《电子技术应用》

颠覆性技术3D打印 从五大方向改造世界

2016/9/27 18:53:00

  提到3D打印,大家都知道,它还有一个名字,增材制造。到底什么是3D打印,最早是什么时候提出来的?3D打印给制造业、给人们的生活带来了哪些变化。

  3D打印是啥技术

  卢秉恒院士在第十八届中国科协年会暨特邀报告会上说,3D打印的核心就是把原来的减材制造、等材制造变成材料增加型制造。从制造方式上看,制造技术可以分为三类。一种是等材制造,铸、锻、焊在制造过程中重量基本不变,已经有3000年历史了。一种是减材制造,车铣刨磨机床通过材料的切削去除,达到设计形状,已有300年的历史。还有一种是增材制造,在制造过程中材料一点一点地累加,形成需要的形状,才30年的历史。麦肯锡预测,12项颠覆性技术中,3D打印排第九,这是2013年的预测。而且预测今后将会形成万亿美元的产值。这样一来,3D不仅从概念上的三足鼎立,可能走上价值链的三分天下。

  3D打印带来的改变

  3D打印对产品开发是颠覆性的技术,使原来开发的周期和费用降为原来的1/2以下,而且各个领域都有很好的应用。3D打印由于是把减材变成增材,在航空航天、很多大型柔性件,加工切削要95%的材料,如果用3D打印去做,材料的利用率提高到80%以上,而且可以把很多的结构集成为一体,这样一来,将会使飞机的重量大为减轻,甚至变为原来的2/3就够了。而且在制造中,逐渐从研发实验中验证的一体化打印,走向我们向飞机发动机这样复杂的产品能不能一体化地打印。3D打印带来的很多装备和产品再设计,因为由这个制造的理念,摆脱了以前加工方法给设计者带来的约束,给创新设计带来非常巨大的空间。刚才讲的那个例子,包括两万多个零件的汽车,也可能变成几十个件,这样一来,大大简化了生产流程,节约了成本,也可能提高制造的速度。

  为小朋友科学兴趣打开一扇窗

  在全国科普日上,陕西科技馆带来的3D打印笔一经展出,就有着颇高的人气。前来体验的小朋友将自己喜欢的模型亲手打印出来,有漂亮的花蝴蝶、有眼镜、还有自行车。操作非常的简单,将耗材丝插入导入口,接通电源预热,按下进丝按钮,直到笔尖吐出熔融状态的耗材时,就可以在纸上发挥自己的创意开始制作了。所需要的耗材丝也是无毒无味,小朋友都可以放心使用。根据孩子操作程度,打印一只蝴蝶或一副眼镜最多需要10分钟。带着孩子来体验的家长表示,很早就知道3D打印技术,想象中都是大型机器在操作,让孩子实际操作有困难,3D打印笔不仅让孩子们感受到它的操作乐趣,还开启了他们对科学的兴趣。

  3D打印在医疗中的使用

  其实,3D打印已经应用到很多领域,比如用于医疗中。对于颌面缺失、颅骨缺失的患者来说,能够将缺失部位完美复原,将是最大的心愿。通过专业系统,采用数字化软件设计和3D打印技术智造出完全符合每个病人生理解剖曲率的个性化骨骼。患者只需提供CT片数据,然后将数据输入系统中,就可以对患者的缺失部位进行复原,用3D打印技术将患者缺损部位打印出来,精确度仅仅只相差0.02毫米,可以针对不同患者的需求进行私人定制。

  由西安邮电大学获悉,自动化学院创客空间研发的3D打印心脏立体精准模型技术的成功,也为满足相关医学临床要求提供了坚实的技术保障。3D打印心脏立体精准模型技术能够准确重现心脏所有腔室、瓣膜、腱索、乳突肌等重要解剖结构,可有效辅助心脏手术规划、预演和风险规避,缓解病患家庭负担,有着重要的社会意义。

  3D打印开辟新的生产方式

  卢秉恒举例说明3D打印所带来的革命性改变:2014年,GE公司研发的飞机发动机喷嘴,把20个零件做成了一个零件,材料成本大幅度减少,还节省燃油15%,这等于一代发动机的概念。而每开发一代发动机要上亿欧元,如今一个喷嘴就解决了。3D打印同时开辟了一个新的生产模式,就是把批量化制造可能变成个性化定制,而且制造成本和周期都可能提升不多。同时,他为广大的创新设计带来了非常好的验证手段,因此我们今后的创新工作者不再受单位工作职位的约束,它可以设计新的服装,可以设计新的飞机结构,用自己的3D打印机在家里就可以进行验证,这样一来我们就可以有很多创新的东西不断涌现,用网络化平台,用3D打印去支撑万众创新和万家创业,是个非常好的工具。同时,也开辟了科研的新手段,就是用3D打印做材料基因组计划的验证平台,不需要那么复杂的熔炼设备,不需要消耗那么多能源,用一缸材料粉,就可以达到几千摄氏度的高温来冶炼出超高强度、超高耐温、超高韧性、超高抗蚀的一些优异的合金材料。同时,我们也可以进一步通过细胞打印、器官再创以及基因再创,用3D打印的办法支撑生命科学的高速发展。

  设想未来将出现5D打印

  3D打印的趋势正在从专业化走向社会化,从产品开发的工具,走向批量生产制造的手段,有可能在航空航天方面首先获得突破。另外,从控形的制造走向控形控性,从3D打印走向4D打印,智能材料,打印之后还能改变形状。5D打印,改变以后还可以赋予它生命,人体的活性器官可以用3D打印的办法快速的定制。现在甚至在设想,今后可能把制造业的一部分搬到太空中去,因为在太空中进行3D打印有很多的优势优点。

  协同创新推广先进制造技术

  现在3D打印正在处于技术发展的井喷期、产业发展的起步期,很多企业都在跑马圈地。怎么样推广这些先进制造技术,卢秉恒说,我们中国制造2025正在进行加紧推进,但是我们要认清有哪些优势、有哪些劣势,我们要必须通过全社会的协同创新,才能做到中国制造2025规划的宏伟蓝图。首先,要做好协同,例如我们科技研发的计划,怎么样很快地推新工业应用,这就是一个牵引的问题。像高端数控机床做出来以后,还有一些问题,可靠性还不够高,但是如果不给它机会,总是找不到应用方面去。像德国弗朗霍夫研究院方式非常好,经费的来源最后就走向政府、项目和企业委托各拿1/3,既体现了先进的水平、国家的意志,又体现了市场的需求。而美国是利用它的网络的发达、信息技术的发达,来做制造创新网络。我们中国应该是二者兼而有之,既有用网络进行推广扩大,又要有自己的核心研发力量。


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