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3D打印为什么不能量产?如何克服瓶颈?

原标题:3D打印为什么不能量产?如何克服瓶颈?

也称为“增材制造”,它是新兴的一种快速成型技术。与传统的减材制造工艺不同,3D打印是以数据设计文件为基础,将材料逐层沉积或黏合以构造成三维物体的技术。现代意义上的于20世纪80年代中期诞生于美国。以3DSystems和DTM公司为代表的一批美国中小科技公司在20世纪80年代末-90年代初相继研发出立体光固成型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)和熔丝沉积造型(FDM)等主流技术路线,经过20多年的沉淀和不断完善已经日臻成熟。

3D打印与传统制造业的最大区别在于产品成型的过程上。在传统的制造业,整个制造流程一般需要经过开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等过程成型。3D打印则免去了复杂的过程,无需模具,一次成型。因此,3D打印可以克服一些传统制造上无法达成的设计,制作出更复杂的结构。

规模化生产的条件尚不具备,而且本质是单体机,是现有产业链的一种方式,而不是一个制造能力总成体系(比如星际里面的主机)。

事实上,在二三十年前,3D打印技术就已经能用树脂或胶等材料制作产品。近几年,由于3D打印可处理的材料范围扩大到了金属材料(激光烧结技术),而且成功地将几十年前就有的工艺技术重新组合利用,例如结合信息技术,使用激光和电子束进行表面工程和增材制造。而目前而言的发展,是由于激光和电子枪等关键元器件品质不断提高。

而现在3D打印被炒热很多是因为民用领域的流行,比如Stratasys在到处销售的,让人吐槽连连的FDM机。而在工业制成上,的主要应用在两个,

一、某些结构复杂化的零件或者制成品,主要是对于精度要求和工艺细节要求很高的制成品,包括小型零件和大型构件。也就是说,大部分3D打印技术可以突破结构几何约束。并且因此,在某些结构的大型构件的加工上,不仅工艺难度相对于传统下降,而且成本还降低。

比如所谓的Laser Additive Manufacturing,传统上,在F-22的机身隔框就是由钛合金锻件加工而成 而LAM由于采用叠加技术,它节约了90%十分昂贵的原材料,加之不需要制造专用的模具,原本相当于材料成本1~2倍的加工费用现在只需要原来的10%。加工1吨重量的钛合金复杂结构件,粗略估计,传统工艺的成本大约是2500万元,而LAM的成本仅比传统工艺要降低很多。

包括我朝也有这样的例子,王华明团队的在“大飞机计划中”,大型客机C919机头工程样机的钛合金主风挡整体窗框,就是用3D打印技术生产的,只花了55天,零件本钱不敷20万美元。

二、某些行业的应急制品或者快速制成品。

最简单的是军用上,给予机械维修团队,就地加工一些制成品来保证紧急状况下的机械平台维护,在大部分情况下,陆战坦克,装甲车在受到损害后,超过一定比例,就因为成本原因,直接废弃掉了。3D打印可以解决这些问题,当然给予行军途中,在后勤紧张的时候,快速制成一些用品更不用说了。

举些例子,比如医用领域最著名的就是通过3D打印,打印高精度的模型,来辅助治疗。比如, Stratasys Solidoodle2 可以用来打印病人的体内器官或者组织模型,辅助制定精确的手术方案。

而无需与生物组织相容的外部肢体,可以进行深度定制。 体外医疗器械包括医疗模型、医疗器械——如假肢、助听器、齿科手术模板等。根据美国组织AmputeeCoalition的统计,目前美国正有约200万人使用。

而更高端一点,比如还完全不成熟的细胞打印, Organovo公司宣称用3D打印机完整打印一个有正常生命机能的肝脏,为肝脏移植患者提供帮助。公司先通过独特的细胞,在细胞培养基座中打印出肝脏所需的细胞组织,然后再在培养皿中进行培养,并生成正常形状和机能的肝脏,然后便可以移植到人体中,进行身体解毒和排毒等正常代谢功能。不过,该肝脏的生命周期只有40天左右。

而航天上的应用,主要集中在NASA的项目上,NASA主要在冷却、包装和屏蔽电子的物体上使用3D打印技术。例如,航天器的电池盒是使用热塑性聚醚(PKK )3D打印的。

而无法规模化的原因在于:

1、生产模式的效率问题

单体的一体化成型的效率,肯定是比不上“行业内分级零件加工+组装”的效率的,因为后者是在调动整个制造业体系的产能,半成品加工和分级加工可以把工序效率做到几乎最高,相当于整个业界就形成了一个流水线。而单体的一体化成型,工作流程是完全固定的,无法形成此类产业效应,且目前的3D打印机体无法承受长时间,高强度的负荷。且单体机做生产,维护费用和难度是远远高出传统工艺把产业链平摊开的做法。

2、材料问题

首先,材料应用导致的工艺问题。

因为需要预先制成专用的金属粉末;打印出的金属制品致密度低,最高能达到铸造件致密度的98%,某些情况下低于锻造件的力学性能,当然在某些构件,比如大型钛合金构件上(比如比较热的航空行业),是完全能够满足力学性能的,但总体状况,值得商榷;某些打印制品表面质量差,精度2-10μm,需要打磨抛光机加工等后处理;3D打印具有复杂曲面的零部件时,支撑材料难以去除。

其次,材料的适用范围的问题。

目前,工业领域能用的就适用的金属材料只有10余种,铝硅合金、钛合金、镍合金和不锈钢比较成熟。新一点的东西的话,有3DXNano ESD碳纳米管灯丝,3DXNano是基于CNT(碳纳米管)的技术,可用于打印一些关键零件如在汽车,电子/电气,工业,以及需要静电放电(ESD)保护和清洁高水平市场。该材料是由100%的纯ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)树脂和多壁碳纳米管的制造。

3、成本问题

当然这个成本主要是刚才提到的如果长期,高负荷运转的单体机的维护成本,导致规模化生产的成本过高。还有就是材料——零件类型的深度定制化的模式,实际上不是一个成本低,而且市场广阔的生产模式。

不过,个人觉得首要问题,是目前,要精准定位下旗下产品的市场类型和受众,行业内将市场推广开来,可能是需要马上解决的事情。3D技术在好几年前很就有很多的手办公司开始接触了,最先使用到的应该就是钢普拉了,然后手办公司也开始渐渐的使用到了这个技术,比如一些武器道具类的,武器道具虽然也可以直接用手工制作,但是在精度和对称度上远远比不上3D打印的。

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