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中国工程院院士徐志磊分析3D打印技术的利与弊

2014年10月25日 09:51中国机床商务网点击:4589

  【中国机床商务网 机床上下游】中国工程院院士徐志磊说3D打印技术是从虚拟到现实的理想捷径,是第三次工业革命的重要环节之一,将对人类未来生活的各个方面产生深远的影响。因此特解析3D打印技术的长处和短板。
  
  3D打印技术应用领域广泛
  

  问:3D打印近几年很火,我们曾听说3D打印出真枪,甚至人的耳朵。这是个新兴产业吗?
  
  徐志磊:不完全是,这类技术最开始出现在20世纪80年代,但那个时候它不叫3D打印,我们在中国叫快速成型。它的核心就是将所需成型工件的复杂3D形体,通过切片处理转化为简单的2D截面的组合。因此不必采用传统的加工机床和工模具,依据工件的三维计算机辅助设计(CAD)模型,在计算机控制的快速成型机上,沿着高度方向逐层沉积材料,成型工件的一系列2D截面薄片层,并使片层与片层之间相互粘接,最终堆积成三维工件。
  
  3D打印为什么这么火,我觉得还是取决于计算机和网络的快速发展。20年前,我们所处的还不是网络时代,还不能发展得这么快。而现在,3D打印几乎能做到“想打就打”了,只要电脑软件能支持就可以。
  
  问:这个技术能运用在哪些领域上?
  
  徐志磊:小到细胞、牙齿、骨骼甚至我们自身,大到房屋、汽车、飞机等,都能够打印成型。
  
  徐志磊认为航空与军工业,是3D打印比较容易发展的方向。对于国防工业的器件,用3D打印技术来做,可能是一个很好的应用领域。因为国防工业用的材料或者零部件,它的数量不是特别大,所以零件适合用3D打印来做,如果用传统的技术来做,可能它的生产条件、设备、代价就会比较高。比如波音公司,或者像美国的F35、F22,例如德国的奔驰、宝马等一些车部零件,就已经开始用3D打印来制造了。
  
  徐志磊:在产品的原型或模型制作上,3D打印也已经得到了运用。另外,一些非金属工程零件的制作,3D打印也能驾驭,而且一些很复杂的、传统工艺制作起来很费劲的、很精密的结构,它更是能够胜任。
  
  徐志磊:能推动制造业的进步。
  
  3D打印的优势
  
  问:3D打印这一技术比起传统制造业而言,优势在哪里?
  
  徐志磊:减材制造是机械制造业最常用的成型方法。但它采用的毛坯通常需铸造或锻造而成,并且还需要模具,加工周期较长,材料利用率较低,成本较高。此外,还受刀具或模具的限制,有时甚至无法成形一些内外形状很复杂的工件。另外,在铸造过程中,往往要将所需要的形状,从一整块原材料中制造出来,这不可避免地会带来浪费。
  
  徐志磊:但3D打印技术对传统制造业的工艺改进和新材料的应用,具有颠覆性的意义和作用。与传统制造业先制作模具,然后才能把设计原型制作出来的生产方式不同,3D打印技术无需制作模具,也不需要任何机械加工,只需要通过电脑辅助技术得到3D数据,并传送到3D打印机上,即可制作。
  
  徐志磊:这种数字化制造模式,不但降低了因模具生产和改进所投入的成本,也大大提高了生产效率,同时也避免了模具在生产完成后便无价值的资源浪费。
  
  问:除了成本之外,它还有其他的优势吗?或者说它在其他领域会有什么应用?
  
  徐志磊:生物3D打印在医学领域,应用前景还是挺大的。因为它具有快速性、准确性以及擅长制作复杂形状实体等特性。特别是个体之间的身体构造、病理状况,都存在特殊性和差异化,而3D打印能很好地满足这一点。比如动手术之前,医生就可以通过3D打印技术,打印出相应的器官进行演练,从而更好地完成手术。
  
  徐志磊的优势在建筑设计业也有所体现。通常建筑的设计需要经过多次改动。但是制作模型往往并不是件简单的事,特别是在一遍遍的改动下。而3D打印就能简化设计师们的工作量,只要把图纸通过软件输入3D打印机内,几个小时就能打印出来。一些比较前卫的、复杂的建筑,人工制作模型比较困难的,3D打印技术就能够提供这样的帮助。
  
  问:3D打印技术对于推动工业产业,尤其是制造业的进步,是否具有特别意义?
  
  徐志磊:确实是。与前两次工业革命相比,在3D打印技术得到广泛运用的情况下,现代制造业也许不再运用工厂。这种将人力、资金、设备等生产要素大规模集中化的生产方式,转变为一种以3D打印机为基础的,更加灵活、所需要投入更少的生产方式,这种趋势被称之为社会化制造。当这种方式得到广泛运用,那么每个人都可以是一家工厂。
  
  而且徐志磊认为,3D打印将极有可能孕育第三次工业革命。徐志磊打个比方,我们的生产线可以做到,送一头牛进去然后出来牛肉罐头,同样也能把牛肉罐头放进去,然后生产出一头牛。后者就是3D打印能做到的。
  
  徐志磊:3D打印将显著提高人类对物质世界的控制能力,几乎是一种最理想的工具手段,也许未来将会以我们难以预料的方式,永久改变人类的文明进程。
  
  3D打印技术的弊端
  
  徐志磊:精度和效率成最主要挑战。
  
  问:3D打印技术很强大,但也面临着不少问题和挑战。要想进行大规模的应用,短期内是否还比较难?
  
  徐志磊:你说得对。主要是精度和效率,我们做出来的不少成品精度在0.1毫米左右,表面光滑度也不高,真正要作为机械工程的零部件来说,它的精度还很不够。所以,我们希望能够争取把金属材料的精度,做到10微米(1微米=0.001毫米)、20个微米,40个微米。如果我们能达到这个水平,那就有可能直接用3D打印做零件,而不是翻模具重新来做。
  
  徐志磊:另外,要把精度分辨得极高以后,它必然带来的问题就是效率会比较低。所以怎样又快又好地打印出成品,还需要我们改进和研究。除此之外,并不是传统的材料,3D打印都可以拿过来用,现在用得最多的是塑料,金属和陶瓷等还在进一步的探索中。因此有必要开发更好的材料,这样应用范围就会大很多。不过真正高精度、高强度的材料,做起来难度也大。因为一次3D打印做出来以后,还有长期应用、耐疲劳等问题。另外,生产出来的材料,有的要求要大,有的要求要薄,这些要求以及工艺稳定性都亟待解决。所以想要真正做到零部件生产,难度非常大。
  
  因此3D打印离大规模应用还有一定距离,短期内还不能够实现,至少我们目前水平还没有达到。除了产业联盟,我们的大学、研究所,要用更多的精力去研究光源、材料、制造零部件的3D打印设备,这些也是非常重要的。
  
  中国3D打印技术现状
  
  问:3D打印技术现在处于一个什么样的状态?我国又有什么样的计划呢?
  
  徐志磊:今年早些时候,中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军就表示过,中国有潜力成为世界最大的3D打印市场。未来三年内中国将正式启动至少10个3D打印创新中心,发展500家传统企业进入3D打印技术产业联盟。3D打印市场的产值,则可能会从10亿元人民币,增长到100亿元。
  
  不过,事实上3D打印的颠覆之路还很长。总体而言,它目前仍处在起步阶段,距离大规模应用还有一段时间。传统制造业所擅长的批量化、规模化生产以及精益化生产,恰恰是3D打印的短板。而公众对于3D打印技术的认识也不够全面,它并非无所不能,其技术核心在于,它可以解决高难度、复杂、个性化的设计需要,只有当传统生产方式无法应用的时候,它的魅力才能显示出来。
  
  徐志磊:目前,它的最大优势在于产品高端开发和满足个性化需求方面,虽然它的普及领域越来越广,但更多的是用在高端研发,无法形成产业化。例如,网上售卖的一款3D打印机,打印一只普通手机壳大概需要两小时,但打印的材料却只能用价格不菲的ABS塑料。这样一来,所花费的成本和时间,就会大大超过在超市购买一个手机壳的开销,这也因此会限制3D打印技术,在低端民用市场的普及应用。
(来源:中国机械设备生产门户)

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