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3D打印正重塑制造业竞争格局 替代传统制造有待时日

2015年11月16日 10:53中国机床商务网作者:祝惠春点击:4631

  【中国机床商务网 机床上下游】在上海举行的第17届中国国际工业博览会,展示了我国3D打印技术应用取得的进展。
  
  右上图北京航空航天大学参展人员介绍用3D打印技术打印的C919机头主风挡的窗框。左下图上海航天技术研究院参展人员展示用3D打印技术制造的高性能碳纤维接头。右下图上海航天技术研究院展示的用3D打印技术制造的铝合金空间转位捕获杆。图片由新华社记者张建松摄
  
  编者按3D打印技术正在重塑全球制造业竞争格局,在航空航天、地理信息、军工、医疗、艺术设计和消费电子产品等多个领域都大有用武之地。在我国,3D打印总体技术水平处于模型制作向零部件直接制造的过渡阶段,还有很大提升空间,亟须加强协同创新,进一步推动我国3D打印技术的发展。
  
  在北京3D打印研究院,赵新副院长拿着一个3D打印的人体心瓣模型,向记者讲述了这样一个有关3D打印应用的真实故事:按传统做心脏瓣膜替换手术,一般是病人做CT后,根据一张张二维平面的CT片子,医生全凭想象,在脑海里把这些平面图叠在一起,判断心脏瓣膜的损坏程度和需要手术的位置,以确定病人的手术方案。但是,一旦判断不准,病人遭罪,也容易造成医患矛盾。现在北京某医院和3D打印研究院合作,把病人的CT数据提供给研究院,很快就能拿到根据医学数据3D打印出来的心瓣模型,医生用它辅助诊断,准确率得到了极大提高。
  
  3D打印技术在我国的应用,正在取得长足进展。
  
  快速走向实际应用
  
  3D打印是实现中国制造业升级的核心技术之一,同时也开启了个性化商品制造的商业模式
  
  日前,在上海举行的第17届中国国际工业博览会上,3D打印展品引人注目。比如,北京航空航天大学的展品是用3D技术打印的C919机头主风挡的窗框,它是采用“同轴送粉”技术,用钛合金材料打印而成。此外,还有中国航天科技集团公司上海航天技术研究院参展的用3D打印的高性能碳纤维接头和用3D打印的铝合金空间转位捕获杆……
  
  3D打印,又叫增材制造技术,是一种以数字模式文件为基础,运用粉末状金属、塑料等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术,是制造原理上的一个重大突破。中国工程院院士、快速制造国家工程研究中心主任卢秉恒表示,增材制造与传统的等材制造和减材制造三足鼎立,互为补充。从制造方式来说,铸锻焊在制造过程中重量基本不变,属于“等材制造”,已有3000年历史;随着电动机的发明,能够车铣刨磨的机床的出现,通过对材料的切削去除达到设计形状,称为“减材制造”,已有300年历史;而以3D打印为代表的“增材制造”,1984年提出,1986年实现样机,才30年时间,被称为“20世纪最具革命性的制造技术”。
  
  2015年2月,工业和信息化部牵头发布《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》;3月,国务院总理李克强主持召开国务院常务会议,部署加快推进实施“中国制造2025”。增材制造技术是实现中国制造业升级的核心技术之一。中国紧跟世界科技趋势,高度重视和全面发展3D打印技术,“急追”先进国家。
  
  卢秉恒院士说,3D打印“热在今天,造就明天”。未来制造业将是“互联网+先进制造业+现代服务业”,大致会呈现这样一个网络服务云平台:众需收集—创客设计—3D打印验证设计—虚拟制造—生产分包—物联网配送。
  
  因此,3D打印还展现了一个全民创新的通途。在大众创业、万众创新的当代,创客们设计出来的某些产品,传统制造业没有办法实现,或者成本非常高。而3D打印从技术上、成本上、快捷程度上都可以支持,使之变成现实。可以说,3D打印技术开启了个性化商品制造的商业模式。
  
  替代传统制造有待时日
  
  3D打印已开始应用于小批量的直接制造,但短期内,难以替代传统制造业,两者会在较长时间内并行融合
  
  3D打印的关注度如此之高,目前,在我国制造业的转型升级中,3D打印应用情况如何?
  
  传统的减材制造是在大尺寸的原材料上进行冲压、切削、钻孔等多个环节后,得到符合要求的零件或产品。比如制作一个涡轮,可能需要用300公斤的原材料,最后制成产品,只有50公斤重。与之相比,增材制造是加法制造,从无到有逐层堆积原材料,直到得到成品。在这个过程中,没有制造工业垃圾,非常环保。据测算,3D打印节约材料大约70%至80%。此外,3D打印在制造模式上也有明显优势。传统制造都是在一个成熟的流水线上进行大批量的生产和加工,而3D打印可以实现个性化定制以及一体化打印,省略了组装环节。
  
  目前,我国3D打印技术主要在“一高一低”两个领域应用比较普遍:“一高”是火电、核电、航空航天、军工等高科技领域。这些行业使用的高端机械,用传统制造模式主要依靠焊接实现零件的结合,但是焊接技术往往引起性能衰退。而3D打印可以实现一体化打印,实现了零件之间的无缝对接,具有很好的强度和精度。因此,3D打印在这些领域得到快速发展。“一低”是指制造成本低、制造周期短,有利于个性化小批量制造的产品。因为3D打印技术可以让数字文件精确复制成实物原型,所以还可以用来制作“独一无二”的创意产品,比如人偶、礼品等。在北京3D打印研究院,记者看到琳琅满目的各种3D打印产品,有动漫公司定制的卡通人物形象,有各种奇思妙想的礼品摆设等。这些都是目前市场上3D打印普及型应用。
  
  此外,在制造业的链条中,快速模型制造也普遍使用3D打印。传统制造做模具,成本高、开发周期长,而3D打印可以快速做出原型,符合要求后,再开模具制造。因此,在汽车业、制鞋业和一些行业的新产品开发中,经常会用3D打印进行原型制造。
  
  赵新表示,目前,3D打印虽然已开始应用于小批量的直接制造,但是受3D打印的时间、精度和材料等限制,3D打印还不可能替代传统制造业,只是利用研发、设计开发优势,为大批量制造业做辅助。“希望媒体的宣传实事求是,有些人对3D打印认识过度,过于理想,到研究院一了解,就会很失望。”赵新说。
  
  北京大学光华管理学院博士后刘江涛认为,3D打印技术在强调个性化、复杂化的小批量生产和模具生产上可以大显身手,同时也将充分发挥3D打印技术兼具智能制造的特点,扩大其在军工、医疗、创意等行业的应用。短期内,3D打印技术难以替代传统制造业,两者会在较长时间内并行融合。但是3D打印技术会提升传统制造业的制造形态,改进流程,提高效率,提升行业水平,实现产业升级。
  
  技术提升需协同创新
  
  3D打印正处于技术的井喷期、产业发展的起步期,需要尽快提升技术水平,建立创新链
  
  3D打印技术是一个支撑,一个工具,它与各个行业相结合,将促进中国制造升级,实现从“中国制造”向“中国智造”的转变。卢秉恒院士表示,增材制造的远景是“创材”,即按照材料基因组,研制出超高强度、超高耐温、超高韧性、超高抗蚀的新材料。目前3D打印已制造出了耐温3315摄氏度的合金,用于“龙飞船2号”,大幅增强了飞船推力。3D打印还从“创材”到“创生”,即打印细胞制造器官,甚至把基因打印在细胞里实现基因变异。
  
  近两年,3D打印出现了一些颠覆性技术,这一领域现在正处于技术的井喷期、产业发展的起步期和企业的跑马圈地期。
  
  从3D打印产业链的构成来看,产业链上游包括创新设计、精密机械、数控技术、材料科学和激光技术,产业链中游主要包括3D打印设备的生产,产业链的下游主要是三维模型设计服务和打印产品应用。
  
  目前,我国3D打印总体技术水平处于模型制作向零部件直接制造的过渡阶段,在直接制造高性能塑料和金属零件方面发展迅速,局部甚至超过国外水平,但总体上还有非常大的提升空间。
  
  产业链上游的创新设计、精密机械、数控技术、材料科学和激光技术的核心技术大多掌握在外国大公司手中。国产的打印材料性能相对差些,可打印材料较少;工业版3D打印机的激光器存在稳定性问题,整个产业还处于起步发展阶段。国内3D打印领域走在前列的公司有陕西恒通、西安铂力特、北航公司、武汉滨湖、无锡易维等,但是总体来说,企业规模、产值、利润都还比较小。由于3D打印技术融合了光机电技术、控制技术、材料技术和软件技术等,目前我国高端装备制造的核心技术尚待加强、机器人和数控机床等底层装备的自动化信息化不够,这些也制约了3D打印技术的提升。
  
  因此,我国3D打印技术的发展,亟须协同创新,学科交叉发展原创,尽快建立创新链。《三生万物—3D打印:第三次工业革命的引擎》的主笔、财政部税政司调研员李旭鸿建议:加快3D打印技术的发展,要实施3D打印“重大技术突破、重要行业应用、重点企业支撑”的“三重战略”。大力加快3D打印专用材料的研发和生产,鼓励发展数字模型、专用工艺软件及控制软件,加速发展3D打印装备及核心器件;大力支持3D打印技术在重点行业应用和推广;大力发展航天、航空、电子、网络平台等领域的3D打印龙头企业。
(来源:经济日报)

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