料3D打印中,一個最重要的問題就是怎樣提高結構件強度。這就需要我們對3D打印理論進行研究。”盧秉恒表示,無論是鑄造還是鍛壓,學術界一直在研究凝固學理論,但是鑄造和焊接中熔池規模較大,需要在宏觀的體積內來進行冷卻和凝固。而在3D打印中,無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呢?盧秉恒介紹,冷卻速度影響晶粒的大小,同時也影響了結構強度。引用瞬態強非平衡態凝固理論,金屬材料的3D打印凝固時溫度梯度可提高1~2個數量級,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。但現在學術界還沒有能夠完全弄清楚強非平衡態凝固學這一科學問題,對增材制造件的應力分析還處于實驗階段,還不能形成很好的理論來指導這一過程。

????最近幾年,增材制造創新技術不斷涌現,比如面曝光技術,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。再比如一體技術金屬打印,實際上是用光固化的材料加上金屬粉末或陶瓷粉末進行打印,打印以后需要進行脫脂、燒結。

????對大型金屬結構件來說,用絲材進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,該技術可以做到尺寸大于2米、5米甚至是8米。盧秉恒的實驗室團隊目前已經做到2米,且正在嘗試5米、6米的裝備。

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

????功能梯度材料受到重視

????功能梯度材料和復合材料越來越引起3D打印行業的重視。盧秉恒介紹,功能梯度材料(FGM)是指材料的化學構成、微觀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,在增強剛性的同時又減輕重量。目前,這些技術在航空航天領域已經有了重要的用途。

????復合材料的應用也是一個非常重要的方面。例如汽車、飛機和航天設備,都需要在減輕重量的同時保持高強度或高剛度,這時就可用到復合材料。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。纖維復合材料包括長纖維復合材料和短纖維復合材料。長纖維復合材料在車身的制造方面還存在許多技術難關,它在一些表面較展開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現。這時,也可以用短纖維復合材料或樹脂復合材料解決這個問題,達到很好的強度。

????此外,溫度變化時界面會發生什么樣的變化;承載時界面之間的作用力怎樣;3D結構形成的過程與正常工況、溫度環境和其他物理環境不一樣,會不會引起界面內應力的增加而影響性能……這些都是需要進一步研究的問題。

????應用場景呈現高端化趨勢

????3D打印在各種高端制造領域得到了較大發展。

????在航空航天領域,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零件上,應用這個優勢,火箭發動機零件個數可以減少80%,很多焊縫都可以用3D打印來實現,這樣能夠減少焊縫帶來的強度破壞以及其他可能發生的故障。

????在醫療領域,3D打印對于實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,3D打印能夠實現個性化組織再生和修復。目前,3D打印在醫療器械制造和專業醫療輔助器械方面的應用發展較為成熟。3D打印技術較為典型的醫療應用包括構建手術規劃模型、醫療培訓教學、手術導板、3D打印植入物以及假肢、助聽器等康復醫療器械。醫療器械領域可以充分發揮3D打印特性化的特點。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,“個體化下頜骨重建假體”獲得國內首張個體化定制骨科內植物器械注冊證。

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

????盧秉恒認為,目前,我國3D打印在應用領域進展良好,但是在原創的裝備、原創的技術方面與發達國家相比仍有較大差距,希望能夠通過多學科交叉,包括材料領域、信息領域、生物醫療領域的交叉來推動3D打印技術的創新。

????3D打印未來發展趨勢

????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,從宏觀到微納,從制造到創造,從地球到太空以及如何多學科交叉推動技術創新等多方面。

????“微納結構增材制造工藝與裝備”被科技部列為重大共性關鍵技術類項目,目標是以微機電系統、傳感器、微納光學、精密醫療器件等為應用對象,開展器件制造應用實驗,形成具有重大應用前景的新型功能器件原型,實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,在微電子工業制造領域可能需要上百萬件,但是在某些定制化領域,只需要少量、多批度的傳感器,這時3D打印就能發揮重要作用。3D打印具有能夠制造復雜形狀的優勢,它可以對產品結構進行改造、進行再設計,使很多零件結合成一個零件。

????盧秉恒認為,未來,3D打印的發展趨勢集中在以下幾方面:

????第一,3D打印產業將逐漸成為各行各業產品開發的利器。今后5~10年,也許各個領域都會用3D打印技術開發自己的產品和裝備。

????第二,從批量生產走向個性化定制。制造業目前是大批量生產,而要發展個性化定制,增材制造將發揮非常重要的作用。目前,國家藥品監管部門非常重視定制式增材制造醫療器械的發展,已經對《定制式增材制造醫療器械注冊技術審查指導原則(征求意見稿)》進行了多次研討。在個人消費品領域,海爾集團等公司也在嘗試通過設計師和用戶的網絡交互來進行個性化產品的設計。

????第三,大型企業跨界介入,促進行業發展。例如GE公司,用3D打印技術革新了汽車發動機的零件。他們還專門成立了增材制造公司,并投入大量資金來進行研發活動。

????第四,標準研究引領發展。目前,3D打印行業中標準不夠完善是制約發展的一個因素,目前很多低端、高端產品混在一起,用戶辨識不清,發展中出現了“劣幣驅逐良幣”、同質化、低價位競爭等現象。標準的完善必須引起有關部門的高度重視。

????盧秉恒描畫了增材制造發展的路線圖——在技術發展方面,從3D走向4D,從4D走向5D,所謂5D就是生命可降解組織和發展因子聯合,打印出來的器械能夠成就器官再創技術,如人工心臟、人工肝臟;在應用發展方面,逐步從20世紀的產品原型走向3D打印開發,再走向批量生產;在成型材料方面,從樹脂發展到金屬材料、復合材料,再到生物活性材料;在產業發展方面,從裝備發展到各個領域,再發展到尖端科技;在參與者方面,正在從科技界走向企業界,金融機構也在嘗試應用3D打印技術,將來會有越來越多的創客用3D打印技術完成他們的奇思妙想。

????相關鏈接

????3D打印主流技術

????SLA(光固化技術) 利用激光掃描,使液態光敏樹脂固化。這是最早發明出來的3D打印技術,已廣泛應用于設計驗證。

????SLS(選擇性激光燒結) 是一種將非金屬(或普通金屬)粉末分層鋪設,激光在程序控制下選擇區域掃描燒結成三維物體的工藝。用于飛機、航空航天零件的制造以及精密件的制造,包括飛機的格柵、牙科的修復、顱骨的修復等。

????SLM  是在送粉中實現激光融化和燒結,類似堆焊,制造件更加致密、強度達到鍛件水平,可用于制造大型結構件、承載件。

????FDM(熔融堆積法) 將熱塑性絲狀材料加熱從小孔擠出,將絲材熔化堆積成型。適合于教育或者創客設計驗證。大尺寸FDM裝備可用于汽車和無人機的制造。

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