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3D打印改变工业 增添精密制造业新力量

未知 2019-10-18 09:59

  在一台封闭式的大型机器盒中,激光将产品需要的粉末材料以每小时1厘米的厚度进行横断面烧结,层层烧结,叠加打印产品的各横截面,最终形成成型产品。这便是神秘的3D打印机的工作全流程。

  由于产品按照三维数据模型,由材料层层叠加烧结或黏合而成,整个产品生产不受任何复杂结构和生产工艺限制,任何空间结构复杂的产品,在3D打印机面前都是同样的程序生产。

  凭借这样的突破,3D打印对工业研发、设计前端带来革命性改变,设计人员不再受以往设计可实现性局限,任何复杂怪异的设想、设计都能够通过3D打印变成现实。

  由于设想能够无限地走进产品现实,研发设计人员也不用耗费巨资开模,3D打印已陆续走进人们熟知的生产、生活领域:从手板制造到玩具工艺品、汽车、航空航天、生物医疗领域,甚至日常的照相馆也能见到3D打印的应用。据不完整统计,全球3D打印市场产值每年正以30%的速度在增长。

  在国内,包括南京、青岛、成都、昆山等多个城市都在争先挖掘3D打印人才,争夺3D打印新市场。今年5月底,广州也将迎来国际3D打印知名科学家、美国3Dsystem前技术总监、美籍华人科学家许小曙博士,他将带领3D打印团队在南沙成立广州南沙3D打印创新研究院。

  3D打印时代已到来,广州如何拔得头筹、抢占新技术产业的制高点?寻找广州经济领头羊第二期走进3D打印,从微观样本探寻广州经济新变化。

  研发革命 3D打印时代到来

  无拼接的传动轴、类似象牙雕刻的9层镂空套球、结构复杂的无人机机翼、发动机进气歧管、气缸盖样板、埃菲尔铁塔模型这些琳琅满目的产品,都是世界SLS(3D打印家族中的一种技术)之父、广州南沙3D打印创新研究院院长许小曙设计的3D打印机生产出来的。

  广州南沙3D打印创新研究院院长助理刘一展向记者展示了其中的传动轴,这些产品的所有齿轮、旋钮都不是组装出来的,也没有焊接,全部是一次性打印出来的。令人叹为观止的是,类似象牙雕刻的9层镂空套球,是在最核心的小球之外连续套着一层又一层的大球,且每一层都是镂空的。利用传统手工艺雕刻必须花几十年才能完成的一个产品,用3D打印仅需要3个小时就能完成。

  事实上,不仅仅是降低时间成本,3D打印还突破了设计人员的思想天花板。从事3D打印的广州网能产品设计公司负责人邓以翔指出,3D打印的魅力在于让人们的创新能力大大提高,让个人Idea变成现实。

  无论在工业领域还是消费领域,这项技术带给了人们全新的理念与技术手段,原来受制于传统制造方式的设计理念获得了全新的实现途径。许小曙指出,3D打印技术让设计人员的创造力得到更充分的释放。

  以前给一台洗衣机开模,要耗费上百万元。许小曙举例说,由于开模耗费巨大,一旦开发出来不符合要求损失非常大,工业设计人员往往很谨慎;而他们用3D打印技术为国内家电制造龙头企业制作了一台洗衣机样机,仅仅花费了六万多元,设计人员的创意不用耗费巨资就可以进行测试使用,也就可以放开脑筋尝试各种不同的想法。

3D打印的摩托车

  不独如此,对于内部结构复杂的产品,3D打印也有其优势。据介绍,进气歧管是发动机中结构最复杂的部件之一,该部件的传统开发流程大约需要经过4个月的时间。长沙理工大学方程式赛车利用许小曙研发的工业级3D打印机,制作出发动机进气歧管原型部件,耗时仅需48小时。测力试验证明,零件的力度、准确度和耐久性均未出现任何问题,而发动机效率增加了10%。

  我们已经和许多医院在外科手术上进行了合作,许小曙谈到了3D打印对医疗领域的影响,他们已经成功完成30余例外科手术,3D打印把CT扫描的二维影像转变成三维实体,外科医生在实体模型上设计手术方案,如固定支架的形状和位置,螺钉的位置、长短等一些关键的技术参数,并且可以利用打印出来的实体,模拟手术过程,并验证手术方案的实际效果。

  采用3D打印技术可以将手术的时间缩短1/3以上,手术后的恢复时间减少一半,一些复杂的手术以前要数十年以上经验的外科医生才可以完成,而使用3D打印技术以后,年轻医生也能成功实施这类复杂的手术了。

  产业新军 精密制造业新力量

  由于拥有传统制造业所不具备的优势,3D打印技术更有利于创意落地,从而被看成第三次工业革命的使者。加之其污染低、对劳动力依附程度低,欧美国家也视之为争取制造业回流的法宝。

  一个以3D打印技术为核心,包含信息、材料、光电、控制等各个上游领域,及航空航天、汽车、医疗、精密机械、创意文化等众多下游应用领域的新产业群快速萌生起来,成为世界经济中一个新的价值产生源。

  许小曙指出,3D打印技术是从数据模型直接制造三维实体,省略了占据传统制造大部分成本的开模环节,具有便捷、柔性、快速等众多优点。其突出特点是,将大批量无差异化的生产转化为个性化、差异化的快速生产。这种变革能让每个人都能参与其中,并快速获得自己的设计和构思实物,摆脱空间形状、加工手段、成本带来的限制。

  因此,3D打印技术完全可能将私人订制服务带入一个新的发展阶段,因为它从技术、经济的角度为这个领域提供了可行的实现手段。而由于一台3D打印机可以打印许多形状,它可以像工匠一样每次做出不同形状的物品。相较于传统制造业,3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本。这意味着,随着技术的发展,低成本定制服务将成为未来的发展趋势。

  按照这种发展趋势,许小曙预计,将来集中式的生产将逐步转变成为分布式制造,在网上购买个性化定制商品的设计文件后,人们就可以在附近的3D打印店打印出来。

3D打印珠宝可用于首饰定制

  事实上,由于3D打印技术的加入,这种个性化、小批量生产已经高精尖技术领域初现端倪了。据介绍,航空航天、大型武器等装备制造业,零部件种类多、形状复杂且性能要求高,需要进行反复测试。3D打印在这样一些小批量、个性化的产品领域,除了在研制速度上具有优势外,甚至能直接加工出特殊、复杂的形状,简化装备的结构设计并进行使用。像利用3D打印可以打印飞机的一些零部件,并且可以实现减重、省油的效果。从事3D打印的大业激光企业负责人陈玹如是指出。

  许小曙向记者展示了一款他们用SLS工艺打印的无人飞机尾翼。飞机的尾翼内部安装了空速管,一端与飞机中部的测速装置相连,另一端则与外部相连,若用传统工艺来制造,尾翼要一分为二,中间空速管填入后,再将两部分合一,既影响速度的测量,又制造不够精细,不可靠且工艺复杂。

  通过3D打印可以将整个尾翼一体打印出来,一次性解决所有的问题,这是其他工艺无法达到的水平。据介绍,将与南沙3D打印创新研究院形成产业链对接的生产企业华曙高科,已经与高校合作打印出多款无人飞机,今年还将在珠海航展上亮相。

  广州探索 布局3D打印产业园

  有报告预测,到2017年,全球3D打印的市场份额将达到50亿美元。而国内3D打印产业在近一两年内也进入了爆发式增长,广州有一家企业今年一季度售出的3D打印机已经和2013年度一样多,产值近千万元。

  除了企业自发进军3D打印市场,各地政府也跃跃欲试。值得注意的是,在3D打印技术的发展热潮中,广州同国内不少城市一样,也逐步开启了自己的探索步伐。邓以翔透露,目前广州已经就3D打印产业发展展开了调研,并提出了打造3D打印产业园的设想。

  南沙新区也开始展开了这方面的探索。早在2013年9月,广州南沙区经贸科技和信息化局,已就南沙新区3D打印产业发展规划项目进行公开招标:借外脑邀请相关咨询公司,就3D打印技术、应用、产业及方向做论证,合理利用各种资源,将南沙打造成为3D产业发展的集聚地。

  在这一背景之下,广州南沙3D打印创新研究院将落户南沙。3D打印创新研究院是非盈利组织,旨在提供更加符合市场实际需求的研究成果。该研究院的院长许小曙决定凭自身在国际3D打印行业的影响力,抢占核心技术、产业、人才,使南沙快速形成国际3D打印核心技术人才的聚集效应,同时实施3D打印科研产业转化项目,在这些基础上,最终建立一个拥有自主核心技术、能参与国际市场竞争的3D打印研发产业聚集中心。

  许小曙告诉记者,研究院将引进一批国际资深专家,第一期已经确定聘用的3名专家分别来自美国3D打印行业龙头企业3Dsystems公司和欧洲TNO研究院等机构,都有20年以上从业经验,专门从事应用型研究,从而确保研究成果能够直接应用于市场。

  同时,广州南沙3D打印创新研究院还将到美国南加州大学、欧洲TNO研究院物色3D打印研究初步成果。这些是原理性研究,其成果要投放到市场还必须经过进一步转化,否则商业公司无法直接应用,也不敢投资。许小曙将带领南沙3D打印创新研究院的研发团队,对这些初步成果做进一步研究,转化成为有着旺盛市场需求的产品。经过这一项转化,可能价值仅有2000美元的初步成果就可能跃升为价值数百万元的项目。

  此外,3D打印创新研究院还计划与国际知名的化工企业合作研发新型的3D打印材料及相应的打印设备、软件。许小曙透露,研究院研究范围还包括光学仪器、三维成像以及医学生物领域的项目。力争在一年后产生第一个3D打印产品,而一年半内争取建立第一个3D打印工厂。上述项目都将落户南沙。这意味着,3D打印创新研究院将成为一个孵化器,围绕着研究院将有一批3D打印企业,从而在南沙形成3D打印产业园区。

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