增材制造(Additive Manufacturing,AM)技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù),相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)技術(shù),是一種“自下而上”材料累加的制造方法。自20世紀(jì)80年代末增材制造技術(shù)逐步發(fā)展,期間也被稱為“材料累加制造”、“快速原型”、“分層制造”、“實(shí)體自由制造”、“3D打印技術(shù)”。名稱各異的叫法分別從不同側(cè)面表達(dá)了該制造技術(shù)的特點(diǎn)。
狹義的增材制造技術(shù)是指當(dāng)前出現(xiàn)的3D打印技術(shù)或者快速成型技術(shù)等。廣義的增材制造技術(shù),則以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),將材料(包括液體、粉材、線材或塊材等)自動(dòng)化地累加起來成為實(shí)體結(jié)構(gòu)的制造方法。
增材制造技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序,利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在一臺(tái)設(shè)備上可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件,從而實(shí)現(xiàn)“自由制造”,解決許多過去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形,并大大減少了加工工序,縮短了加工周期。越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品,其制造的速度優(yōu)勢(shì)越顯著。近年來,增材制造技術(shù)取得了快速的發(fā)展。增材制造原理與不同的材料和工藝結(jié)合形成了許多增材制造設(shè)備。
根據(jù)3D打印所用材料的狀態(tài)及成形方法,3D打印技術(shù)可以分為熔融沉積成形、光固化立體成形、分層實(shí)體制造、電子束選區(qū)熔化、激光選區(qū)熔化、金屬激光熔融沉積、電子束熔絲沉積成形。現(xiàn)將目前增材制造技術(shù)不同分類的主要技術(shù)原理和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行列表整理,如表1所示。
表1 增材制造技術(shù)的分類及特點(diǎn)
技術(shù)名稱 |
技術(shù)原理 |
技術(shù)特點(diǎn) |
1. 熔融沉積成形 Fused Deposition Modeling, FDM |
以絲狀的PLA、ABS等熱塑性材料為原料,通過加工頭的加熱擠壓,在計(jì)算機(jī)控制下逐層堆積,得到成形的立體零件。 |
最常見的3D打印技術(shù),技術(shù)成熟度高,成本較低,可以進(jìn)行彩色打印。 |
2. 光固化立體成形 Stereo Lithography Apparatus, SLA |
利用紫外激光逐層掃描液態(tài)的光敏聚合物(如丙稀酸樹脂、環(huán)氧樹脂等),實(shí)現(xiàn)液態(tài)材料的固化,逐漸堆積成形。 |
可制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件,零件精度及材料利用率高,缺點(diǎn)是可成形的材料種類少,工藝成本高。 |
3. 分層實(shí)體制造 Laminated Object Manufacturing, LOM |
以薄片材料為原料,如紙、金屬箔、塑料薄膜,在材料表面涂覆熱熔膠,再根據(jù)每層截面形狀進(jìn)行切割粘貼,實(shí)現(xiàn)零件的立體成形。 |
速度較快,可以成形大尺寸的零件,但材料浪費(fèi)嚴(yán)重,表面質(zhì)量差。 |
4. 電子束選區(qū)熔化 Electron Beam Melting, EBM |
在真空環(huán)境下以電子束為熱源,以金屬粉末為成形材料,通過不斷在粉末床上鋪展金屬粉末然后用電子束掃描熔化,使一個(gè)個(gè)小的熔池相互熔合并凝固,這樣不斷進(jìn)行形成一個(gè)完整的金屬零件實(shí)體。 |
可成形出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)良的金屬零件,但成形尺寸受到粉末床和真空室的限制。 |
5. 激光選區(qū)熔化 Selective Laser Melting, SLM |
該技術(shù)原理與電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)相似,基于粉末床的鋪粉成形技術(shù),熱源由電子束換成了激光束。 |
可成形出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)異、表面質(zhì)量良好的金屬零件,但目前無法成形出大尺寸的零件。 |
6. 金屬激光熔融沉積 Laster Direct Melting Deposition, LDMD |
以激光束為熱源,通過自動(dòng)送粉裝置將金屬粉末同步、精確的送入激光在成形表面上所形成熔池中。隨著激光斑點(diǎn)的移動(dòng),粉末不斷地送入熔池中熔化然后凝固,得到所需形狀。 |
可成形大尺寸的金屬零件,但是無法成形結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的零件。 |
7. 電子束熔絲沉積成形 Electron Beam Freeform Fabrication, EBF |
在真空環(huán)境中,以電子束為熱源,金屬絲材為成形材料,通過送絲裝置將金屬絲送入熔池并按設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng),直到制造出目標(biāo)零件或毛坯。 |
方法效率高,成形零件內(nèi)部質(zhì)量好,但成形精度及表面質(zhì)量差,且不適用于塑性較差的材料,因無法加工成絲材。 |
8. 氣相沉積成型 P/CVD |
物理氣相沉積(PVD)在真空條件下,將材料源--固體或液體表面汽化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子,并通過低壓氣體或等離子體,在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術(shù),主要方法有真空蒸鍍、濺射鍍膜、電弧等離子體鍍、離子鍍、分子束外延。 |
工藝過程簡(jiǎn)單,無污染,耗材少,成膜均勻致密,與基體的結(jié)合力強(qiáng)。 |
化學(xué)氣相沉積(CVD)把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或液態(tài)反應(yīng)器的蒸汽及反應(yīng)所需的其他氣體引入反應(yīng)室,在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜的生長(zhǎng)過程。 |
可制作金屬、非金屬及多成分合金薄膜;成膜速度快,同時(shí)制作多工件的均勻鍍層;純度高,致密性好,殘余應(yīng)力小,薄膜結(jié)晶良好。 |
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9. 堆焊成型 Overlay Welding, OW |
利用高頻電火花放電原理,對(duì)工件進(jìn)行無熱堆焊,修補(bǔ)金屬工件的表面缺陷與磨損,能保證工件的完好性。 |
冷堆焊設(shè)備對(duì)金屬工件修補(bǔ)后不變形、不退火、溶解強(qiáng)度高、耐磨性好,常用于精密鑄件的修復(fù)及表面強(qiáng)化。 |
10. 電鑄成型 |
把預(yù)先按所需形狀制成的電鑄模作為陰極,用電鑄材料作為陽極,放入與陽極材料相同的金屬鹽溶液中,通以直流電。在電解作用下,電鑄模表面逐漸沉積出金屬電鑄層,達(dá)到所需的厚度后從溶液中取出,將電鑄層與原模分離,得到與原模形狀相對(duì)應(yīng)的金屬?gòu)?fù)制件。 |
準(zhǔn)確復(fù)制出芯模的表面形貌,可將難以甚至不能進(jìn)行的內(nèi)型面加工轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀走M(jìn)行的外形面加工,提高加工零件的精度,容易得到符合多層結(jié)構(gòu)。 |
11. 微粒懸浮噴射成型 Aerosol Jet Technology, AJT |
將液體材料霧化后,通過惰性氣體送到端部的沉積頭,然后霧化的材料流被沉積處的環(huán)形氣體聚集沉積,高速噴射到基體表面,實(shí)現(xiàn)印刷成型。 |
可實(shí)現(xiàn)微細(xì)的電子及生物醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)的印刷成型。 |
增材制造產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)铸嫶?,覆蓋整個(gè)制造業(yè),從結(jié)構(gòu)上可以分為上游產(chǎn)業(yè)、中游產(chǎn)業(yè)和下游產(chǎn)業(yè),如圖1所示。
圖 1 增材制造產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)
2.1 上游產(chǎn)業(yè)
主要是指3D打印前處理模塊產(chǎn)業(yè),以3D模型設(shè)計(jì)軟件公司和3D模型掃描設(shè)備公司為主。3D模型設(shè)計(jì)軟件公司的主要代表有因Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件(后更名為Creo)而聞名的美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司(PTC)和主營(yíng)產(chǎn)品為UG的德國(guó)西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)(A&D)。3D模型掃描設(shè)備公司的典型代表有主要產(chǎn)品為便攜式3D掃描儀的加拿大Creaform公司和非接觸式激光掃描器制造經(jīng)銷商美國(guó)3D Digital公司。
2.2 中游產(chǎn)業(yè)
主要由裝備生產(chǎn)商和材料生產(chǎn)商兩類公司構(gòu)成,公司主要集中在美國(guó)和歐洲,代表了3D打印技術(shù)的最高水平。美國(guó)3D systems公司是全球最大、成立最早的增材制造裝備生產(chǎn)公司,其專利技術(shù)保證了在其在全球市場(chǎng)占有穩(wěn)定份額;美國(guó)Stratasys公司,全球第二大增材制造裝備生產(chǎn)公司,其三維打印機(jī)產(chǎn)品種類豐富,覆蓋生產(chǎn)制造各個(gè)流程;德國(guó)EOS GmbH公司,全球領(lǐng)先的SLS/SLM生產(chǎn)公司,主要產(chǎn)品包括燒結(jié)塑料粉材的SLS系統(tǒng)成形機(jī)、燒結(jié)金屬粉材的SLM系統(tǒng)成形機(jī);德國(guó)的Concept Laser公司在激光熔化技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位,該公司擁有激光熔化技術(shù)專利,主要產(chǎn)品是X系列1000R工業(yè)級(jí)3D打印平臺(tái),該產(chǎn)品的構(gòu)建尺寸在激光融熔金屬3D打印領(lǐng)域中是最大的,可用于汽車和航空工業(yè)大尺寸部件的快速制造。
圖2 ASA 熱塑性塑料應(yīng)用于3D打印*
此外,還有一些專業(yè)增材制造材料生產(chǎn)商,如:美國(guó)Huntsman Corporation公司,主要生產(chǎn)SLA成形材料;瑞典Sandvik集團(tuán),其金屬粉末材料產(chǎn)品在增材制造金屬粉末全球市場(chǎng),尤其是在中國(guó)市場(chǎng),已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)裝備制造、航空航天等重要領(lǐng)域;加拿大Raymor公司,通過獨(dú)特的等離子霧化工藝,制備出金屬球型鈦粉和鈦合金粉末,適用于激光沉積、快速成型、熱等靜壓、涂層等。
2.3 下游產(chǎn)業(yè)
主要是指運(yùn)用增材制造技術(shù)的服務(wù)商和客戶群體。一般而言,國(guó)外裝備生產(chǎn)商都能夠提供加工服務(wù),但都不作為其主營(yíng)業(yè)務(wù)。相反,國(guó)內(nèi)一些設(shè)備代理商,因?yàn)闊o法推銷出設(shè)備而進(jìn)入了服務(wù)領(lǐng)域。
增材制造技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種加工技術(shù),如同機(jī)床一樣最終會(huì)全面滲透到各行各業(yè),一些企業(yè)已經(jīng)購(gòu)置了設(shè)備進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)工作,所涉領(lǐng)域包括汽車、電子、能源、生命科學(xué)、航空航天、國(guó)防制造等在內(nèi)的多個(gè)重要領(lǐng)域。
3.1 產(chǎn)業(yè)發(fā)展初具規(guī)模
據(jù)中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì),2016年我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)80億元,產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)較快增長(zhǎng),涌現(xiàn)出杭州先臨三維、西安鉑力特、湖南華曙、北京鑫精合、青島三迪時(shí)空等具有一定競(jìng)爭(zhēng)力的裝備制造和服務(wù)企業(yè),以及渭南高新區(qū)3D打印產(chǎn)業(yè)培育基地、安徽春谷3D打印智能裝備產(chǎn)業(yè)園等產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。目前,北京、陜西、廣東、湖北、上海等地基本形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、專用材料、關(guān)鍵器件、裝備、工業(yè)應(yīng)用等相關(guān)環(huán)節(jié)的較為完整產(chǎn)業(yè)鏈條,產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展勢(shì)頭良好。據(jù)統(tǒng)計(jì),2016年,廣東省從事增材制造業(yè)務(wù)的企業(yè)超過400家,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值近37億元。其中,2016年,陜西省增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過10億元。北京市從事增材制造技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)與服務(wù)的企業(yè)達(dá)70家以上,2016年實(shí)現(xiàn)銷售收入約5億元。
3.2工藝技術(shù)不斷突破
我國(guó)增材制造的工藝技術(shù)水平加速提升,一批工藝裝備、關(guān)鍵零部件、軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)突破。如西安鉑力特激光成形技術(shù)公司研發(fā)的激光選區(qū)熔化裝備,在鋪粉效率、定位精度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。湖南華曙高公司已開發(fā)出全球首款開源一體化工業(yè)級(jí)3D打印智能控制系統(tǒng)。易博三維研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)微型金屬桌面增材制造裝備。江蘇永年激光通過與激光器生產(chǎn)企業(yè)武漢銳科合作,共同推動(dòng)國(guó)產(chǎn)大中功率激光器在增材制造的推廣和應(yīng)用。華中科技大學(xué)研發(fā)的“智能微鑄鍛一體化”金屬增材制造技術(shù),產(chǎn)品的部分技術(shù)指標(biāo)和性能均超過傳統(tǒng)鑄件的性能。佛山峰華卓立新開發(fā)出了陣列噴嘴全自動(dòng)砂型增材制造機(jī),用其打印的砂型各項(xiàng)參數(shù)接近國(guó)外先進(jìn)水平。中航邁特研發(fā)的真空感應(yīng)氣霧化制粉爐突破國(guó)外技術(shù)封鎖,且形成年產(chǎn)10臺(tái)(套)的制備能力。
3.3 高校院所擁有一批高水平研發(fā)團(tuán)隊(duì)
我國(guó)高校和科研機(jī)構(gòu)在增材制造技術(shù)領(lǐng)域的研究起步較早,早在20世紀(jì)90年代初,清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等就開始了對(duì)增材制造的研究。其中華中科技大學(xué)側(cè)重選擇性激光燒結(jié)技術(shù),清華大學(xué)側(cè)重熔融沉積成型技術(shù),北京航空大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)主要集中對(duì)金屬材料的研究,西安交通大學(xué)重點(diǎn)研究立體光固化成型技術(shù)。
經(jīng)過多年的積累,逐漸形成了代表中國(guó)增材制造最高水平的研發(fā)團(tuán)隊(duì),涌現(xiàn)出一批學(xué)科和行業(yè)帶頭人。如清華大學(xué)顏永年、北京航空航天大學(xué)王華明、華中科技大學(xué)史玉升、西安交通大學(xué)盧秉恒、西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東、華南理工大學(xué)楊永強(qiáng)。此外,大連理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中北大學(xué)以及中科院深圳先進(jìn)研究院、自動(dòng)化所等科研機(jī)構(gòu)在設(shè)備研制、軟件開發(fā)、產(chǎn)品制造和材料研發(fā)等領(lǐng)域開展了一系列的研究。
3.4 主要應(yīng)用于先進(jìn)制造相關(guān)領(lǐng)域
近20年來,增材制造技術(shù)發(fā)展日趨成熟,美國(guó)和歐洲知名龍頭企業(yè)正不斷收購(gòu)中小企業(yè),開發(fā)新材料、新工藝,發(fā)展零部件的快速制造技術(shù)。在國(guó)內(nèi),針對(duì)材料、工藝和設(shè)備的研究成果部分已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,應(yīng)用范圍覆蓋航空航天、汽車、生物醫(yī)療和裝備制造等重要領(lǐng)域。
3.4.1航空航天領(lǐng)域
西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司針對(duì)航空航天極端復(fù)雜的精密構(gòu)件加工制造問題,利用SLM技術(shù),解決了隨形內(nèi)流道、復(fù)雜薄壁、鏤空減重、復(fù)雜內(nèi)腔、多部件集成等復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題,每年可為航空航天領(lǐng)域提供復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)件8000余件。
中航邁特粉冶科技(北京)有限公司利用自產(chǎn)的球形鎳基高溫合金粉末GH3536生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴,已經(jīng)成功應(yīng)用于某型號(hào)飛機(jī),實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),多零件整合以及整體減重。
鑫精合激光科技發(fā)展(北京)有限公司采用激光選區(qū)熔化技術(shù)自主研發(fā)制備了大尺寸薄壁鈦合金點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)件——集熱窗框,滿足了火星車產(chǎn)品的技術(shù)要求,保障了火星車產(chǎn)品的順利研發(fā)與實(shí)驗(yàn)。
3.4.2汽車領(lǐng)域
安徽恒利增材制造科技有限公司利用SLS技術(shù)和石膏型真空增壓鑄造技術(shù)融合,制造實(shí)現(xiàn)一體化制造雙金屬?gòu)?fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)缸體,改變傳統(tǒng)開模具和組砂型鑄造的模式,替代進(jìn)口,已經(jīng)成功應(yīng)用在奇瑞汽車、東風(fēng)汽車、廣汽、全柴等企業(yè)。
萬向電動(dòng)汽車有限公司將增材制造技術(shù)用于汽車設(shè)計(jì)、試制階段,打印制作儀表臺(tái)、空調(diào)面板、大燈模型等內(nèi)外飾件,在設(shè)計(jì)早期驗(yàn)證產(chǎn)品裝配可行性時(shí),能及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)差錯(cuò),極大縮短了開發(fā)周期。
薩普汽車科技有限公司引入華曙高科相關(guān)設(shè)備用于汽車空調(diào)設(shè)計(jì),極大降低了開模成本,縮短了研發(fā)周期。
3.4.3船舶領(lǐng)域
上海電氣集團(tuán)公司依托“3D打印燃?xì)廨啓C(jī)軸向旋流器工業(yè)化應(yīng)用探索”項(xiàng)目,成功制備出符合性能要求的部件,可協(xié)助完成重型燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵零部件的原型設(shè)計(jì)與優(yōu)化,后期將考慮替代傳統(tǒng)鑄鍛零件,直接利用金屬3D打印部件裝機(jī)。
中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七二五研究所利用電子束熔絲沉積表面改性和修復(fù)技術(shù)制備船用螺旋槳,經(jīng)檢測(cè),樣件無內(nèi)部質(zhì)量缺陷,綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造方式生產(chǎn)的葉片。
3.4.4表面修復(fù)領(lǐng)域
機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心與德國(guó)弗朗霍夫激光技術(shù)研究所合作,引入國(guó)內(nèi)首臺(tái)激光高速熔覆修復(fù)系統(tǒng),應(yīng)用自制高性能微細(xì)金屬粉末,可實(shí)現(xiàn)修復(fù)速度最快達(dá)200 m/min,是目前最快速度的40-50倍,可替代電鍍,相關(guān)成果在北煤機(jī)、鄭煤機(jī)、平煤機(jī)等企業(yè)推廣。
3.4.5生物醫(yī)療領(lǐng)域
增材制造技術(shù)可滿足個(gè)性化、小批量、大規(guī)模的醫(yī)療需求,已經(jīng)廣泛應(yīng)用在體外醫(yī)療器械制造領(lǐng)域,如齒科、手術(shù)導(dǎo)板等領(lǐng)域,現(xiàn)正向著個(gè)性化永久植入物、臨床修復(fù)治療和藥物研發(fā)試驗(yàn)等領(lǐng)域擴(kuò)展,未來將致力于生物組織、器官的直接打印。
湖南華曙高科技公司利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù),借助CT掃描“打印”出骨折部位的術(shù)前模型,使得手術(shù)更精確,手術(shù)時(shí)間可節(jié)約三分之一以上,已在湘雅醫(yī)院、長(zhǎng)沙市三醫(yī)院有了2000余例成功臨床病例。
廣州邁普再生醫(yī)學(xué)科技公司研發(fā)了具有國(guó)際先進(jìn)水平的可個(gè)性化定制的生物增材制造裝備,可滿足對(duì)非均質(zhì)多種材料三維結(jié)構(gòu)的成形要求以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜組織器官快速制造,突破了現(xiàn)有裝備的打印精度、速度和效率等性能瓶頸。其開發(fā)的硬腦膜產(chǎn)品“睿膜”已獲得美國(guó)FDA、國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局、歐盟CE的批準(zhǔn),目前已應(yīng)用于近萬名患者的腦膜修復(fù)手術(shù)。
杭州捷諾飛生物科技公司利用3D打印的肝單元Regen-3D-liver組織,用于藥物臨床前篩選,被Merck等制藥公司使用。
3.4.6文化創(chuàng)意領(lǐng)域
青島智生三維制造公司與珠寶廠商施華洛世奇合作,實(shí)現(xiàn)3D打印定制珠寶首飾,極大降低了成本,滿足了個(gè)性化需求。
安徽中科鐳泰激光科技有限公司運(yùn)用建模軟件設(shè)計(jì)、3D打印蠟?zāi)?,再翻模制作金屬首?ldquo;清風(fēng)蕩漾”,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)架空交錯(cuò),補(bǔ)充了傳統(tǒng)制造技術(shù)的短板。
綜合來看,在增材制造應(yīng)用推廣方面,簡(jiǎn)單的采用增材制造替代現(xiàn)有的鑄造鍛造,制作同樣的部件,市場(chǎng)較為有限。如能從零部件設(shè)計(jì)階段介入,優(yōu)化復(fù)雜精密零部件的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)輕量化,并能縮短制造周期和成本,提升部件綜合性能,進(jìn)而帶來整個(gè)產(chǎn)品的升級(jí)換代,這將充分發(fā)揮增材制造對(duì)整個(gè)制造業(yè)帶來的推動(dòng)作用,體現(xiàn)出其價(jià)值和效益。目前國(guó)外行業(yè)巨頭已在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用探索,例如,GE公司在2012年11月收購(gòu)了3D打印公司Morris Technologies,用來打印飛機(jī)引擎中的零部件;三菱電機(jī)公司采用增材制造技術(shù)實(shí)施部分汽輪機(jī)末端葉片的生產(chǎn)工作;西門子公司也計(jì)劃采用金屬3D打印技術(shù)制造和修復(fù)燃?xì)廨啓C(jī)的某些金屬零部件。
增材制造技術(shù)在我國(guó)發(fā)展已有30年,但是近年來才為人們廣泛熟知。無論是增材制造設(shè)備,還是新型材料的研發(fā)以及與傳統(tǒng)制造相結(jié)合的衍生技術(shù),國(guó)內(nèi)均有研究并且取得突破,在國(guó)家的大力支持下,我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,但也面臨著諸多挑戰(zhàn)。
4.1材料方面
增材制造產(chǎn)業(yè)的核心在于重點(diǎn)材料的研發(fā)和生產(chǎn),材料性能決定產(chǎn)品力學(xué)性、穩(wěn)定性和生物相容性等其他特殊性質(zhì)。我國(guó)對(duì)重點(diǎn)材料,尤其是金屬、光固化等材料的研發(fā)和生產(chǎn)能力有待加強(qiáng)。
4.2知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面
增材制造顛覆了傳統(tǒng)制造行業(yè),并與知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和應(yīng)用密切相關(guān)。從專利的三種形式看,發(fā)明和實(shí)用新型注重物體結(jié)構(gòu),外觀設(shè)計(jì)則注重物體外形,增材制造既涉及物體結(jié)構(gòu),也涉及外形,與知識(shí)產(chǎn)權(quán)關(guān)系密切。同時(shí)增材制造還涉及專利法、著作權(quán)法、商標(biāo)法等法律法規(guī)。作為一個(gè)新興行業(yè),增材制造正處于快速發(fā)展時(shí)期,但知識(shí)產(chǎn)權(quán)相關(guān)法律法規(guī)相比行業(yè)發(fā)展,還存在一定滯后性。
4.3行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面
增材制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的缺失是世界范圍的問題,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的缺乏導(dǎo)致了行業(yè)畸形擴(kuò)張、惡性競(jìng)爭(zhēng)等不良現(xiàn)象出現(xiàn),這一點(diǎn)在國(guó)內(nèi)尤為明顯。我國(guó)經(jīng)過30年的產(chǎn)業(yè)發(fā)展,已經(jīng)涌現(xiàn)出以湖南華曙高科技有限責(zé)任公司為代表的優(yōu)秀企業(yè),應(yīng)積極推動(dòng)優(yōu)秀企業(yè)參與國(guó)際國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定,更好地規(guī)范行業(yè)發(fā)展。
4.4安全方面
增材制造在安全方面的問題,主要包括兩個(gè)方面:一是部分打印材料對(duì)環(huán)境和人體的危害性。以目前最為常用光固化材料為例,其含有的揮發(fā)性有機(jī)化合物對(duì)環(huán)境及人體會(huì)產(chǎn)生一定損害;二是打印產(chǎn)品對(duì)國(guó)家安全的潛在危害性。例如,利用增材制造技術(shù)制造武器等,相關(guān)安全問題已引起社會(huì)的關(guān)注和討論。
4.5尺寸方面
國(guó)內(nèi)增材制造設(shè)備一直面臨著裝備成型尺寸小、生產(chǎn)零件受限、無法滿足大型工業(yè)設(shè)備的現(xiàn)象。目前世界上最大的3D打印機(jī),工作面尺寸也僅為400毫米×400毫米。由重慶大學(xué)牽頭的“3D打印關(guān)鍵技術(shù)與裝備研制”項(xiàng)目,計(jì)劃制造出工作面尺寸為2米×2米的3D打印機(jī),大大提高了打印產(chǎn)品的尺寸范圍。
近年來,我國(guó)相繼發(fā)布《中國(guó)制造2025》《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2015~2016年)》,以及2017年增材制造重點(diǎn)專項(xiàng),為我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明了方向。
5.1研發(fā)生產(chǎn)增材制造專用材料
依托高校、科研機(jī)構(gòu)開展增材制造專用材料特性研究與設(shè)計(jì),鼓勵(lì)優(yōu)勢(shì)材料生產(chǎn)企業(yè)從事增材制造專用材料研發(fā)和生產(chǎn),突破一批增材制造專用材料。針對(duì)金屬增材制造專用材料,優(yōu)化粉末大小、形狀和化學(xué)性質(zhì)等材料特性,開發(fā)滿足增材制造發(fā)展需要的金屬材料。針對(duì)非金屬增材制造專用材料,提高現(xiàn)有材料在耐高溫、高強(qiáng)度等方面的性能,降低材料成本。
5.2提高增材制造工藝技術(shù)
開發(fā)數(shù)字模型、專用工藝軟件及控制軟件,支持企業(yè)研發(fā)增材制造所需的建模、設(shè)計(jì)、仿真等軟件工具,在三維圖像掃描、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。解決金屬構(gòu)件成形中高效、熱應(yīng)力控制及變形開裂預(yù)防、組織性能調(diào)控,以及非金屬材料成形技術(shù)中溫度場(chǎng)控制、變形控制、材料組份控制等工藝難題。
5.3研制增材制造裝備及核心器件
依托優(yōu)勢(shì)企業(yè),加強(qiáng)增材制造專用材料、工藝技術(shù)與裝備的結(jié)合,研制推廣使用一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的增材制造裝備,不斷提高金屬材料增材制造裝備的效率、精度、可靠性,以及非金屬材料增材制造裝備的高工況溫度和工藝穩(wěn)定性。
5.4建立和完善產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系
研究制訂增材制造工藝、裝備、材料、數(shù)據(jù)接口、產(chǎn)品質(zhì)量控制與性能評(píng)價(jià)等行業(yè)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),開展質(zhì)量技術(shù)評(píng)價(jià)和第三方檢測(cè)認(rèn)證,促進(jìn)增材制造技術(shù)的推廣應(yīng)用。
5.5應(yīng)用示范成熟技術(shù)產(chǎn)品
依托國(guó)家重大工程建設(shè),著重解決金屬材料增材制造在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用問題,在具備條件的情況下,在國(guó)防軍工其他領(lǐng)域予以擴(kuò)展。在技術(shù)相對(duì)成熟的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)領(lǐng)域,發(fā)展增材制造服務(wù)中心和展示中心,通過為用戶提供快速原型和模具開發(fā)等方式,促進(jìn)增材制造的推廣應(yīng)用。
增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,一批有生命力的研發(fā)機(jī)構(gòu)和科技型企業(yè)正在蓬勃發(fā)展。盡管如此,由于增材制造產(chǎn)業(yè)處于 發(fā)展初期,仍呈現(xiàn)出材料單一、精度低、規(guī)?;潭鹊偷忍攸c(diǎn)。我國(guó)必須加速研發(fā)核心技術(shù)與原創(chuàng)技術(shù),打造自己的創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈。加大對(duì)增材制造專用材料、裝備及核心器件研發(fā)基地建設(shè)的支持力度,加快形成產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展,提升產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力,盡快形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。
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*圖片來源:Stratasys汽車行業(yè)
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