卢秉恒:我国3D打印行业进入快速发展阶段

  • 日期:07-13
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“增材制造对中国制造业来说非常重要,因为中国企业具有强大的制造能力,但产品开发能力严重不足,而增材制造可以弥补这一缺陷。它可以用很短的过程设计。迭代地,制作原型并进行评估,分析,然后确定生产。“最近,中国工程院院士,西安交通大学教授卢秉衡表示,中国增材制造业的发展表明,添加剂制造业(3D打印)最近年度发展非常快,年增长率保持在20%至40%。其中,熔融沉积建模技术(FDM)特别适应制造商的需求和教育需求,并且发展非常迅速。最近流行的光固化技术(SLA)在产品开发中也发挥了重要作用。

创新技术不断涌现

“在金属3D打印中,最重要的问题之一是如何提高结构件的强度。这需要我们研究3D打印理论。”陆秉衡说,无论是铸造还是锻造,学术界一直在研究凝固理论。然而,铸造和焊接中的熔池尺寸大,需要在宏观体积中冷却和固化。在3D打印中,无论是激光束还是电子束,熔池都相对较小。理论上,由小熔池产生的缺陷必须很小,因此可以提高材料结构的强度。但是你如何控制一些谷物的生长?陆秉衡介绍说,冷却速度会影响晶粒尺寸,也会影响结构强度。参照瞬态强非平衡凝固理论,固化后金属材料的温度梯度可提高1~2个数量级,晶粒细化,材料性能得到改善。 3D打印的结构性能比铸造好得多,而且很多都相当于锻件。但是现在学术界还没有完全理解强非平衡凝血的科学问题。增材制造零件的应力分析仍处于试验阶段,不能形成一个很好的理论来指导这一过程。

近年来,出现了用于增材制造的创新技术。例如,表面曝光技术,应用光固化原理,材料可以像拉丝一样快速形成,效率提高50倍至100倍。另一个例子是单件式金属印刷,实际上是用光固化材料加金属粉末或陶瓷粉末印刷,需要在印刷后脱脂和烧结。

对于大型金属结构部件,使用电线进行熔化和堆叠可能更好。能量源可以是激光,电子束或电弧,就像传统的电焊一样。目前,该技术可制成大于2米,5米甚至8米。陆秉衡的实验室团队目前是2米,正在尝试5米,6米的设备。

事实上,许多传统制造技术可以与3D打印技术相结合。例如,使用层堆叠概念的铸造技术使用薄的铸造层来形成新的3D打印技术。陆秉衡团队的一项专利是在每层铸件中使用锻造,以增加结构材料的强度和密度,从而提高性能。他们进行了大量的堆焊实验,并认为这是一种有效的大型结构件制造方法,每小时可达到5公斤甚至10公斤。

功能分级的材料很有价值

功能梯度材料和复合材料越来越受到3D打印行业的关注。陆秉衡介绍,功能梯度材料(FGM)是指材料的化学成分,微观结构和原子排列,从一侧到另一侧,具有连续的梯度,使材料的性质和功能在梯度上连续变化。分层材料,不同材料印刷在不同层上,可以实现表面耐磨,耐腐蚀,强度高,内部韧性好,内部是松散的蜂窝结构,像人体的骨骼,在刚性的同时减少重量。目前,这些技术已经在航空航天工业中发挥了重要作用。

复合材料的应用也是一个非常重要的方面。例如,汽车,飞机和航空航天设备需要高强度或高刚度,同时减轻重量,并且可获得复合材料。该纤维复合材料具有比强度高,比模量大,热稳定性好,设计性好,重量轻的特点。纤维复合材料包括长纤维复合材料和短纤维复合材料。长纤维复合材料在制造身体方面仍然存在许多技术难题。在具有更加发达的表面的一些表面上更容易制造,但是在具有大曲面的不平坦结构中更难以实现。此时,还可以用短纤维复合材料或树脂复合材料解决该问题,以获得良好的强度。

另外,当温度变化时,界面会发生什么样的变化;进行负载时接口之间的交互是什么;形成三维结构的过程不同于正常的工作条件,温度环境和其他物理环境,并会引起界面的内应力。增加影响性能.这些是需要进一步研究的问题。

应用场景呈现高端趋势

3D打印在各种高端制造领域得到了极大的发展。

在航空航天工业中,由于3D打印具有对复杂形状零件的适应性,因此可以将许多零件集成为一个零件。凭借这一优势,火箭发动机零件的数量可减少80%,并且许多焊缝可以3D打印。这是通过减少焊接引起的强度损坏和其他可能的故障来实现的。

在医学领域,3D打印在实现精准医学方面具有广阔的应用前景。从图像诊断,3D数据设计,骨骼结构打印到临床手术,3D打印可实现个性化的组织再生和修复。目前,3D打印在医疗器械制造和专业医疗辅助设备中的应用相对成熟。 3D打印技术的典型医疗应用包括手术计划模型的构建,医疗培训教学,手术指导,3D打印植入物以及诸如假肢和助听器的康复医疗装置。医疗器械领域可以充分利用3D打印的特点。 2000年,陆秉衡团队对下额骨的特征性更换进行了3D打印测试。 2018年2月,“个性化下颌骨重建假体”获得了中国首个个性化定制骨科植物器械注册证书。

3D打印也用于建筑领域。目前,低层建筑正在变得更加成熟和更广泛地使用。高层建筑仍然存在一些困难,需要通过材料和材料印刷工艺的发展来改进。

陆秉恒认为,目前中国的3D打印在应用领域取得了长足的进步,但与发达国家相比,原始设备与原有技术仍存在较大差距。希望它可以被多个学科跨越,包括材料,信息领域和生物学。医疗领域的交叉正在推动3D打印技术的创新。

3D打印未来趋势

陆秉衡指出,3D打印面临的挑战主要包括从形状控制到控制,从宏观到微纳米,从制造到创造,从地球到太空,以及如何多学科推动技术创新。

“微纳结构增材制造工艺和设备”已被科技部列为重点共通关键技术项目。目标是使用MEMS,传感器,微纳光学,精密医疗设备等作为应用目标来进行器件制造应用实验。形成了具有很好应用前景的新型功能器件原型,集成和制造了具有微纳特征的三维结构和功能。目前,智能制造需要大量传感器,并且在微电子制造领域可能需要数百万个部件。但是,在某些自定义领域中,只需要少量批量传感器,3D打印可以发挥重要作用。 3D打印的优点是能够制作复杂的形状,可以对其进行修改和重新设计,以将多个部件组合成一个部件。

陆秉恒认为,未来3D打印的发展趋势主要集中在以下几个方面:

首先,3D打印行业将逐步成为各行各业产品开发的工具。在未来5到10年内,也许每个领域都将使用3D打印技术开发自己的产品和设备。

其次,从批量生产到个性化定制。制造业目前正在大规模生产,并且要发展个性化定制,增材制造将发挥非常重要的作用。目前,国家药品监督管理部门高度重视定制添加剂制造医疗器械的发展,并就《定制式增材制造医疗器械注册技术审查指导原则(征求意见稿)》进行了多次讨论。在消费品领域,海尔集团等公司也在努力通过设计师和用户之间的网络互动来设计个性化产品。

三是大企业跨境干预,促进行业发展。例如,GE通过3D打印技术彻底改变了汽车发动机部件。他们还成立了一家增材制造公司,并在研发活动上投入了大量资金。

第四,标准研究引领发展。目前,3D打印行业缺乏标准是制约发展的一个因素。目前,许多低端和高端产品混合在一起,用户不清楚。在发展中,“坏钱驱逐好钱”,同质化,低价竞争等现象。有关部门必须高度重视标准的提高。

陆秉衡描绘了增材制造发展的路线图。在技术发展方面,从3D到4D,从4D到5D,所谓的5D是可生物降解组织和发育因素的结合,印刷设备可以实现器官再造技术,如人工心脏,人工肝;在应用开发中,逐步从20世纪的产品原型转向3D打印开发,再到批量生产;在成型材料方面,从树脂开发到金属材料,复合材料,再到生物活性材料;在工业发展方面,从设备开发到各个领域,再到尖端技术;在参与者方面,从科技界到企业界,金融机构也在尝试应用3D打印技术,未来将会有越来越多的制造商。使用3D打印技术来完成他们的奇思妙想。 (王静)

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相关链接:陆秉衡

中国工程院院士,西安交通大学教授是中国最早的3D打印领域研究者之一,也是中国3D打印领域的领军人物。长期致力于先进制造技术研究,主要从事增材制造,生物制造,微纳制造和电子制造设备的研究和教学。开发出世界上第一台紫外线快速成型机和国际先进水平的机器,光电一体化快速制造设备和一系列快速模具制造技术,首创纳米压印研究,个性化配套人造骨和生物活性人工重要突破在骨骼的研究中做出的。 2018年2月,陆秉衡院士及其团队开发了“个性化下颌骨重建假体”,获得了医疗器械注册证书,这是中国首个个性化定制骨科植物器械注册证书。

相关链接:3D打印主流技术

SLA(光固化技术)通过激光扫描固化液态光敏树脂。这是第一个发明的3D打印技术,并已广泛用于设计验证。

SLS(选择性激光烧结)是一种将非金属(或普通金属)粉末分层并选择激光以在程序控制下扫描并形成三维物体的过程。用于制造飞机,航空航天零件以及精密零件的制造,包括飞机格栅,牙科修复和颅骨修复。

SLM用于粉末进料中的激光熔化和烧结。与表面处理类似,零件更紧凑,强度达到锻造水平。它可用于制造大型结构件和轴承零件。

FDM(熔融堆叠方法)将热塑性长丝材料加热并从小孔中挤出以熔化并沉积金属丝。适合教育或制造商设计验证。大型FDM设备可用于制造汽车和无人机。

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