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第5章 关于3D打印(2)

3D打印技术在文化创意领域的运用则一直被我们忽视。上海大学的胡庆夕教授给我建议,希望联盟在上海建立基地,把创意产业壮大起来。一开始,我们的确还没有这个概念,并不清楚文化创意领域有多大的市场空间,因此我的反应并不积极,但是,当我对文化创意市场有了深入的调研和认识以后,我觉得这不仅是一个庞大的市场,更是推动3D打印技术科普、教育和培训的最佳切入点。3D打印技术进学校、进家庭,让更多人参与到3D打印技术的科普和应用中去,是3D打印技术产业发展不可或缺的重要一环。

2010年上海世博会期间,世博局组织了100人的研发团队,利用90天时间开发“海宝”纪念品,由于当时他们没有运用到3D打印技术,只能通过传统的方式开发,尽管他们觉得效果不佳,但是还是实现了240多亿元的产值。事后他们再三强调,如果早前运用3D打印技术开发纪念品和工艺品的话,可望实现1000亿元的产值,这让我眼前为之一亮。3D打印技术在文化创意产业不仅可以开发个性化的工艺品、纪念品,以及拍摄电影电视用的个性化道具,还可以打印房地产开发公司的沙盘和房屋模型等。

为此,我们着手开展以下三项工作:

一是搭建3D在线商务平台,利用云端服务理念,整合联盟成员资源,把会员企业公司网站各自分散的电子商务功能集中整合到3D在线,搭建社区服务平台,形成合力;

二是组建3D打印技术产业基金,扶持一批有技术、有市场的企业做大做强;

三是组建3D打印产业总部基地,集中建设3D打印技术产业研究院、3D打印学院、3D打印技术总部基地、3D打印技术产业园,搭建3D打印技术的公共研发服务平台。

3D打印技术的独到之处

了解制造业的人都知道,传统的制造工艺最核心的一个环节就是要建模,许多复杂的个性化产品能够设计出来,但最大的困难是生产不出来,原因就出在建模环节。3D打印技术可以很好地协调这两方面的矛盾,这种技术最突出的优点就是无需模具就能够成型,也不需要机械加工,就能直接依据设计好的三维图形数据打印出任何形状的物体。

对3D打印技术来说,最容易做的事情就是建模、造模,也就是在原型制造方面、大众消费领域、生物医学领域,基本上都能够做到得心应手。即使我们没有三维数据,我们也可以通过逆向建模的方式对物体进行三维扫描,获取数据。而最难的,也是业内认为最核心的技术是在复杂的大型金属结构件的直接制造方面。这一块,过去美国有家公司一直在做,但没有取得重大技术突破,如今这家公司已经破产倒闭了。中国3D打印技术产业联盟联席理事长、长江学者、北京航空航天大学王华明教授在这方面历经多次失败之后,最终取得重大突破,并依靠此技术荣获2012年国家技术发明一等奖。长江学者、西北工业大学黄卫东教授在这方面也建树颇丰。

除了建模、造模比较困难之外,并不意味着3D打印就可以在制造业畅行无阻。高性能金属零件激光直接制造技术被业内认为是3D打印技术里面难度最大的一项技术。该技术以金属粉末为原料,通过激光逐层熔化沉积生长,直接从CAD模型一步完成高性能构件的“近终成型”,彻底改变了高性能难加工大型金属构件的传统制造模式,具有无需重型锻造工业装备及大型锻造模具制造、材料制备与零件近终成型一体化、材料利用率高、机械加工量小、数控加工时间短、生产成本低、制造周期短、柔性高效等独特优点,被誉为是一种“革命性”的短周期、低成本、“近终成型”、数字化的先进制造技术,为钛合金等高性能难加工大型整体金属关键结构件的制造提供了一条新途径,在航空、航天、核电等重大装备研制与生产中具有广阔的应用前景,成为过去20多年来材料制备科学和先进制造技术学科领域国际前沿研究和竞争热点之一。

3D打印技术有哪些

3D打印技术主要包括立体光固化成型技术(SLA)、熔融沉积成型技术(FDM)、选择性激光烧结(SLS)等工艺。

立体光固化成型技术(SLA)

立体光固化成型技术(Stereo Lithography Apparatus),是先用软件把3D的数字模型,“切”成若干个平面,这就形成了很多个剖面,在工作的时候,有一个可以举升的平台,这个平台周围有一个液体槽,槽里面充满了可以紫外线照射固化的液体,紫外线激光会从底层做起,固化最底层的液体,然后平台下移,固化下一层,如此往复,直到最终成型。

光固化成型由于具有成型过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度高以及能够实现比较精细的尺寸成型等特点,从而得到最为广泛的应用,在概念设计的交流、单件小批量精密铸造、产品模型、快速工模具及直接面向产品的模具等诸多方面广泛应用于航空、汽车、电器、消费品以及医疗等行业。其缺点是可以使用的材料有限,应用面比较有限。

熔融沉积成型技术(FDM)

熔融沉积成型技术(Fused Deposition Modeling),同样需要把3D的模型薄片化,但是成型的原理不一样。所谓熔融沉积成型技术,就是把材料用200~400摄氏度的温度熔化成液态,然后通过喷嘴挤压出一个个很小的球状颗粒,这些颗粒在喷出后立即固化,通过这些颗粒在立体空间的排列组合形成实物。这种技术成型精度更高,成型实物强度更高,可以彩色成型。

熔融沉积成型技术的优点是材料利用率高,材料成本低,可选材料种类多,工艺简洁;缺点是精度低,复杂构件不易制造,悬臂件需加支撑,表面质量差。该工艺适合于产品的概念建模及形状和功能测试,以及中等复杂程度的中小原型,不适合制造大型零件。

选择性激光烧结技术(SLS)

选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering),由美国得克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。选择性激光烧结工艺是利用粉末状材料成型的,一开始它将材料粉末铺撒在工作台的表面上,并刮平;用高强度的二氧化碳激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面;材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起,得到零件的截面;当一层截面烧结完后,再铺上新的一层材料粉末,选择性地烧结该层截面并与下面已成型的部分粘接。

选择性激光烧结比立体光固化成型技术(SLA)要结实得多,通常可以用来制作结构功能件;激光束选择性地熔合粉末材料,如尼龙、弹性体、金属粉末,相较于立体光固化成型技术,材料更加多样且性能接近普通工程塑料材料。

每种技术都有各自的优缺点,因而一些公司会提供多种打印机以供选择。一般来说,主要的考虑因素是打印的速度和成本、3D打印机的价格、物体原型的成本,还有材料的选择和成本。

打印技术的工艺类型工艺简介主要用材主要开发

自2012年以来,有关3D打印的报道屡见报端,这一新型制造技术引起了全世界的广泛关注。《中国3D打印的未来》作者、中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军认为,中国从20世纪90年代初开始涉足3D打印技术,并取得了巨大进展,但与国外同行相比仍存在一定差距。特别是中国3D打印企业普遍存在“小而散”、各自为政的现象,如何发挥整合优势、抱团发展是目前亟需解决的问题。如果能够加强同行合作,抱团发展,形成合力,相信3D打印会成为唯一一项中国有可能赶超世界先进水平的技术。

厂商立体光刻 (SL)激光(UV Light)扫描并曝光液态光敏树脂,聚焦光斑处树脂反应固化,然后工作平台至下一深度,保持液面处于聚焦平面,逐层成型光敏树脂材料3D Systems立体光固化成型光敏聚合物喷出后由激光按设定程序区域性迅速固化,可直接在前一支撑层上成型,最后将胶状支撑材料清洗除去;适合制作复杂结构,精度可达0.16μm/层光敏聚合物Object GeometriesPVC塑料烫印覆膜切割刀根据横截面数据逐层切割并以此堆叠,最后拨除冗余的PVC材料;机器价格与制作成本相对较低PVCSolido熔融沉积成型(FDM)喷头沿零件截面轮廓与填充轨迹运动(CAD控制路径),挤出熔化材料并迅速固化;逐层成型,后层需前层支撑与定位。可用PVC、ABS等高强度材料直接铸造零件ABS工程塑料、石蜡Stratasys三维喷绘打印(3DP)软件将3D CAD文件分割为薄截面片,截面处铺上粉末,以喷墨方式涂上连接体,逐层打印形成三维模型高性能复合材料(高强打印粉)Z Corporation数字光处理(DLP)对光固化性ABS树脂表面进行曝光,每层曝光仅数秒,比激光扫描方式快光固化性ABS类树脂envisionTEC &; Z Corporation

正确认识3D打印技术的先进性、重要性

就像人们认为一瓶包治百病的药基本上等同于假药一样,如果一项技术被认为是无所不能的,也就离它泡沫化相去不远。因此,准确评价和认识3D打印技术,十分必要。

毋庸置疑,3D打印技术已在社会公众中引起较大的兴趣和强烈的反响。工业经济界对3D打印技术寄予厚望,业内人士普遍认为3D打印技术将是推动第三次工业革命的重要载体。作为一项前沿性的生产技术,我们应该对3D打印作出科学客观的评价,增强对其先进性、重要性的认识,这样才有利于该技术的应用、提升和进一步发展。

用于优化新产品的设计开发,3D打印技术可以有效缩短新产品研发周期,提升研制的成功率。计算机辅助设计提供的是三维图像,而3D打印制成的试件原型可用于物理、工程力学、材料力学、流体力学等方面相应功能的试验,使新产品的设计研发更能赢得市场信心并更具竞争力。

3D打印技术的应用还改变了现有的生产模式和商业模式,区别于集中、大规模的生产制造,变为社会化分散式的制造。遍布分散的小微企业甚至家庭制造承担着众多的零部件、元器件加工,与整机组装相配套,形成了上下关联的产业群。

由于具有以上的明显优势,3D打印技术取得了迅速发展。但要进一步扩展其应用空间,仍面临着多方面的瓶颈和挑战,如打印设备的精度、速度、稳定性和效率还不够高,应用还十分有限,打印材料多局限于化学聚合物,打印机造价高,打印产品成本高等。因此,总的来看,3D打印还处于成长阶段,有些技术还有待突破,从技术成熟到适应市场广泛应用尚需时日。目前重要的是致力于加强创新研发,开拓产业化、商业化路径,做好典型示范。在技术尚未充分完善时就大规模扩张产能,将可能会潜伏着风险。

自20世纪80年代诞生第一代3D打印技术以来,目前已经开始进入到第二代3D打印技术。那么,第一代与第二代甚至是第三代3D打印技术究竟有什么区别呢?

第一代3D打印技术主要是用来打印玩具和一些功能性要求不高的塑料产品、尼龙产品、陶瓷产品,精度要求不高,速度比较慢,材料的选择也非常有限,设计爱好者是主要应用对象,多用于科技普及。

第二代3D打印技术诞生于21世纪,标志是在工业、生物医学等领域的深度应用,能够打印出终端产品,功能性是主要特点,材料已经开始向钛合金等高难度的金属材料、多用途复合材料、生物材料、智能材料领域拓展。

第三代3D打印技术应该是智能化程度更高,3D打印技术与互联网技术、自动化技术、智能材料等其他先进技术结合更为紧密,操作更为科学、合理、简单,速度更快,材料应用面更广。

3D打印技术不是一个终端技术,而是与其他先进技术融合,并从中发挥主导作用的技术。第二章3D打印的应用与发展

3D打印的应用与发展历史经验反复证明,在全球经济陷入衰退之时,正是是新经济萌芽和新技术的诞生之时。之所以全球经济萎靡不振,表明传统的生产关系已经严重阻碍了生产力的发展,变革成为生产关系新的动力。以3D打印技术为代表的新技术和新工业革命的发展迎来千载难逢的历史机遇。

2012年以来,第三次工业革命的探讨达到高潮。针对什么技术将引领一场科技革命,业界看法不同。

美国学者杰里米·里夫金在他的新书中称,互联网与新能源的结合,将会产生新一轮工业革命——这将是人类继19世纪的蒸汽机和20世纪的电气化之后的第三次“革命”。支撑他们这派观点的主要论据和观点,是前几次革命的共同点都是从“能源”开始。

而英国《经济学人》杂志明确指出:3D打印技术市场潜力巨大,势必成为引领未来制造业趋势的众多突破之一。这些突破将使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具,改由更加灵巧的电脑软件主宰,这便是第三次工业革命到来的标志。

观点虽有很多,但事实只能有一个。这导致许多记者在采访时都希望我能明确给出一个结论:里夫金和《经济学人》究竟哪个说的更有道理?

这个问题本身就是个问题。无论是里夫金主张的新能源与互联网结合,还是《经济学人》主张的3D打印技术,都有一个共同特点:都是新兴产业,目前我们对这些技术的认知还比较模糊,或者说才刚刚开始。在没有完全认知的情况下,靠预测或者想象来判断,是很不科学的事情。一个负责任的学者,不会在这个时候就妄下定论。

首先,我们无法预知未来,我们能够做的只是通过各种科技创新手段改变我们的现状,共同创造未来。也就是说,对于很多新材料、新技术、新工艺的出现,我们都无法事先下一个结论,我们对世界的认识和对未来的把握都还处于一个相对肤浅的阶段。但是通过实践,我们可以逐步发现它们的价值。比如前两次工业革命,一开始我们并不知道这就是新一轮工业革命的到来。

不少新技术的确给我们带来了巨大的改变,但是它仅仅是一场深刻的技术革命,未必能够带来工业革命如此强大的磁场力量。现在大家所熟知的互联网产业,是现代科技中效果最为明显的一场革命,对我们的传统生产方式、生活方式带来了巨大的改变。

互联网产业能否推动第三次工业革命?目前业内呈现两种鲜明的观点。

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