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迈入3D打印时代
作者:本报记者 点击数:17539
      3D打印(3Dprinting)(或称快速成型制造、快速制造、智能制造、增材制造)技术是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术,是以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品,被称为“具有工业革命意义的制造技术”。
       与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同,3D打印将三维实体变为若干个二维平面,通过对材料处理并逐层叠加进行生产,大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。因此,3D打印技术的出现将从两个方面深刻改变传统制造业形态:一是使制造工艺发生深刻变革;二是使制造模式发生革命性变化。
       3D打印是“增材制造”(AdditiveManufacturing)的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上,使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法,去除多余部分,得到零部件,再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。而“增材制造”与之截然不同,无需原胚和模具,就能直接根据计算机图形数据,通过增加材料的方法生成任何形状的物体,简化产品的制造程序,缩短产品的研制周期,提高效率并降低成本。
        主要材料和关键配件是原材料(粉末、树脂、线材等),激光发生器,控制系统,这三部分是附加值最高的,国内做的3D打印,更多的是在做组装机器和成型软件,用量较大的粉末材料,这可以颠覆传统的铸造、机械加工;国外的主要厂商是3DSystem,STRATASYS,eos,他们是全产业链,玩转的基因是全产业链通。
        目前3D打印工业机的价格在30万美元-150万美元,而国内的机床价格普遍在10万美元以下,3D打印机是机器,这个产业要替代传统需要等到钢材价格、人工成本、能源价格大幅上涨,信息化社会形成的时候才可以谈竞争;目前来讲,医疗、教育、航空航天、军工、汽车等应用发展趋势较好。
        一些中小企业成为国外3D打印设备的代理商,经销全套打印设备、成型软件和特种材料。还有一些中小企业购买了国内外各类3D打印设备,专门为相关企业的研发、生产提供服务。其中,广东省工业设计中心、杭州先临快速成型技术有限公司等企业,设立了3D打印服务中心,发挥科技人才密集的优势,向国内外客户提供服务,取得了良好的经济效益。
       目前,我国已有部分技术处于世界先进水平。其中,激光直接加工金属技术发展较快,已基本满足特种零部件的机械性能要求,率先应用于航天、航空装备制造;同时,生物细胞3D打印技术取得显著进展,已可以制造立体的模拟生物组织,为我国生物、医学领域尖端科学研究提供了关键的技术支撑。
       专家方面,清华大学的颜永年,华科大的史玉升,西交大的卢秉恒,北航的王华明,湖南华曙的许小曙,技术不一样,排名没有价值。目前王华明、颜永年参与了上市公司产业化,华科大曾经有深圳创投介入,西交大资本化较弱。
       从国内整个产业链来讲,技术基本是看了国外的,在国内高校研发,进行产业化,SLMSLSSLAFDM技术在国外都有竞争力,但是材料、激光器需要进口,利润较薄,高端机器和材料上还是国外垄断,国内市场在全球份额在8-10%。
       中美差异在于,中国的市场潜力巨大,世界第一,但是创新和科技实力弱,材料、信息技术、理念这些不利于3D打印的上游技术发展。3D打印发展,工业、消费品并重,短期来看,工业市场更吸引人。3D打印工艺众多,产出成品率按照材料和质量要求不同而不同,3D打印与传统制造的比较更多应在效率、复杂、难度上面。
一、3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术,至少包括以下方面:
       信息技术:要有先进的设计软件及数字化工具,辅助设计人员制作出产品的三维数字模型,并且根据模型自动分析出打印的工序,自动控制打印器材的走向。
精密机械:3D打印以“每层的叠加”为加工方式。要生产高精度的产品,必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求。
       材料科学:用于3D打印的原材料较为特殊,必须能够液化、粉末化、丝化,在打印完成后又能重新结合起来,并具有合格的物理、化学性质。
二、3D打印的应用领域分布:
 
 
 
三、我国发展3D打印产业的重要战略意义:
       发展3D打印产业,可以在提升我国工业领域的产品开发水平的同时有助于攻克技术难关,并且易形成新的经济增长点,促进就业。
       当前,全球正在兴起新一轮数字化制造浪潮。发达国家面对近年来制造业竞争力的下降,大力倡导“再工业化、再制造化”战略,提出智能机器人、人工智能、3D打印是实现数字化制造的关键技术,并希望通过这三大数字化制造技术的突破,巩固和提升制造业的主导权,加快3D打印产业发展,推动我国由“工业大国”向“工业强国”的转变。
       发展3D打印产业,可以提升我国工业领域的产品开发水平,提高工业设计能力传统的工业产品开发方法,往往是先开磨具,然后再做出样品,而运用3D打印技术,无需开磨具,可以把制造时间降低为以前的1/10到1/5,费用降低到1/3以下。一些好的设计理念,无论其结构和工艺多么复杂,均可利用3D打印技术,短时间内制造出来,从而极大地促进了产品的创新设计,有效克服我国工业设计能力薄弱的问题。
       发展3D打印产业,可以生产出复杂、特殊、个性化产品,有助于攻克技术难关
       3D打印可以为基础科学技术的研究提供重要的技术支持。在航天、航空、大型武器等装备制造业,零部件种类多、性能要求高,需要进行反复测试。运用3D打印,除了在研制速度上具有优势外,还可以直接加工出特殊、复杂的形状,简化装备的结构设计,化解技术难题,实现关键性能的赶超。
       发展3D打印产业,可以形成新的经济增长点,促进就业
       随着3D打印的普及,“大批量的个性化定制”将成为重要的生产模式。3D打印与现代服务业的紧密结合,将衍生出新的细分产业、新的商业模式,创造出新的经济增长点并增加社会就业。如自主创业者可以通过购置或者租赁低成本的3D打印设备(一些3D打印设备已低于1万元),利用电子商务等平台提供服务,为大量消费者定制生活用品、文体器具、工艺装中国重大机械装备饰品等各类中小产品,激发个性化需求,形成一个数百亿甚至数千亿元规模的文化创意制造
四、支持我国3D打印产业发展的政策建议:
       采取财税金融政策上积极支持、积极引导建立行业协会,鼓励研发,加强教育培训等措施,进一步促进3D打印社会化推广。
        制定数字化制造规划,促进3D产业优先发展
        建议将3D打印技术定位为生产性服务业、文化创意、工业设计、先进制造、电子商务及制造业信息化工程的关键技术和共性技术,将该产业纳入优先发展产业及产品目录。在财税金融政策上,鼓励企业投资、研发、生产和应用3D打印,支持3D打印设备的进出口。
       加强产业联盟、行业协会建设,推动3D产业协同发展
       积极引导工业设计企业、3D数字化技术提供商、3D打印机及材料研发企业和机构、3D打印服务应用提供商组建产业联盟,利用有关学会、协会的平台加强研讨和交流,共同推动3D打印技术研发和行业标准制定。促进3D打印技术发展的市场平台建设,包括3D打印电子商务平台、3D打印数据安全和产权保护机制、3D打印及周边项目投融资机制等,促进产业可持续发展。
       加大科技扶持力度,提升3D打印技术水平
       设立专项基金,重点推进数字化技术、软件控制、打印装置、材料技术等关键技术的研发。在研发扶持中,要注意建立公平、公正的研发绩效评估体系,鼓励各研发主体探索不同的技术路径。加强对3D打印产学研合作的支持,特别对实施产业化的企业在市场销售、社会推广上给予政策支持。
加强教育培训,促进3D打印社会化推广将3D打印技术纳入相关学科建设体系,培养3D打印技术人才。依靠行业协会、博览会、论坛等组织形式进行3D打印技术和周边应用的培训。在科技馆、文化艺术中心、青少年活动中心等公共机构进行3D打印技术的展示、宣传和推广。发展3D打印服务中心,推广3D打印技术应用,为发展3D打印产业积累应用经验。
        3D打印领域发展迅猛,从巨型的房屋打印机到微型的纳米级细胞打印机,各种新技术层出不穷,但是主要还是集中在专业领域,民用市场还是以简单架构的熔融沉积快速成型(FDM)技术为主,无论效果还是精度都差强人意。随着技术发展和成本降低,桌面级3D打印机也能够真正实现所见即所得的打印效果, 3D打印改变世界将不再是一个梦想。
 
 
 
 
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