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我國增材製造行業進入快速發展階段
發布者 :管理員 瀏覽量 : 日期 :2021-09-26 16:38:47

     中國工程院院士 、西安交通大學教授 ,是我國3D打印領域最早的研究者之一 ,也是我國3D打印領域的領軍人物 。長期致力於先進製造技術的研究 ,主要開展增材製造 、生物製造 、微納製造與電子製造裝備等方麵的科研和教學工作 。開發了國際首創的紫外光快速成型機及具有國際先進水平的機 、光 、電一體化快速製造設備和一係列快速模具製造技術 ,首倡納米壓印研究 ,在個性化匹配人工骨及生物活性人工骨的研究方麵獲得重要突破 。2018年2月 ,盧秉恒院士及其團隊研發的“個體化下頜骨重建假體”獲醫療器械注冊證 ,這是國內首張個體化定製骨科內植物器械注冊證 。

        “增材製造對於中國製造而言非常重要 ,因為中國企業的製造能力很強 ,但是產品的開發能力嚴重不足 ,而增材製造可以為龍8國際手機網頁版補足這個短板 ,它可以用很短的流程對設計進行迭代 ,做出樣機並進行評價 、分析 ,確定之後再進行生產 。”近日 ,中國工程院院士 、西安交通大學教授盧秉恒談到我國增材製造行業發展時表示 ,增材製造(3D打印)最近幾年發展非常快 ,年增長率保持在20%~40% 。其中 ,熔融沉積成型技術(FDM)尤其迎合了創客的需要和教育的需要 ,發展十分迅速 。最近較為流行的光固化技術(SLA)也在產品開發中發揮了重要作用 。

        創新技術不斷湧現

        “在金屬材料3D打印中 ,一個最重要的問題就是怎樣提高結構件強度 。這就需要龍8國際手機網頁版對3D打印理論進行研究 。”盧秉恒表示 ,無論是鑄造還是鍛壓 ,學術界一直在研究凝固學理論 ,但是鑄造和焊接中熔池規模較大 ,需要在宏觀的體積內來進行冷卻和凝固 。而在3D打印中 ,無論是激光束還是電子束 ,熔池都比較小 ,從理論上分析 ,小的熔池產生的缺陷必定也小 ,所以材料結構的強度就能夠提高。但是怎樣控製一些晶粒的生長呢 ?盧秉恒介紹 ,冷卻速度影響晶粒的大小 ,同時也影響了結構強度 。引用瞬態強非平衡態凝固理論 ,金屬材料的3D打印凝固時溫度梯度可提高1~2個數量級 ,細化了晶粒 ,提高了材料性能 。3D打印的結構性能遠勝於鑄造 ,很多相當於鍛件 。但現在學術界還沒有能夠完全弄清楚強非平衡態凝固學這一科學問題 ,對增材製造件的應力分析還處於實驗階段 ,還不能形成很好的理論來指導這一過程 。

        最近幾年 ,增材製造創新技術不斷湧現 ,比如麵曝光技術 ,應用光固化原理 ,材料可以像拉拔一樣快速成型 ,效率提高50倍~100倍 。再比如一體技術金屬打印 ,實際上是用光固化的材料加上金屬粉末或陶瓷粉末進行打印 ,打印以後需要進行脫脂 、燒結 。

        對大型金屬結構件來說 ,用絲材進行熔化堆積可能是更好的方法 ,它的能源既可以是激光的 ,又可以是電子束的 ,還可以是電弧的 ,就像傳統的電焊一樣 。目前 ,該技術可以做到尺寸大於2米 、5米甚至是8米 。盧秉恒的實驗室團隊目前已經做到2米 ,且正在嚐試5米 、6米的裝備 。

        其實 ,許多傳統製造技術都可以與3D打印技術相結合 。例如鑄造技術 ,利用層層堆積的概念 ,用一層層薄層鑄造來形成3D打印新的技術 。盧秉恒團隊有一個專利就是在每一層鑄造中采取鍛打的方法來提高強度 ,增加結構材料的致密度來提高性能 。他們做了很多堆焊實驗 ,認為這是大型結構件高效的製造方法 ,可以達到每小時5千克甚至10千克 。

        功能梯度材料受到重視

        功能梯度材料和複合材料越來越引起3D打印行業的重視 。盧秉恒介紹 ,功能梯度材料(FGM)是指材料的化學構成 、微觀結構和原子排列由一側向另一側呈連續梯度變化 ,從而使材料的性質和功能連續地呈梯度變化 。將材料分層 ,不同材料打印在不同層,就可以做到表麵耐磨 、耐腐蝕 ,裏麵高強度 、韌性好 ,再裏麵則是疏鬆的蜂窩狀結構 ,就像人體的骨頭一樣 ,在增強剛性的同時又減輕重量 。目前 ,這些技術在航空航天領域已經有了重要的用途 。

        複合材料的應用也是一個非常重要的方麵 。例如汽車 、飛機和航天設備 ,都需要在減輕重量的同時保持高強度或高剛度 ,這時就可用到複合材料 。纖維複合材料具有比強度高 、比模量大 、熱穩定性好 、可設計性強 、重量輕等特點 。纖維複合材料包括長纖維複合材料和短纖維複合材料 。長纖維複合材料在車身的製造方麵還存在許多技術難關 ,它在一些表麵較展開的曲麵比較容易製造 ,但是在曲麵變化較大的凹凸結構中則較難實現 。這時 ,也可以用短纖維複合材料或樹脂複合材料解決這個問題 ,達到很好的強度 。

        此外 ,溫度變化時界麵會發生什麽樣的變化 ;承載時界麵之間的作用力怎樣 ;3D結構形成的過程與正常工況 、溫度環境和其他物理環境不一樣 ,會不會引起界麵內應力的增加而影響性能……這些都是需要進一步研究的問題 。

        應用場景呈現高端化趨勢

        3D打印在各種高端製造領域得到了較大發展 。

        在航空航天領域 ,由於3D打印具有對複雜形狀零件的適應性 ,它可以把很多零件集成在一個零件上 ,應用這個優勢 ,火箭發動機零件個數可以減少80% ,很多焊縫都可以用3D打印來實現 ,這樣能夠減少焊縫帶來的強度破壞以及其他可能發生的故障 。

        在醫療領域 ,3D打印對於實現精準醫療具有廣闊的應用前景 ,從影像診斷 、三維數據設計 、骨骼等結構打印到臨床手術 ,3D打印能夠實現個性化組織再生和修複 。目前 ,3D打印在醫療器械製造和專業醫療輔助器械方麵的應用發展較為成熟 。3D打印技術較為典型的醫療應用包括構建手術規劃模型 、醫療培訓教學 、手術導板 、3D打印植入物以及假肢 、助聽器等康複醫療器械 。醫療器械領域可以充分發揮3D打印特性化的特點 。2000年 ,盧秉恒團隊做了3D打印用於下額骨特性化替換的試驗 ,2018年2月 ,“個體化下頜骨重建假體”獲得國內首張個體化定製骨科內植物器械注冊證 。

        3D打印用於建築領域也在探索階段。目前打印低層建築日漸成熟 ,應用越來越廣泛 。高層建築還有一定的難度 ,有待於材料的改進和材料打印工藝的發展 。

        盧秉恒認為 ,目前 ,我國3D打印在應用領域進展良好 ,但是在原創的裝備 、原創的技術方麵與發達國家相比仍有較大差距 ,希望能夠通過多學科交叉 ,包括材料領域 、信息領域 、生物醫療領域的交叉來推動3D打印技術的創新 。

        3D打印未來發展趨勢

        盧秉恒指出 ,3D打印麵臨的挑戰主要包括從控形到控形控性 ,從宏觀到微納 ,從製造到創造 ,從地球到太空以及如何多學科交叉推動技術創新等多方麵 。

        “微納結構增材製造工藝與裝備”被科技部列為重大共性關鍵技術類項目 ,目標是以微機電係統 、傳感器 、微納光學 、精密醫療器件等為應用對象 ,開展器件製造應用實驗 ,形成具有重大應用前景的新型功能器件原型 ,實現具有微納特征的三維結構與功能一體化製造 。目前 ,智能製造需要很多的傳感器 ,在微電子工業製造領域可能需要上百萬件 ,但是在某些定製化領域 ,隻需要少量 、多批度的傳感器 ,這時3D打印就能發揮重要作用 。3D打印具有能夠製造複雜形狀的優勢 ,它可以對產品結構進行改造 、進行再設計 ,使很多零件結合成一個零件 。


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