經(jīng)過7月8-10日三天的精彩展期,第六屆亞洲3D打印、增材制造展覽會TCTASIA2020,終于在上海新國際博覽中心落下帷幕。
在TCT亞洲展舉辦的同期,TCT科技講臺與亞洲峰會,也如約和觀眾見面。來自上汽大眾、東風(fēng)汽車、一汽大眾、空中客車和成立航空等眾多OEM廠商以及來自復(fù)旦大學(xué)、空軍工程大學(xué)和中國航空制造技術(shù)研究院的專家們分別從應(yīng)用和學(xué)術(shù)等不同方向為觀眾介紹了增材制造在不同領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的問題。
沈衛(wèi)東 車身研發(fā)高級總監(jiān), 教授級高級工程師, 上汽大眾汽車有限公司
3D打印技術(shù)起源于上世紀(jì)80年代末,它的出現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)的制造技術(shù)。由于其集概念設(shè)計、技術(shù)驗證與小批量制造于一體,為縮短汽車設(shè)計研發(fā)的后期,提高新產(chǎn)品的成熟度,快速推出新車型,降低產(chǎn)品開發(fā)成本和全新設(shè)計理念的汽車研發(fā)提供了高附加值的可能。
目前在汽車制造領(lǐng)域,3D打印技術(shù)可用于:前端產(chǎn)品研發(fā),工裝的夾具、檢具制造和個性化定制和改裝。
造型是產(chǎn)品研發(fā)最前端的環(huán)節(jié),傳統(tǒng)的造型模型有一個缺點,那就是與實車效果相去甚遠(yuǎn),這導(dǎo)致造型的效果大打折扣。使用3D打印技術(shù),保證了造型模型可以做到和實車一模一樣,從而更好地評判造型效果,確定造型方案。
另外,3D打印技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)中還被大量運(yùn)用于零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)驗證。一個簡單的例子——汽車座椅,如何既舒適又保證強(qiáng)度?我們在前期做好一個方案之后,馬上通過3D打印技術(shù)做一個樣品,通過樣品來評價。這樣的結(jié)果是模具工裝的投入降低,同時把制造的時間縮短70%,還能減重15%,優(yōu)化的設(shè)計更是提高了產(chǎn)品的成熟度。
3D打印技術(shù)也在顛覆車身設(shè)計的思維。比如說在傳統(tǒng)的制造工藝下,一些圓角是沒法做出來的,但是3D打印技術(shù)就可以完美地解決這些問題。一些以前制造所不敢想象的毛坯件,還有輕質(zhì)材料都可以用3D打印來替代傳統(tǒng)工藝來解決。
3D打印用于工裝夾具和檢具的制造。我們長沙的總裝工廠就曾經(jīng)碰到一個問題,怎么快速去控制平整度?這個時候用傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量機(jī)是無法完成的,我們就想到了用3D打印技術(shù)做幾個快速的非標(biāo)檢具,很快就解決了問題??梢哉f,只要掌握3D打印這門技術(shù),就可以把它應(yīng)用在各個方面,不一定是產(chǎn)品研發(fā),還可以用在制造部,甚至還可以用在設(shè)備維修方面。
3D打印技術(shù)用于個性化定制。比如說打印一些的客戶喜歡小玩具放在儀表盤內(nèi),只要零件不是安全件,都可以做,從接受客戶的訂單到交貨一般都能在一周內(nèi)完成。
對于有興趣嘗試3D打印技術(shù)的汽車制造商來說,如何實現(xiàn)增材制造從概念到可以被安裝在實車上的一個個零件的進(jìn)程?這里我們可以參考戴姆勒的三步走的策略。第一步是在一個龐大的零件的數(shù)據(jù)庫里面,分析、找到適合于3D打印的零部件;第二步是概念驗證,驗證篩選出來這些零件,在經(jīng)濟(jì)性以及技術(shù)方面是不是可行?第三步就是利用3D打印來實現(xiàn)數(shù)字化的零部件生產(chǎn)。
綜上所述,現(xiàn)在通過3D打印技術(shù),我們可以實現(xiàn)汽車工業(yè)的高附加值的應(yīng)用,關(guān)鍵是我們一定要學(xué)會怎么去利用這樣一個先進(jìn)的技術(shù)。
陳剛教授,復(fù)旦大學(xué)
隨著技術(shù)的發(fā)展,近年來3D打印技術(shù)在醫(yī)療器械領(lǐng)域已獲得應(yīng)用上的突破。這主要是因為個性化醫(yī)療需求日益顯著,而在市場上鮮有標(biāo)準(zhǔn)化量產(chǎn)產(chǎn)品,而3D打印體現(xiàn)出來的個性化、小批量和高精度正好滿足了這一需求。
目前3D打印在生物醫(yī)藥中的應(yīng)用主要有:骨科、齒科、器官和組織以及生物傳感器幾個領(lǐng)域。其中,骨科和齒科已經(jīng)是3D打印發(fā)展較為成熟的兩個領(lǐng)域。
3D打印解剖模型在骨科手術(shù)的使用已被廣泛證明是有益的。在脊柱手術(shù)治療中,最重要的是準(zhǔn)確置釘,減少手術(shù)并發(fā)癥,頸椎的椎弓根細(xì)小,置釘難度大,手術(shù)過程易出現(xiàn)并發(fā)癥,而3D打印的導(dǎo)板能有效解決上述問題。導(dǎo)向器輔助下的椎弓根定位準(zhǔn)確,使用方便,可減少螺釘?shù)钠x。在脊柱側(cè)彎的手術(shù)中,3D打印機(jī)可視化技術(shù)更能直接測量畸形的角度,分析螺釘植入的最佳方案。
對于骨科植入物來說,模仿骨骼的特性使其在體內(nèi)的利用率最大化非常重要,而3D打印的金屬細(xì)胞支架如下的特性是模仿骨骼性能成為可能:具有生物相容性能使支架上的細(xì)胞自然生長,在植入?yún)^(qū)域與現(xiàn)有的組織具有機(jī)制相似性、有適當(dāng)?shù)目紫堵式o細(xì)胞提供適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)以及廢物的傳輸通道、擁有能吸引細(xì)胞附著及在其表面生長的表面形態(tài)。
齒科3D數(shù)字化解決方案利用模型及口內(nèi)3D掃描技術(shù)采集數(shù)據(jù),通過齒科CAD軟件輸出設(shè)計,最終通過光固化3D打印技術(shù)生產(chǎn)工作模型、正畸模型、種植模型、種植導(dǎo)板、蠟型冠橋、支架等,或利用金屬3D打印直接打印金屬冠橋和支架,制作固定活動的修復(fù)體。
毫無疑問,3D打印技術(shù)給齒科帶來了更高精度、更低價格的產(chǎn)品。但也應(yīng)該看到,打印材料是在牙科領(lǐng)域推廣應(yīng)用的瓶頸。目前在牙科市場上應(yīng)用最為廣泛的制造材料有以下幾種:陶瓷、鈷鎘合金、樹脂、氧化鋯、鈦合金等。目前仍未有和人體牙齒各項性能均匹配的材料,未來或許在材料的探索中仍存在潛力。
人體器官的壞死和病變等引發(fā)的器官移植一直是臨床的一大難題。一方面,找到合適的捐獻(xiàn)器官并不容易;另一方面,來自不同個體的器官容易引發(fā)不同程度的排斥反應(yīng),最終導(dǎo)致植入失敗。因此,人工制造復(fù)合需求的人體組織器官是臨床亟待突破的問題;以特定組織的功能細(xì)胞或多功能干細(xì)胞結(jié)合定向分化誘導(dǎo)因子作為“墨水”,打印出一層細(xì)胞組織結(jié)構(gòu),隨后采用3D成型技術(shù)進(jìn)行制造,層層疊加,最后形成立體的細(xì)胞組織架構(gòu),也就是臨床所需的人工組織和器官。
生物傳感器簡單來說,就是將生物敏感物質(zhì)的濃度轉(zhuǎn)化為電信號的一種檢測儀器。它能實現(xiàn)對人體內(nèi)一些生物活性物質(zhì),如酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、核酸等的“即時檢測”(POCT)。
未來十年,生物傳感器的發(fā)展不再是像智能手表或者健身手環(huán)那樣,而是通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)的個性化需求。常用的生物傳感器3D打印技術(shù)包括擠出、光固化打印及噴墨打印。
周鑫副教授,空軍工程大學(xué)
對于大國空軍來說,單個基地動輒數(shù)千架飛機(jī),老型號、小批量或引進(jìn)裝備的保障成為一大難題。無論美國、俄羅斯還是中國空軍,都面臨著配件/備件短缺、傳統(tǒng)制造成本過高等問題。而針對這一系列問題,快速反應(yīng)的增材制造技術(shù)幾乎是最優(yōu)選擇。
但是,應(yīng)當(dāng)看到,任何高科技的產(chǎn)品/技術(shù)在使用、發(fā)展到一定階段后都會面臨一個死亡陷阱。如果它不能得到大眾的接受以及進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,那么它很有可能就會面臨著“死亡”的命運(yùn)。
而增材制造現(xiàn)在正面臨著這樣的命運(yùn):
首先,增材制造的核心技術(shù)有待突破。增材制造的核心包括原材料、制造設(shè)備、設(shè)計和工藝軟件。
①原材料主要有:金屬粉末、液態(tài)光敏樹脂、高分子顆粒等,不僅種類有限,且制造的精度、復(fù)雜性、強(qiáng)度都亟需提高,目前國內(nèi)使用的高端原材料都只能依賴進(jìn)口;
②制造設(shè)備的關(guān)鍵器件,如激光器、掃描振鏡、噴頭、精密光學(xué)器件等大部分都來自進(jìn)口;
③制造設(shè)備的性能也有待提高,尤其在精度、速度和效率穩(wěn)定性方面;
④目前主流的設(shè)計軟件(如SolidWorks、UG、ProE、AutoCAD)和工藝軟件(如Magics和Minics)基本由國外壟斷。這些因素導(dǎo)致目前增材制造應(yīng)用價格昂貴。
其次,相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系不健全。增次制造技術(shù)發(fā)展迅速,然而已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)卻非常有限。由于沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,即使用同一個三維模型,不同生產(chǎn)商設(shè)備制造的產(chǎn)品都不盡相同,這使得該技術(shù)的大范圍推廣使用受到了制約。
再次,材料和產(chǎn)品性能有待認(rèn)證或鑒定。增材制造技術(shù)作為一項新技術(shù),其產(chǎn)品性能、質(zhì)量、精度、可靠性等方面都備受質(zhì)疑,即使是同一臺設(shè)備在不同環(huán)境下打印出的不同批次的產(chǎn)品都有可能存在差異。3D打印技術(shù)的可重復(fù)性和環(huán)境適應(yīng)性都有待進(jìn)一步提升。
最后,增材制造技術(shù)數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)未建立。增材制造是建立在三維建模基礎(chǔ)上的,每個產(chǎn)品都有對應(yīng)的三維模型數(shù)據(jù)。要實現(xiàn)裝備現(xiàn)場的快速維修,需要有相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫支撐。這個數(shù)據(jù)庫需要裝備、研、產(chǎn)等多方支持,而航空裝備的種類很多,零配件型號各異,建立數(shù)據(jù)庫的工作量并非一朝一夕可以完成。
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