3d打印技术在传统制造业方面的应用

3D 打印技术在传统制造业方面的应用 一、3D 打印技术概述 3D 打印技术出现在20世纪90年代中期，其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、热熔喷嘴等方式将陶瓷粉末、金属粉末、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，它与普通打印机 工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料” ，打印材料由传统的墨水、纸 张转变为粉末状陶瓷、金属、塑料等经过处理的特殊材料。 3D 打印技术是一个舶来品，发端于美国，随后在世界各地开花结果。资料显示，在美 国，3D 打印技术已经初步产业化。目前全球有两家3D 打印机制造巨头，分别为 Stratasys 和3D Systems，均在纳斯达克上市，2011年两家公司的营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿 美元。而另一家3D 打印服务企业Shapeways 已拥有15万个会员及超过6000个用户，已 为顾客打印过上百万件产品。 在对国内外3D 打印技术相关领域的团队研究时，由团队的界定国内：共同进行3D 打印技术的研究，与上市公司合作承担项目的研究工作的团队；国外：合作完成了3D 打印 史上具有代表性的研究成果并有共著论文发表的研究组织。可知道，3D 打印技术正在对传 统的制造业发生巨大的冲击。其运用的领域从日常生活的小玩具到航天航空，从衣食住行 到生物医疗。 二、3D 打印技术对传统制造业的冲击 3D 打印最大的优势是增加机器数目，就可以提高产能。而且机器是一次性投资，仅需 考虑电费，人力加工却要不断投入。一条传统注塑生产线至少要5至6个工人操作，一名技 术员却可以管理数十台全自动化的生产设备。更大的颠覆在于柔性供应链。在传统制造业 模式中，客户提出生产需求时，须根据市场预期确定每批生产数量后开展批量生产，一旦 工厂投入运作，即使供过于求或供不应求，生产线亦难以停下。而3D 打印则可先打印实验 性产品，依据市场反馈效果后再做决定。 在中国3D 打印技术产业联盟理事长、北京航空航天大学教授王华明看来，3D 打印实际 上诞生已经近30年，最近之所以骤然变“热”，除了媒体的炒作之外，也与美国特别是奥 巴马政府的重视有关。2012年3月，为重振美国经济和美国制造，奥巴马提出建设全美制造 业创新网络，并将3D 打印确定为方向之一，引发世界其他国家纷纷效仿。中国也成立了3D 打印技术产业联盟，以促进相关技术和产业的发展。 三、3D 打印技术在传统制造业上的应用 从衣服开始3D 打印公司 荷兰设计师 Iris Van Herpen 使用 3D 打印机来为比约克和 Lady GaGa 进行时尚设计。 Freedom OfCreation 公司和 NaimJosefi 公司使用3D 打印机制作的华丽高跟鞋，能让凯莉 布拉德肖心动不已。ContinuumFashion 使用 MakerBot 公司的 Replicator 打印机创造了第 一款3D 打印版比基尼和眼镜，成为2012年时装周上的佳话。 3D 打印公司 Shapeways 已能采用尼龙12直接打印制造无缝拼接泳衣。这仅是一个开始， 未来任何种类的衣服都将通过数字技术制造，而无需人工或缝纫机械。 航空领域应用 黄卫东团队 为国产大飞机 C919制造中央翼缘条，是3D 打印技术在航空领域应用的典型。黄卫东教 授介绍，作为机翼的关键部件，以我国现有制造能力无法满足需求，如果向国外采购，势 必影响大飞机的国产化率。西工大与中航飞机公司合作，应用激光立体成形技术解决了 C919飞机钛合金结构件的制造问题。“目前，激光立体成形制造成本与国外锻压制造成本差 不多，最重要的是形成了具有自主知识产权的特色新技术。“黄卫东说，这项技术在航空航 天发动机等关键部件的制造上也得到了运用，并为多家航空航天企业提供了达到国际先进 水平的制造装备。 在2013年两会上，全国政协委员、中航工业副总工程师、中国航母舰载机歼-15总设计 师孙聪透露，歼-15项目率先采用了数字化协同设计理念，而这与3D 打印技术关系紧密。 他透露，钛合金和 M100钢的3D 打印技术已应用于新机试制过程，主要是主承力部分，包括 整个前起落架。 王华明团队 而王华明所在团队历经近20年研究，通过产学研合作，率先攻克了上述难题，提出了 钛合金等高活性、难加工金属大型结构件激光直接制造成套装备新原理，并研发出具有原 创性核心技术、零件成形能力可达400030002000毫米、迄今为止世界最大的激光直接 制造成套装备。其成果已应用于大型客机等飞机的研制。 重工业领域 颜永年团队 颜永年带领清华技术团队在快速成形技术方面取得了许多成就。经过多年努力，多次改 进、完善，清华团队推出了“M-RPMS 型多功能快速原型制造系统” ， “这是我国自主知识产 权的世界唯一拥有两种快速成形工艺的系统” ；之后，他们又完成了改进型 M-RPMS-II 的产 品化工作，在世界上首先完成无木模铸型制造工艺。 一家名为峰华卓立制造技术有限公司的企业，在使用着清华团队的技术。这家企业主 要应用无模铸型快速制造技术，更多地为重工业领域服务。一汽集团就曾因需要开发一款 新型的发动机而找到了他们。由于发动机缸体和缸盖内部结构复杂，依靠传统的设计制造 方法，仅制造铸造模具、修改模具等环节就需要近半年的时间，而且发动机内部存在多处 自由曲面，采用传统方法制造很难保证曲面精度。而峰华卓立采用无模铸型快速制造技术， 先通过三维立体制造技术制作出用于铸造的砂型（无木模砂型） ，再浇铸成发动机的缸体和 缸盖。通过层叠堆积的方式制作出的砂型不但可以极大地保证模具精度，完美体现设计者 意图，更为重要的是，大大节省了时间。如果运用传统方法，从设计到开模再到制造出成 品大约需要六个月时间，而采用无模铸型快速制造技术，总体计算下来仅需一至两个月， 大大缩短了新品的开发时间。并且，与传统开模方法相比，成本下降了许多。正是依靠这 诸多优势，许多汽车制造企业与发动机生产企业都成为了峰华卓立的合作伙伴，其中不乏 玉柴、东风、华晨、长城等业内知名的企业。 航模飞机 美国弗吉尼亚大学工程师和工程系学生 据国外媒体报道，3D 打印机曾用于制造一些机械零部件和小玩具，但是目前，美国弗 吉尼亚大学工程系的研究人员采用最新的 3D 打印技术制造了一架无人飞机，机翼宽 6.5 英 尺（约合 1.9 米） ，巡航时速达到 45 英里（约合 72 千米） 。 美国弗吉尼亚大学工程师大卫-舍弗尔称，3D 打印技术现已证实是应用于教导学生的 一种宝贵工具。据悉，他和工程系学生史蒂芬-伊丝特和乔纳森-图曼共同建造这架 3D 飞机。 舍弗尔称，五年前为了设计建造一个塑料涡轮风扇发动机需要两年时间，成本大约 25 万美元。但是使用 3D 技术，我们设计和建造这架 3D 飞机仅用 4 个月时间，成本大约 2000 美元。这将创建一个前所未有的飞行教学平台。 四、3D 打印技术传统制造业 被认为推动了第三次工业革命进程的3D 打印技术，涉及信息技术、材料科学、精密机 械等多个方面。该技术的主要特点是，可直接根据计算机图形数据，通过增材制造的方法 生成各种形状的产品。与传统的减材制造相比，3D 打印不仅可以提高材料利用率，还可以 用更短的时间制造出更复杂的产品。 即使未来3D 打印将使一些传统制