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3D打印技术 究竟要颠覆什么?

更新时间:2016-03-16

美丽中国·低碳发展 设备在行动系列报道

3D打印技术已经被广泛应用于建筑、汽车制造以及尖端武器制造、航空航天等军事领域。在我国,3D打印技术在民用领域已经成为建筑、汽车及其零部件制造产业的重点推广领域;在军事领域,3D打印也已被全面应用于歼—20隐形战斗机和歼—31第五代战斗机的研发中。3D打印在改变颠覆人们传统制造模式的同时,绿色、节能等优势凸显,其在全球的发展势头如火如荼。


3D打印已从一个流行的概念变成了一个新兴行业


似乎没有人能够准确地说出3D打印是什么时间走入我们生活的,就好像这个快速发展的大数据时代很多新生事物一样,忽然之间走进人们视野,铺天盖地的扑面而来,又在你尚未完全弄懂搞明白之前开枝散叶,大肆发展。

前不久,一场别开生面的3D打印技术展在英国伦敦举办。展览向人们展示了各种利用3D打印技术的前沿产品,展现了这一创新技术在建筑、汽车、飞机、医疗、影视等诸多领域的无限潜力。从国际层面看,3D打印已从一个流行的概念变成了一个新兴行业。

3D打印技术又称为“快速成形技术”或“增材制造技术”,诞生于上世纪80年代末。是一种以数字模型文件为基础,将计算机设计出来的图形数据导入3D打印设备,打印机内装有粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过电脑控制将材料叠层添加构造三维物体,最终把计算机上的蓝图变成实物的数字化、智能化增材制造技术。

自2009年以来,3D打印市场在北美和欧洲急剧增长。根据Stratasys公司2011年财报,其八成左右的收入来源于欧美市场,3D打印汽车零件还可以实现更加节能的目标,进一步减少温室气体排放。通过这样的方式制造汽车,与85千瓦小时的电动汽车相比对环境和健康的影响还不到1/3。

今天,3D打印技术已经被广泛应用于建筑、汽车制造以及尖端武器制造、航空航天等军事领域。在我国,3D打印技术在民用领域已经成为建筑、汽车及其零部件制造产业的重点推广领域;在军事领域,3D打印也已被全面应用。

3D打印是制造业有代表性的颠覆性技术,实现了制造从等材、减材到增材的重大转变,改变了传统制造的理念和模式,具有重大价值。3D打印在改变颠覆人们传统制造模式的同时,绿色、节能等优势凸显,其在全球的发展势头如火如荼。


3D打印在我国“开枝散叶”(上篇)


当下,我国航空、航天、船舶、汽车、海洋工程等现代重大工业装备正向着大型化、复杂化、功能化和极端条件下高可靠、长寿命服役方向快速发展,对装备结构、材料及制造均提出了更加苛刻的要求。轻量化、整体化、长寿命、高可靠性、结构功能一体化以及低成本,成为结构设计、材料应用和制造技术共同面临的严峻挑战,这取决于结构设计、结构材料和现代制造技术的进步与创新。而增材技术,这项具有短周期、低成本、激发创新的新兴技术,代表着先进制造技术的发展方向,属于在重大装备制造中具有重大应用价值的变革性制造技术。


3D打印是制造业有代表性的颠覆性技术,实现了制造从等材、减材到增材的重大转变


颠覆传统建筑模式


《北京青年报》2014年8月21日报道:10幢3D打印建筑在上海张江高新青浦园区内正式交付使用,作为当地动迁工程的办公用房。这些“打印”出来的建筑墙体是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”,按照电脑设计的图纸和方案,经一台大型的3D打印机层层叠加喷绘而成,10幢小屋的建筑过程仅花费24小时。

而这些建筑与众不同的墙体,其实是用一种特殊的“油墨”,根据电脑设计图纸和方案,在现场层层叠加“喷绘”而成。至于打印过程中的玄机,这项技术的发明者,上海盈创装饰集团的董事长马义和说,这是他们眼下的最高机密。不过从拍摄的打印现场视频片段可以看到,一只巨大喷头像奶油裱花一样源源不断喷出灰色油墨,油墨呈“Z”字形排列,层层叠加,很快便砌起了一面高墙。之后,墙与墙之间还可像搭积木一样垒起来,再用钢筋水泥进行二次“打印”灌注,连成一体。马义和介绍,整个打印过程,只需要一张图纸、一台电脑、就地取材制造的足够“油墨”,就可以在24小时内打印出10幢200平方米建筑。

此次打印出的房子不大,最高不过两层,面积也就十来个平方,墙体呈现出年轮蛋糕的结构,由一层层水泥材料堆叠而成,每层大约2厘米高。打印一张A4纸的打印机,体积已经不小,要打印一幢房子,该要一台多大的打印机?马义和告诉媒体记者:“高6.6米、宽10米、长32米的打印机,底面占地面积足有一个篮球场那么大,高度足有三层楼高。且打印机长度还可以延伸,完全拉开足有150米长。马义和前几年对它完成了设计研发,然后全球定制零部件,最终在苏州工厂组装而成。这次现身青浦的3D打印房屋,就是在苏州打印好后搬运到上海的。”此次采访中,记者还了解到:3D打印不仅是一种全新的建筑方式,更是一种颠覆传统的建筑模式。它不仅更加坚固耐用、高效、节能、环保、解放人力,还能大大降低建造成本。而且3D打印最大亮点就是把建筑垃圾再利用,同时让新的建筑不会再产生出新的建筑垃圾。

与传统建筑行业相比,3D打印的建筑不但建材质量可靠,还可节约建筑材料30%~60%、缩短工期50%~70%、减少人工50%~80%……据他测算,打印至少能使建筑成本降低50%以上,让更多人住得起房子。

2015年,国内经济的发展可谓风云跌宕、群星闪耀。在这一年中,3D打印技术逐渐揭开了神秘的面纱,走进人们的工作和日常生活中,从基本的打印到企业生产流水线,产品的设计制作等方面都取得了突破性的进展。在2015年12月26~27日,率先将3D打印喷涂技术应用于农村房屋建设的“晋马绿宅”在山东省济宁市成功举办了招商会,有来自全国50多个城市的100多位客商参加了会议。会议得到了广大客商的一致认可,多家客商现场签约成为“晋马绿宅”加盟商。

安徽晋马环保节能科技有限公司董事长魏雄告诉记者,目前我国即将进入“十三五”时期,“居者有其屋”是摆在国人面前急需解决的问题。随着城镇化进程的不断推进,农村的住房问题正面临着新的选择,继续走传统建筑市场的老路,让农民集体上楼并不完全符合当前农村的实际情况。现在的农村住房建设迫切需要一种新的建筑方式以满足农村的发展需求,“晋马绿宅”的绿色轻钢集成建房模式成为农村自建房市场的新选择。

魏雄董事长还说:“现在农村住房逐渐从砖混向框架结构演变,这是一种与国际自建住房市场相接轨的发展趋势。对于改变国内目前钢产能过盛、钢价格下跌的现状,也具有良性的市场推动作用。‘晋马绿宅’采用3D打印喷涂技术建成的绿色轻钢集成房屋抗震性能高、节能环保、美观时尚、建筑工期短,充分顺应了国家建设新农村,提倡绿色环保生活,提高农民生活水平的政策号召,必将成为我国农村住房未来的发展方向。”


开启汽车制造业第三次革命


目前,3D打印在汽车制造业的应用也在不断探索。2011年,世界首款“打印汽车”正式亮相。据悉,这款被命名为“Urbee”的打印汽车是由一个特制3D打印机层叠建造车身。打印汽车一经面世,即引起了各界人士的热议。3D打印颠覆了人们的传统观点,人们不禁要问,这神奇的技术还有什么不可能打印?

在2014年3月5~17日举行的日内瓦车展上,EDAG推出一款名为“EDAGGENESIS”的3D打印汽车,该款3D打印的汽车外观炫酷极具科技感,采用多种最先进的3D打印技术制成,并进行单个组件、模块乃至单件车辆独立生产且组装而成。据悉,在此之前,福特汽车已经率先在汽车零部件生产中运用3D打印技术。

3D打印技术能快速制作造型复杂的零部件,让汽车零部件的开发成本更低,效率更高,并且已经在底盘、内饰、车身外覆盖件方面实现了3D打印生产,将加速汽车制造业变革。

汽车制造业是一个适合各种创新技术尝试应用的行业,正在兴起的3D打印技术就是其中一个。在传统汽车制造领域,汽车零部件的开发往往需要长时间的研发和测试。从研发到测试阶段还需要制作零件模具,不仅时间长,而且成本高。当存在问题时,修正零件也需要同样漫长的周期。而3D打印技术则能快速制作造型复杂的零部件,当测试出现问题时,修改3D文件重新打印即可。3D打印技术让汽车零部件的开发成本更低,效率更高。此外,运用3D打印技术在设计早期验证产品装配可行性时,能及时发现产品设计差错、复杂零部件或样机原理的可行性。例如缸盖、同步器开发,以及橡胶、塑料类零件的单件生产。


金属3D进军航空航天领域


金属3D打印,多被用于机械制造和航空航天工程中形状复杂的零件制造,对技术指标要求极高。但如果你认为金属3D打印的技术还是“外国的月亮圆”的话,那可能你就犯了一个错误,因为若论金属3D打印技术与航空工程的融合应用技术,世界顶尖水平的所在地就是沈阳。走进这里,你会感受到最新的金属3D打印技术的精妙,发展脉络的精彩,以及那些鲜为人知的关于3D打印故事的引人入胜。

王向明——中航工业沈阳飞机设计研究所的项目总设计师、飞机结构3D打印应用技术的领军人物,2003年起便组建技术团队,开展了3D打印在飞机结构中的应用研究。通过10余年坚持不懈地持续探索,造就如今居于世界前列的金属3D打印技术与航空工程的融合。

金属3D打印技术能在沈阳飞机设计研究所“开枝散叶”,缘于10多年前的一次偶遇和执着,用王向明的话来说,这可以称作是“一个核桃”的故事。

2003年,北京航空航天大学的王化明教授(2015年当选中国工程院院士)来到沈阳飞机设计研究所,并随身带来了一个类似“核桃”形状的金属物体,犹如技术“种子”,开始孵化钛合金结构激光增材制造应用技术,这也是二人正式创建联合研发团队、展开全面技术合作的开端。通过5个方面13个技术方向的研究,历经10多年时间,走过了3个里程碑。第一个里程碑是2005年,突破钛合金次承力件关键技术,使我国成为继美国之后,世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光成形技术及装机应用的国家。第二个里程碑是2009年,突破了钛合金大型、复杂主承力件关键技术,使我国一跃成为迄今世界上唯一掌握该技术并实现装机工程应用的国家。第三个里程碑是2012年,在新机研制中实现了规模化应用。团队先后荣获国家技术发明一等奖和两项国防科技一等奖。

大型航空钛合金零件的材料利用率非常低,平均不超过10%,同时,模锻、铸造还需要大量的工装模具,由此带来研制成本的上升。通过增材制造技术,不仅可以节省材料2/3以上,数控加工时间减少一半以上,同时不再需要模具,可实现“快速反应”。更重要的是,增材技术解放了制造工艺对结构设计的约束,可以制造出最优化设计的结构件,从而将研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低。


3D打印不仅是一种全新的建筑方式,更是一种颠覆传统的建筑模式


“绿色”前景可期(下篇)


在2015年联合国全球契约中国网络主办的第三届“生态文明·美丽家园”关注气候中国峰会上,国务院参事、中国科学院可持续发展战略研究组组长牛文元表示,装备制造占中国GDP总额的1/4,发展绿色装备制造要以具备带动性、示范性的典型产品和行业为对象,以推动产业链整体解决方案为主线,重点突破绿色设计、绿色工艺、绿色回收资源化等绿色制造关键技术和共性技术。特别对3D打印、先进制造、精细制造、纳米制造、智能制造、柔性制造等领域要给予重点关注。

已经有不止一人预言,在未来工业领域应用方面,金属3D打印将拥有强大的竞争力。现在桌面3D打印机打印出来的普通的成品大都是塑料制品,主要用来展示及作为模型等,在实用性方面还有所欠缺。但随着科技发展和推广应用的需求,利用快速成型直接制造金属功能零件,将成为了快速成形主要的发展方向。金属零件增材技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最具潜力的技术,是先进制造技术的重要发展方向,它所能呈现的功用和空间无法预料。


绿色工业的排头兵


绿色工业是新材料、新工艺、新经济增长点的重要组成部分。绿色工业的产品种类多、附加值高、用途广、产业关联度大,直接服务于各个领域,也是人类社会绿色发展的重点领域。

在2014年的中建八局西虹桥项目装配式建筑现场交流会上,中建八局总工程师马荣全告诉记者:“3D打印装配运用作为预制装配式建筑的五大特点之一,已经被写入上海市公共建筑预制装配式设计规程。在制作柱模时,中建八局率先使用了3D打印技术,而后在现场浇筑核心区混凝土,省去模板支设工序。在对柱模外壁进行装饰处理时,3D打印技术更是显示出了巨大的潜力,今后建筑工地不会再是一片狼藉,城市空气质量也会得到改善。”

在第三届“生态文明·美丽家园”关注气候中国峰会上,全国工商联环境商会秘书长骆建华建议,企业绿色发展要充分利用互联网的理念、思维与方法,提升企业绿色发展的效率,降低成本,形成更广泛的以互联网为基础设施和创新要素的经济社会发展新形态。

作为绿色工业的排头兵,3D打印可以通过减少原材料使用来节省能源。通常大家会认为,工厂量产的塑料制品如果按每一个来算,会比在3D打印机上独立生产所消耗能量要少。这就和“在一口大锅里熔化东西总比在一个试管里来的高效”这个道理一样。然而美国密歇根理工大学的材料科学和工程、电子和计算机工程副教授JoshuaPearce最近发表学术文章认为,3D打印不仅仅更便宜,而且更加绿色环保。在3D打印机上制作东西比从工厂中量产之后运送到仓库的生产方式所耗费的能源更少、释放更少的二氧化碳。

3D打印技术有着广阔的前景,这不仅仅因为其设计制造等方面有着非常强大的灵活性和功能性,还表现在该技术在发展过程中对环境保护有着重要的意义。由于3D打印在室温下就可以进行工作,在安全性得到大幅提高的同时不会产生有害刺激气体(光敏材料具有绿色、无毒、安全的特性)。感光材料具有绿色环保、色彩丰富、透明、夜光、荧光、香芬、温变(可随温度持续变色)等等,能够支持各种特殊效果的处理和环境要求。安徽的“晋马绿宅”就兼顾了变废为宝、节能减排、推广绿色建房方式的农村建房新理念。


机遇与挑战并存


目前全球有两家3D打印机巨头,其中美国的3D打印机制造商Stratasys于1992年卖出第一台商业化产品,该公司在纳斯达克上市,此前收购了以色列一家名为Objet的3D打印机公司。另一家则是同在纳斯达克挂牌的3DSystems公司,它在2012年初通过收购另两家3D打印机品牌ZCorporation和VidarSystems奠定其江湖地位。上述两家公司创造着每年近两亿美元的市场营收,Stratasys的客户不乏宝马、戴尔、英特尔、耐克等世界500强企业。

3D打印技术所引发的掘金潮大有愈演愈烈之势。上述报道中还引述了Objet在中国大华东地区的代理商林永利的说法,指出去年3D打印机在国内企业级装机量约为400台,近两年增长尤其快,年增速均在70%左右,“市场规模肯定超过1亿元人民币”。

有业内人士指出,虽然目前3D打印技术在国内只是刚刚起步,但其背后所蕴含的潜力非同寻常:3D打印机和相关的技术对传统制造业流程而言,无疑是一场颠覆性的革命,对于正处在转型关口的中国制造业来说,机遇和挑战并存。

有分析进一步指出,如果未来中国制造业不能在以3D打印技术为代表的数字化制造技术上夺得一席之位,那么中国制造曾经拥有的优势,都变得不再具有吸引力,国内制造业也可能会面临毁灭性的打击。

大数据时代,3D打印这个词汇从陌生到熟悉,从模糊到清晰,走过了这个时代许多新鲜事物发展演变的路径。人们熟悉的印象里,那个一层一层逐级攀升的塑料材质的物体既可以制成自己的肖像,也可以造出各种模型。但与民众接触到的更具娱乐意味的3D打印技术相比,因材质不同而另称的金属3D打印,则因为技术含量和应用领域的不同而更具有高端性和神秘感。

“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场……”这句对3D打印的评语,现在来看异常贴切。


3D打印技术对传统制造业流程而言,无疑是一场颠覆性的革命


文/ 武文龙


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