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3D打印——产业变革“引领者”

供稿人:殷媛媛  供稿时间:2013-5-31   关键字:3D打印  增材制造  
今年1月18日,国务院将国家技术发明奖一等奖颁发给中航激光技术团队的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”,该技术即钛合金粉末的3D打印技术,其成功研发使得我国成为继美国之后、世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形技术的国家。三维打印在诸多行业和领域有着广泛应用前景,这正是该技术如此引人注意的重要原因之一。根据美国积层制造技术路线图的报道,来自航空航天、汽车、医疗和消费电子产品的需求将主导三维打印技术的发展,仅仅这些核心产业便足以吸引大量的研究和投资将三维打印技术推向新的高度。其他行业,包括军事、牙科、珠宝、游戏化身(Game avatars)、收藏品、建筑、家具、家居饰品和玩具等,也将在三维打印技术未来的发展和应用中发挥重要作用。

图1 积层制造技术应用发展示意图
资料出处:“Roadmap for Additive Manufacturing Identifying the Future of Freeform Processing”,2009.
航空航天
航空航天业希望获得重量轻、强度大、甚至可以导电的部件,正在研究符合要求的3D打印材料,以及制定材料和工艺的设计手册,而这些技术在当前都是尚未实现的。此外,航空航天业需要制定材料及工艺标准,确保机器和构建零件的质量和一致性。据美国诺斯罗普.格鲁门公司预测,如果有合适的材料,该公司的军用飞机系统中将有1400个部件可以用3D打印技术来制造,当前面临的挑战是开发3D打印的塑料、金属材料以及测试标准。各种3D打印制造的金属部件将在未来10年内成为飞行器的通用配置。
 
波音和空客公司正在研究飞机机翼和大飞机本身的打印技术,因为打印飞机较传统方法不仅更便宜,而且重量轻65%。虽然空客和波音打印大飞机的梦想尚未实现,但首款3D打印的小飞机“SULSA”已于2011年在英国试飞成功。这架由南安普敦大学制造的世界上第一架3D打印的小型无人驾驶飞机,机翼、整体控制面和舱门均是打印而成,可以在几分钟内不使用任何工具就组装完毕。
军事
美国军方的许多产品是高价值、复杂和少量生产的。有些是定制的,需要持续更换零件,其中包括无人驾驶飞行器(无人机)、军人的轻重量装备和盔甲、便携式电源设备、通讯设备、地面机器人等,这些部件将最有机会转化为3D打印生产方式。预计在未来10~12年内,军方将会成为3D打印技术的主要使用者之一。
汽车和摩托车
3D打印技术在交通工具零部件制造中的使用机会巨大,尤其适用于生产高端的专业级小型汽车的零部件。目前,宾利和路虎等公司已经表明,采用3D打印技术制造小型复杂零部件是可行的。同样,包括汽车和摩托车在内的赛车行业将极大地受益于使用3D打印技术来设计头盔的方式,包括头盔产品的定制、半定制和标准化生产。
电子产品
美国桑迪亚国家实验室和德克萨斯大学打印的3D电路已经被证明可以实现传统印刷电路板的类似功能。这种3D电路环绕在电子产品的轮廓外,这种结构有助于设计电子产品的最佳形状和造型,不需要再像传统印刷电路板般为了适应电子产品的外观设计而在形状和大小上受限。
 
3D电路未来的进一步发展将更有吸引力。所有的便携式电子设备将需要一个自给的电源,无论是一次性电池或是可充电电池,因此,全球便携式电池的市场规模将超过500亿美元。然而,碳氢燃料每单位的能量存储与电池相比高出50~100倍,因此发电设备使用碳氢燃料将比使用电化学反应产生的“能源原料”在相同电能存储的情况下更加轻便,或者在相同重量的情况下容量更大。但是,对于这样小尺寸的设备而言,热损失和灭火反应是一个主要问题。最大限度地减少这些损失的方法之一是热再循环,这种技术需要在紧凑的空间中设计具有多个进气和排气通路的复杂结构。3D打印技术非常适合用于制造这样的发电设备,材料上也具有可行性,因为这些发电设备的某些部分应采用低导电性材料(如塑料),而其他部分需要高导电性或催化性能材料(如金属)。
医疗
3D打印在医疗领域有着广阔发展前景。口腔修复体三维打印成形、植入体三维打印成形、组织工程支架三维打印成形、细胞三维打印成形、控释给药系统三维打印成形,以及三维打印成形在外科手术中的应用等正备受推崇,大大提高了医疗的成功性和方便性。设想一下,如果用来打印的材料是一个个活体细胞,那么,只要获得相关器官的切片数据,该器官就可以被“打印”出来。实际上,美国维克森林再生医学学院已经获得了肾脏模型打印的成功,直接用打印机在人体伤口上进行修复式打印的技术也正在研发之中,这项技术如果取得成功,将是医学领域的重大进展。
珠宝
在未来,珠宝商将会使用3D打印技术定制限量版产品。目前已经可以用钛合金材料打印出令人印象深刻的吊坠。以激光烧结黄金合金材料打印制作项链的技术也是可行的,而制作这种链子传统上需要复杂而昂贵的机械。
游戏化身(Game avatars)
近来,新的3D打印业务出现在“魔兽”、“孢子”和“摇滚乐队”等风靡世界的电脑游戏中,成千上万的定制产品已经被生产,这将是个快速增长的消费市场。相信在未来,视频游戏可以推动3D打印系统发展,正如同过去几年其推动计算机硬件的发展历程类似。
收藏品
自由成型的特性使得3D打印适用于广泛的消费类产品。3D打印技术制造的家具、照明设计、家居饰品因为其独特的品质而得以高价出售。3D打印技术制造的艺术品和塑料、金属雕塑证明了这类产品的全球市场潜力。一些机构已经使用3D打印技术制造纪念礼品、奖章和奖杯,将这些作为特别礼物赠送给客户、员工和其他人供欣赏和纪念。
玩具
在不久的将来,将会出现价格区间在100~150美元的消费类3D打印机,这类3D打印机非常适合用于游戏、教育和娱乐。而且很多网站都是开源的,这些网站提供几乎无限量的动物、人物、汽车等三维模型,孩子们将下载这些3D模型,并根据自己的意愿进行设计和修改,最后通过3D打印机生产专属作品。
食品
特殊食品被认为是具有130亿美元的巨大产业。美国康奈尔大学和法国烹饪学院已成功研制将巧克力、奶酪、豆沙和扇贝等食材打印成3D人物、公司徽标、名称和其他对象的技术。
教育
在教育领域,可以通过成形模型验证科学假设,用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校,3D打印机已经被用于教学和科研。预计在未来10~12年内,学校将普遍提供使用3D打印技术设计制造零件的课程。
参考文献
[1]David L.Bell.Ming C. Leu. David W. Rosen.Roadmap for Additive Manufacturing
Identifying the Future of Freeform Processing.[EB/OL].[2009].http://wohlersass_ ociates.com/roadmap2009.pdf
[2]David L.Bell.Ming C. Leu. David W. A Brief History of Additive Manufacturing and the 2009 Roadmap for Additive Manufacturing: Looking Back and Looking Ahead. [EB/OL].[2009].http://www.rapidtech.itu.edu.tr/programme.php
[3]Wohlers Report 2012. Additive Manufacturing and 3D Printing State of the Industry Annual Worldwide Progress Report [EB/OL].[2012-12-21].http://wohlers­associates. com/2012_ contents.htm
[4]3D printing.[EB/OL].[2012-12-14].http://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing
[5]王运赣等.三维打印自由成形[M].北京.机械工业出版社.2012.
[6]未来飞机将3D打印:波音与空客研发三维打印技术.[EB/OL].[2012-07-22]. http://www.cnbeta.com/articles/198177.htm

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