傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)是設(shè)計(jì)-模具-造型-澆注-清理-后處理-機(jī)加。3D打印學(xué)名為增材制造技術(shù),其工作原理是將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的三維模型分解為若干層平面切片,然后把“打 印”材料按切片圖形逐層疊加, 最終“堆積”成完整的物體。
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1.1目前主要應(yīng)用領(lǐng)域
目前,3D打印主要用在3個(gè)方面:
大眾消費(fèi) (桌面級(jí))、工業(yè)級(jí)、生物工程級(jí)。
①大眾消費(fèi)(桌面級(jí))。用于工業(yè)設(shè)計(jì)、 工藝設(shè)計(jì)、珠寶、玩具、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域。
②工業(yè)級(jí)又有兩個(gè)方面,一是原型制造, 主要用于模具、模型等行業(yè)。二是產(chǎn)品制造, 包括大型金屬結(jié)構(gòu)件和小型金屬零部件的直接制造。
③生物工程級(jí)。如打印器官、 骨骼、牙齒、細(xì)胞、軟組織等。
1.2 3D打印技術(shù)與行業(yè)現(xiàn)狀
①歐美的3D研究和產(chǎn)業(yè)化。在美國(guó),3D打印技術(shù)已初步產(chǎn)業(yè)化,其中Stratasys和3DSystems是兩家龍頭企業(yè),均已經(jīng)在納斯達(dá)克上 市。2013年8月16日,“美國(guó)國(guó)家增材制造創(chuàng)新中心” 剪彩成立。 歐盟也設(shè)置了基金會(huì)來支持3D打印技術(shù), 分別在諾丁漢大學(xué)、謝菲爾德大學(xué)、?怂固卮髮W(xué)建立了3D打印中心。
②國(guó)內(nèi)3D行業(yè)現(xiàn)狀。 國(guó)內(nèi)的3D打印行業(yè)分為學(xué)院派和市場(chǎng)派。學(xué)院派主 要以清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、 華中科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高校為主。市場(chǎng)派主要包括南京 紫金立德、湖南華曙高科、無錫飛爾康、 杭州先臨、中航激光、武漢濱湖等
。
③中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。 2012年10月15日,由亞洲制造業(yè)協(xié)會(huì)、 北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)等權(quán)威科研機(jī)構(gòu)和3D行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)共同發(fā)起的中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在 北京宣告成立,自稱是全球首家3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。 ④世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。 2013年5月29日,由中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟以 及英國(guó)3D增材制造聯(lián)盟、美國(guó)的Exone公司、德國(guó)EOS公司、美國(guó)的3DStratsys公司、比利時(shí)Materialise公司、英國(guó)ChocEdgeLtd公司、美國(guó)drexel大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航學(xué)院等科研單位和企業(yè)共同發(fā)起成立世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。2014年6月19-22日將在青島召開第二屆世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)暨2014年世界3D打印技術(shù)博覽會(huì)。
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1.33D技術(shù)應(yīng)用前景
通過中國(guó)知網(wǎng)、維普等查詢到關(guān)于3D的論文汗牛充棟,讓人熱血沸騰。但基本都是關(guān)于3D技術(shù)的普及知識(shí)以及在醫(yī)學(xué)、模具、建筑等應(yīng)用案例。資本市場(chǎng)也熱鬧非凡,但有頭腦的風(fēng)投非常謹(jǐn)慎。一般認(rèn)為:
①3D打印不可能,至少不可能完全,取代傳統(tǒng)制造業(yè)。 3D打印究竟能夠做什么?美國(guó)的、歐洲的3D企業(yè), 也說不出來。否則, 他們就不會(huì)在世界3D產(chǎn)業(yè)大會(huì)上和中央電視臺(tái)的專題節(jié)目中炫耀:利用3D打印技術(shù)打印一 把吉他,打印一支電子琴,打印一個(gè)臺(tái)燈, 或者打印一把gun…… 傳統(tǒng)制造業(yè)經(jīng)過數(shù)千年的積累和發(fā)展, 已經(jīng)非常完善和成熟,無論是工藝特點(diǎn),還是成本因素、材料因素,3D打 印技術(shù)都是無法比擬的。3D打印技術(shù)的真正奧秘所在, 不是什么都能做,而應(yīng)該是傳統(tǒng)制造業(yè)不能做或很難做的領(lǐng)域,利用3D打印技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)。
②個(gè)人消費(fèi)。 由于成本問題以及操作者的技術(shù)水平———因?yàn)?D 應(yīng)用并不是零門檻,要以現(xiàn)有技術(shù), 一家用戶需要準(zhǔn)備多種原材料和成本的水平推廣, 肯定有難度,很難形成市場(chǎng)規(guī)模。關(guān)鍵是如何培育應(yīng)用市場(chǎng), 用戶是需要去培育的。所以,短期內(nèi)家用3D打印行業(yè)也難形成氣候。
3D打印技術(shù)在鑄造中應(yīng)用現(xiàn)狀綜述
3D打印在鑄造中已經(jīng)有一些應(yīng)用,主要是用在快速制造砂型和直接打印金屬產(chǎn)品兩方面。在缺陷修補(bǔ)(挽救)方面也有一定的應(yīng)用。
2.1利用3D技術(shù)原理快速制造無模精密砂型
中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)網(wǎng)站稱,2014年5月在北京召開第十二屆中國(guó)國(guó)際博覽會(huì),其中的“3D打印與數(shù)字化無模鑄 造精密成型技術(shù)”中提到“北京瑞泓翔宏大科技集團(tuán)、 北京北方恒利科技發(fā)展有限公司等將展示3D砂型/砂芯打印 機(jī)和各類激光粉末燒結(jié)快速成型3D打印機(jī)” 綜述了目前利用3D打印技術(shù)原理快速制造無模砂型的幾種技術(shù)。
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①激光燒結(jié)SLS。用覆膜砂,逐層鋪粉,用激光對(duì)粉末加以固化。
②中國(guó)的無模鑄型制造技術(shù)PCM。三維打印頭噴射粘結(jié)劑,按照界面輪廓信息利用雙噴 頭同時(shí)將粘結(jié)劑和催化劑噴射而出,通過兩者的交聯(lián), 制造的砂型涂上涂料即可澆注。
③美國(guó)的基于三維打印的直接殼型鑄造DSPC。選用陶瓷顆粒、硅酸鹽水溶液打印殼型。澆注前需進(jìn)行焙燒。
④Zcorp公司。 三維打印制造有色合金的砂型。型殼厚度可達(dá)到12mm。
⑤ExOne公司的3DP技術(shù)ProMetalRCT。 選用樹脂砂作為成形材料。打印速度可達(dá)到59400-108000cm3/h。
⑥Generis公司的GS工藝。 將樹脂通過多通道噴頭均勻向砂床噴射, 根據(jù)砂型輪廓噴射催化劑形成砂型。
2.2激光立體成形技術(shù)
激光立體成形技術(shù)通過激光融化金屬粉末,幾乎直接可以“打印”任何形狀的產(chǎn)品。其最大的特點(diǎn)是,使用的材 料為金屬,“打印”的產(chǎn)品具有極高的力學(xué)性能, 能滿足多種用途。 西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室由長(zhǎng)江學(xué)者黃衛(wèi)東領(lǐng)銜。3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用的典型是為國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919制造中央翼緣條。該中央翼緣的條長(zhǎng)達(dá)3米,屬于大型鈦合金結(jié)構(gòu)件。西北工業(yè)大學(xué)應(yīng)用激光立體成形技術(shù)解決了C919飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件的制造。 西工大3D打印技術(shù)對(duì)零部件的修復(fù)也獨(dú)樹一幟。航 空航天零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂, 一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損,只能整體更換,可能造成數(shù)十萬、 上百萬元損失。而通過3D打印技術(shù),可以用同一材料將缺損部位修補(bǔ)成完整形狀,修復(fù)后的性能不受影響,大大節(jié)約了時(shí)間和金錢。
33D打印技術(shù)在鑄造中應(yīng)用發(fā)展展望
3D打印技術(shù)對(duì)于我國(guó)鑄造行業(yè)整體而言,黃衛(wèi)東教 授認(rèn)為“是機(jī)遇多于挑戰(zhàn)”。他說, 在激光組合制造領(lǐng)域,可以增強(qiáng)對(duì)市場(chǎng)需求的適應(yīng)能力; 在快速制造模型與砂型方面,3D打印可以加速新產(chǎn)品研發(fā)速度, 降低工藝研究成本與風(fēng)險(xiǎn),滿足單件與小批量市場(chǎng)需求; 在高性能修復(fù)方面,可減少高端鑄件廢品率,滿足產(chǎn)品進(jìn)度要求與直接制造相 比較,3D打印技術(shù)在“更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、 更高的性能、更快的反應(yīng)速度”方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。但是當(dāng)前的情況是,黃衛(wèi)東認(rèn)為“這些挑戰(zhàn)對(duì)目前的鑄造界來講,還是微不足道的”。其中一個(gè)重要原因在于3D打印的原材料成本很高: 現(xiàn)階段鋁合金大概是每公斤就要兩萬多元。 “但是,這項(xiàng)新技術(shù)當(dāng)中成本下降的空間是很大的,我們要對(duì)3D打印技 術(shù)未來發(fā)展對(duì)鑄造界帶來的挑戰(zhàn)保持清醒的認(rèn)識(shí)” 。
3.1日本計(jì)劃開發(fā)下一代高性能鑄模3D打印機(jī)
日本計(jì)劃由產(chǎn)經(jīng)省出資30億日元,由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù) 綜合研究所牽頭,聯(lián)合早稻田大學(xué)、 群榮化學(xué)工業(yè)、木村鑄造所、CMET、KOIWAI、日產(chǎn)汽車、小松制作所等發(fā)揮產(chǎn)學(xué) 研優(yōu)勢(shì),共同參與、 分工協(xié)作,在5年內(nèi)生產(chǎn)出較現(xiàn)行鑄模制造裝置成本下降80%,制造速度提高10倍的高性能鑄模3D打印機(jī)。 目前, 利用3D打印機(jī)制造工業(yè)大型鑄模存在速度和精度等方面缺陷。日本設(shè)計(jì)中的下一代鑄模3D打印機(jī)將 采用反復(fù)、高速噴射特制膠水以固著細(xì)砂技術(shù)原理, 以在短時(shí)間內(nèi)形成復(fù)雜形狀的鑄模。
3.2國(guó)家863計(jì)劃關(guān)于3D打印的重點(diǎn)支持方向
《國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)、國(guó)家科技支 撐計(jì)劃制造領(lǐng)域2014年度備選項(xiàng)目征集指南》 中“面向復(fù)雜零部件模具制造的大型激光燒結(jié)成型裝備研制及應(yīng)用” 的表述為,“針對(duì)復(fù)雜零部件模具快速制造的需求, 研制適合制造蠟?zāi)!⑾炐、砂型制造?以及尼龍等塑料零件制造的大型激光燒結(jié)成型裝備,臺(tái)面2米×2米,制件精度控制 在±0.1%以內(nèi),堆積效率達(dá)1000cm3/h以上。制訂相關(guān)技 術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并在汽車、模具等行業(yè)產(chǎn)品研制中得到應(yīng)用” 。
3D打印技術(shù)在鑄造上的應(yīng)用,集中在砂型、模具、鑄 件制造及挽救。從中國(guó)和日本的發(fā)展指南來看, 兩個(gè)國(guó)家不約而同地選擇了發(fā)展大型鑄型3D打印技術(shù)。但中日的技術(shù)路線有所差別:日本的技術(shù)路線是采用分層噴射砂和 粘結(jié)劑, 中國(guó)863計(jì)劃申報(bào)指南是采用激光打印鑄型。二者的共同努力方向都是大型化, 提高精度。以3D打印為代表的第三次工業(yè)革命,以數(shù)字化、 人工智能化制造與新型材料的應(yīng)用為標(biāo)志, 必將為人類生活帶來革新性的變化,而這也是發(fā)展中國(guó)家盡快趕上發(fā)達(dá)國(guó)家的良好機(jī)會(huì)。
作者:傅駿,殷國(guó)富 (四川大學(xué)制造科學(xué)與技術(shù)學(xué)院)王澤忠 方輝(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系)
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