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中央纪委国家监委网站 :3D打印会有多少可能

来源: 中央纪委国家监委网站 浏览次数:702 发布时间:2020-12-07

国内首家建筑3D打印展馆日前在广东正式启用。从外观上看,这栋双层建筑和普通的房子并无不同,但实际上,整栋楼没用一砖一瓦,全是用可黏合混合材料打印而成。

如果拥有一台3D打印机,你能够制造什么?答案是:小到精密的零件、饼干、模具、衣服,大到医疗器械、工业装备甚至汽车、火箭、建筑……都可以制造出来。难怪有人会说,在未来,一台3D打印机几乎可以创造一个世界。

2018年,3D打印正式被纳入中国战略性新兴产业分类。作为新兴前沿技术,3D打印承载着未来制造的无限可能,也颠覆着传统制造业的思维形态。近年来,中国的3D打印技术快速发展,应用场景也越来越多,成为加快制造业转型升级的重要手段。

大同的云冈石窟被原样“搬”到千里之外的杭州

增材制造,俗称3D打印。不同于传统减材制造对原材料进行去除、切削的方式,增材制造是将特定材料通过层层叠加的方式来构造物体,在生物医药、航空航天、建筑等多个领域都能够大显身手。

扫描获取三维数据、通过电脑编程,将模型导入打印机,一个与真肺一模一样的肺部模型就可以从3D打印机里打印出来。今年6月,贵州省人民医院胸外科首次利用3D打印技术完成了三维模型下的精准肺段切除术。这一模型,不仅精准再现了病人肺部的病灶位置,甚至连每根血管都栩栩如生。

医疗器械、器官模型、可植入人体的仿生组织……3D打印擅长塑造各种细节的优势刚好满足了医学领域对各类模具的高标准需求。山西增材制造研究院院长宫涛表示,人工用钢铁、石膏等材质制造模具,产品在大规模生产前,还要多次打样和修改。而3D打印机直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,能较精准地塑造复杂精细的造型。

不仅是医疗,3D打印的这一特性,也很适合应用在文物复制和修护上。不久前,位于山西大同的云冈石窟被“搬”到了千里之外的浙江杭州。在浙江大学艺术与考古博物馆,全球首个可移动3D打印石窟——云冈石窟“音乐窟”原样再现了原洞窟的风采以及千余年来风化留下的细微痕迹。借助数字化采集,制造者对原洞窟进行了1∶1复制,用轻型材料打印出110块模型,再像搭积木一样组装成现在的复制石窟。由于是复制品,参观者不仅可以身处其中细细观赏,还可以伸手触摸,可谓过足了瘾。

除了擅长精巧细微的“绣花功夫”,3D打印对于造桥建房这样的大工程也很拿手。

今年4月,在苏州河堤防改造项目中,3D打印技术被直接运用于工地施工过程。不用砌砖、无需浇筑,现场只有打印机喷头来回移动。高强度砂浆从喷头中一点点流出,按照设定好的程序塑造出富有江南特色的造型。

“3D打印可使建筑一次成型,节约建筑材料60%,同时建造过程中的工艺损耗也减少了。”中国建筑技术中心材料工程研究所所长助理霍亮表示,由于打印使用的是机械自动化操作,还能节省近一半的人力。

值得一提的是,在今年5月发射升空的我国新一代载人飞船试验船上,就搭载了一台“3D打印机”。这是我国首次在太空开展3D打印实验,打印材料是航空航天领域应用广泛的轻质高强材料——碳纤维增强复合材料。

目前,随着金属材质打印技术的突破,航空航天也成为3D打印最具前景的应用领域之一。不管是制造快速成型、单件定制的航天设备零部件,还是复杂结构件和大型异构件,3D打印都是理想的技术手段。而这次实验的成功,更让人们感受到,“太空制造”离我们也不再遥远。

过去几个月才能制成的砂模现在只需几小时

宁夏银川,世界首个万吨级铸造3D打印智能工厂的车间内,数台5米多高的白色铸造用砂芯3D打印机在智能流水线上有序工作。这些设备,全部为企业自主研发。

与传统的铸造车间相比,无吊车、无模型、无重体力、无温差、无废砂及粉尘排放成为这家工厂的鲜明特色。在这里,铸件生产变得快速而简单——过去需要几个月才能制成的砂模,现在只需几个小时。这些铸件不仅在国内销售,还远销海外。

工厂所属企业——共享装备股份有限公司3D打印事业部市场总监李哲表示,相较于传统加工制造,3D打印具有缩短生产流程、设计灵活、节约成本、降低制造难度等优势。这一技术的产业化应用对铸造行业的转型升级、铸造智能制造及未来铸造智能工厂的建设将产生变革性的意义。

不仅是共享装备,近年来,越来越多的制造企业开始采用3D打印进行零部件或整机生产。这一新兴技术,改变了传统制造的理念和模式。

近日,在哈电集团哈尔滨电机厂有限责任公司,国内首台增材制造冲击式水轮机真机转轮研制成功。如果该转轮在未来的电站使用中符合预期,则证明3D打印技术在制造冲击式转轮上具备可行性,为企业未来制造以往难以制造或无法制造的超小、超大型冲击式转轮提供一个解决方案。

“最初,我们开始关注3D打印,是用于模型转轮的制造。每个模型转轮都是单件生产,并且希望能在最短的时间内制造完成,这与3D打印的技术特点形成了非常完美的契合。”哈尔滨电机厂有限责任公司大电机研究所副所长王焕茂表示,“经过近两年的研发,我们成功制造了国内首台可应用于模型水轮机水力试验的3D打印非金属模型转轮。在研发的进程中,我们认识到3D打印技术更广阔的市场在金属打印领域,在真机转轮。”

一台复杂的转轮是如何打印出来的?哈尔滨电机厂有限责任公司大电机研究所科研员程广福告诉记者:“将需要打印部分的数学模型导入相应的软件,进行切片和打印路径的规划,再将这些数据转化后传送给机器人,最终机器人按照给定的运行程序携带焊枪完成转轮的3D打印制造。”

依靠3D打印技术,过去需要4个月才能完成的转轮制造如今被缩短到3个月之内。

“传统铸造工艺制造转轮,工序繁多,参与的工种和工人也多。工人们劳动强度大不说,铸造后的转轮还容易有缺陷,精度差、加工余量大、产品质量与锻件差距也大。”程广福说,“尤其对于高品质的转轮,需要采用整个锻造圆形坯料,一点点地用数控机床将转轮加工出来,我们通常称为‘整抠’,从这个词就可以看到这种方式加工的难度有多大,周期有多长,相应成本也会非常高。而如今采用3D打印制造转轮,直接由三维模型到产品,省去了多个环节,加工量小,成本和周期也得以降低。”

未来3D打印将会像普通打印一样普及

“不管你想要什么,只需下载图纸,按下打印键就可以了,剩下的统统交给打印机。”这是一些人所畅想的未来场景。对此,不少业内人士表示,未来,要想实现更多的3D打印应用场景,关键在于材料,尤其是多元化打印材料的发展。

“巧妇难为无米之炊。材料科学是制造业的底层根基,3D打印的落地应用就是受限于材料的特性,导致成品率低等一系列问题。”清华大学建筑学院博士于雷表示,“材料的发展是3D打印发展的前提。就建筑领域来说,目前3D打印建筑被局限在使用混凝土材料上了,但是混凝土这种材料3D打印的灵活度并不高。”

在生物3D打印领域,材料创新的重要性更加突出,尤其是对于人体植入物。

羟基磷灰石是目前世界通用的仿人骨材料,但所用的酸性粘结剂却会给被植入患者带来术后痛苦。同时,由于人类骨骼内部结构复杂、密度不一,传统3D打印所用材料密度一致、粉体单一,无法实现仿生骨的打印需求。

为了能够制造一款最大程度接近人体骨骼性质的仿生骨,西北工业大学机电学院汪焰恩教授团队将羟基磷灰石、黏合剂、细胞液等按照不同个体的骨骼性质进行科学配比,形成一种更能被人体环境接受的打印材料。并研制了一套3D打印控制系统,实现了仿生骨打印所需要的结构复杂、密度不均、复合粉体等要求。这样打印出来的活性仿生骨与自然骨的成分、结构、力学性能高度一致,甚至可在生物体内“发育”。

汪焰恩教授表示,团队目前也掌握了3D打印软骨和皮肤的技术。下一步,他们将继续探索真皮层中汗腺、毛囊、皮脂腺等结构的稳定打印技术。

在芯片这样高精尖设备的打印制造上,新材料的突破也会带来更多的打印成果。上个月,西湖大学的周南嘉团队成功设计出全新的3D打印功能材料,以新材料为突破,实现了微米级别的电子3D打印。这是目前国内最高精度的电子3D打印技术。

山西增材制造研究院技术人员朱岳认为,如何研发出更多新材料,生产出质量更高的3D打印产品,是行业内的一大挑战。今年5月,朱岳团队自主研发出3D打印用光敏树脂正式投产,改变了过去这种3D打印原材料依赖国际进口、成本过高的局面。朱岳表示,下一步,研究院将在研发材料、打印工艺、软件数据研发上持续发力,他相信未来3D打印将会像普通打印一样普及。(王雅慧)



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