《增材制造3D打印未来_王至尧》由会员分享，可在线阅读，更多相关《增材制造3D打印未来_王至尧（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2013.6热点关注Hot3D（three-dimensional）打印是最近媒体对增材制造技术的“俗称”。增材制造（AdditiveManufacturing，AM）技术是依据三维CAD设计数据，采用离散材料（液体、粉末、丝、片、板、块等）逐层累加原理制造实体零件的技术。相对于传统的材料去除（如切削等）技术，增材制造是一种“自下而上”材料累加的制造工艺。从20世纪80年代增材制造技术开始逐步发展。3D打印的工作原理增材制造技术的核心最早起源于美国，早在1892年，美国一项专利中提出利用分层制造法构成立体地形图。但由于当时各项技术的局限性，近一百年后才得以实现。1988年美国的3D系统公司生产
2、出了第一台基于光固工艺的增材制造装备SLA250，开创了增材制造技术的发展。3D打印的工作原理类似喷墨打印机，不过喷出的不是墨水，而是黏结剂、液态的蜡、塑料或树脂。三维打印与从毛坯上去除多余材料的切削加工方法完全不同，也与借助模具锻压、冲压、铸造和注射等强制材料成形的工艺迥然有异，是一种“增量”成形技术。具体成形过程是根据三维CAD模型，经过格式转换后，对零件进行分层切片，得到各层截面的两维轮廓形状。按照这些轮廓形状，用喷射源选择性地喷射一层层的黏结剂或热熔性材料，或用激光束选择性地固化一层层的液态光敏树脂，或烧结一层层的粉末材料，形成每一层截面两维的平面轮廓形状，然后再一层层叠加成三维立体零
3、件。增材制造不需要刀具和模具等，辅助器件大幅减少，且免除了传统工艺往往需要多道加工的烦琐过程。该技术利用三维CAD模型在一台设备上可快速而精确地制造出复杂结构零件，从而实现“自由制造”，大大缩短了加工周期。而且越是结构复杂的产品，其制造的速度越快。3D打印技术应用广泛20年来，增材制造技术取得了快速发展。增材制造原理结合不同的材料和实现工艺，形成了多类型的增材制造技术及设备，目前已有的设备种类达到了20多种。增材制造技术在电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息及艺术设计等领域被广泛应用。传统制造技术均是将多余的材料去除，俗称为“减材法”。增材制造技术的材料利用方式刚好相反，采用“增材法
4、”，这也是该技术名字由来的直接原因。复杂结构的快速制造增材制造技术将三维实体加工变为若干二维平面加工，大大降低了制造的复杂度。理论上，只要在计算机上设计出结构模型，就可以应日前，在中国（上海）国际技术进出口交易会上，3D打印技术专区汇聚了国内外近30家知名企业和机构。从工业级应用到民用级，3D打印技术正逐步进入商业社会。我国也将在未来3年，正式启动10个3D打印创新中心。增材制造3D打印未来中国航天科技集团航天产品工程定型指导专家王至尧研究员图1.增材制造的复杂镂空零件142013.6热点关注Hot用该技术在无需刀具、模具及复杂工艺条件下快速地将设计变为现实。制造过程几乎与零件的结构复杂性无关
5、，可实现“自由制造”，这是传统加工无法比拟的。应用增材制造技术可制造传统方法难加工（如自由曲面叶片、复杂内流道等）甚至是无法加工（如内部镂空结构，图1）的复杂结构，在航空航天、汽车、模具及生物医疗等领域具有广阔的应用前景。个性化定制增材制造在快速生产和灵活性方面极具优势，适合于珠宝、人体器官、文化创意等个性化定制生产、小批量生产以及产品定型之前的验证性制造，可大大降低个性化、定制生产和创新设计的加工成本。高附加值产品制造增材制造技术诞生只有20多年，相比较传统制造技术还不够成熟。现有大多数增材制造工艺的加工速率较低（如单位时间内制造的体积或重量）、零件加工尺寸受限（最大为2米左右）、材料种类有
6、限，主要应用于成形单件、小批量和常规尺寸制造，在大规模生产、大尺寸制造等方面不具备优势。因此，增材制造技术主要应用于航空航天、生物医疗以及珠宝等高附加值产品，且主要用于大规模生产前的研发与设计验证以及个性化制造。3D打印改变未来生活不论是从心脏瓣膜到一座教堂，还是从儿童玩具到汽车发动机，增材制造已经悄悄来到了我们身边。而未来增材制造将在哪些方面给我们带来变化呢？下面就让我们了解几个使用增材制造技术的领域。医疗行业体外医疗模型和医疗器械的个性化制造利用增材制造技术制造具有个性化结构且具有功能性的人工器官与组织。增材制造的零件无需植入体内，所用材料也不需要考虑生物相容性等问题；而体外医疗器械一般也
7、只考虑所用材料的力学和理化性能。目前，这类应用最为成熟也最为普遍，正在为人们的健康服务。在美国，此类应用已经广泛纳入医疗保险的范畴，特别是对于大型或高风险的手术，体外模型已经成为常(a)定制化植入体CAD设计(b)复合定制化植入体(c)术后形态恢复良好图2.增材制造定制化下颚骨修复体152013.6热点关注Hot规手术步骤，医生须通过它进行手术规划，并与其他医生探讨与手术相关的各种重要问题。案例：定制化下颌骨替代物修复下颌骨溶解患者是一位少年，曾经活泼好动的他，不知什么原因患上了一种奇怪的病，导致下颌骨不断地萎缩溶解，到最后成了一个“丢失下巴的少年”。慢慢地，他变得沉默寡言，甚至不愿意上学，到
8、多家医院就诊都没有找到合适的治疗方法。直到在第四军医大学口腔医院就诊后，医生决定和西安交通大学一起制作一种复合型定制化下颌骨替代物，由患者自身的腓骨和通过增材制造技术制作的两段定制化升支假体组成。手术后，面部形态恢复正常，少年恢复了自信。该病例成为我国第一例全下颌骨溶解修复病例（图2）。科学研究美国的研究人员通过对恐龙化石进行三维扫描，获取三维CAD数据模型。然后，利用增材制造技术做出适合研究的三维实体模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，使其更适用于科学研究。文物保护博物馆里常常会用许多复制品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害。最近，美国史密森尼博物馆，因为托马斯杰弗
9、逊雕塑真品要在弗吉尼亚州进行展览，所以博物馆用了一个巨大的增材制造复制品放在了原来雕塑的位置，游客很难发现这一“偷梁换柱”的举动。建筑设计在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用增材制造“打印”建筑模型，这种方法不但快捷、成本低、环保，同时制作精美，完全合乎设计者的要求，还能节省大量用材。食品产业没错，就是“打印”食品。研究人员已经开始尝试利用增材制造技术“打印”巧克力了。或许在不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品增材制造“打印”出来的。当然，到那时人工制作的食品可能会更昂贵。汽车制造业不是指整个汽车是增材制造打印出来的（或许有一天也可能会实现），而是说汽车行业在进行安全性测试等工作
10、时，会将一些非关键部件用增材制造的产品替代，在追求效率的同时降低成本。首饰、个性化服饰业、制鞋业这是最广阔的一个市场，在未来，不管是个性笔筒，还是半身浮雕的手机外壳，或是你和爱人拥有世增材制造复制恐龙化石模型增材制造复制文物162013.6热点关注Hot界上独一无二的戒指，都有可能通过增材制造技术“打印”出来。3D打印也有局限一种新技术的应用，除了技术上的突破以外，价格也是非常重要的因素，3D打印目前生产成本还很高。与传统切削加工技术相比，产品的尺寸精度和表面质量相距较大。目前，3D打印的材料价格是传统材料的10倍，甚至100倍。打印产品的尺寸精度是0.1mm，要达到微米级还有很长的路要走。成
11、本和质量是新技术普及的第一道关口。材料的可选择范围可能是最大的障碍，目前可以用于3D打印的材料不超过100种，且3D打印材料的物理性能也有待提高。随着3D打印技术的进步，高性能、高质量、低价格材料出现以及CAD、CAM软件的普及，将会出现一大批专业的个体3D打印企业。从长远来看，如果3D打印的尺寸精度提高10倍，尺寸范围增加10倍，制品的尺寸稳定性、耐热性和防潮性大幅提高，必将获得更加广泛的工业应用。新工业革命的核心是数字化网络化制造，以更多的虚拟活动取代现实活动，3D打印在很大程度上体现和顺应了这一潮流，对未来社会、经济、生产、教育将产生一定影响。但不能把3D打印看作就是新工业革命，过分夸大
12、它的作用，没有互联网，没有新材料，没有新商业模式的出现和人们观念的变化，3D打印仅仅是制造物品的一种新工艺。新技术往往只有在价格下降千百倍以后，才能得到真正普及。福特发明了流水线，使T型车的售价降到950美元，让汽车进入了普通家庭，拉开了批量生产方式的序幕。今天，1台数千元PC机的性能可与30年前上千万的计算中心相当，所以PC机无处不在。10年前，3D打印机售价数万到数十万美元，现在家用3D打印机仅需1749美元(并非最便宜的)，供家庭打印玩具、装饰品、家庭用具等物品。在未来35年内，家用3D打印机会降至300500美元。从国内外的研究和应用情况看，增材制造较传统工艺的技术成熟度低，离大范围应
13、用尚有一定差距，还面临工艺控制、材料可用性和种类扩展以及产品性能的稳定性和重复性等一系列挑战。目前尚没有设计标准、工艺规范、标准、测试与验证标准，距产品化尚有一段路要走。所以，目前增材制造还难以替代传统制造工艺，在大范围应用前还有若干难题待攻克。3D打印未来制造的突破点增材制造技术的材料叠加成形是制造工艺的重大创新，而3D打印机是一种新型制造装备，这种装备既是制造工艺原理的创新，又是数字化技术应用的产品创新，它的广泛应用将使人们的制造活动更加自由。未来增材制造技术将克服现有的如成形材料单一、成形效率不高、成形精度不高等局限性，实现更大的突破。只要能想象出来的东西，增材制造几乎都能打印出来。这极
14、大地满足了人们想将平面图像制作成立体实物的愿望，刺激了人们无限的想象力。目前已经有50多个此类实验室分布在全球17个国家如同前人无法预料，1450年的印刷术，1750年的蒸汽机，还有1950年的半导体对人类进步所带来的影响，这项新技术已经向我们走来，而且有可能颠覆其所涉及的所有领域。2011年，全世界就已有约2.4万人拥有家用3D打印机人人都会成为创造者。美国时代周刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”，英国经济学人杂志认为它将与其他数字化生产模式一起改变未来生产与生活模式，实现社会化制造，个人开办3D打印设备工厂，改变目前商品流通方式，改变世界经济格局，改变人类的生活方式。（责编孔祥宇）增材制造用于新型F1赛车的研发增材制造“打印”建筑模型17
