关于3D打印技术中的几个问题与思考(连载3)

刘斌(华南理工大学,广东广州,510640)(接上期) 8、为什么说3d打印只是增材制造技术的一个分支?增材制造(additive manufacturing,简称am)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实物零件的技术,相对于传统的材料去除加工技术,是一种“加法”的制造方法。近二十多年来,a m技术取得了快速的发展,“快速原型制造(rapid prototyping)”、“3d打印(3d printing)”、“实体自由制造(solidfree-form fabrication)”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。快速成型(rapid prototyping,简称rp),诞生于20世纪80年代中后期,是一种基于材料堆积的新型成型技术,被认为是近20多年来制造领域的一个重大成果。它可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。目前,国内传媒及专家学者习惯把快速成型技术叫做“3d打印”或者“三维打印”,显得比较生动形象,但实际上,“3d打印”或者“三维打印”只是快速成型的一个分支,只能代表部分快速成型工艺(如图18所示)。美国材料与试验协会(astm)f42国际委员会对增材制造和3d打印有明确的概念定义:增材制造是依据三维cad数据将材料连接制作物体的过程,相对于减法制造,它通常是逐层累加过程。3d打印是指采用打印头、喷嘴或其他打印技术沉积材料来制造物体的技术,3d打印也常用来表示“增材制造”技术,在特指设备时,3d打印是指相对价格或总体功能低端的增材制造设备。从广义的原理来看,以设计数据为基础,将材料(包括液体、粉材、线材或块材等)自动化地累加起来成为实体结构的制造方法,都可视为增材制造技术。 9、为什么说3d打印技术的服务市场有限?整个增材制造市场,可按价值链划分为设备、材料和服务三个大类。 2012年,设备市场 6.2亿美元,占比并不大,约占市场容量的28%,包括设备硬件、软件、系统更新、售后支持等;材料市场4.2亿美元,占19%;服务市场则占54%,主要来自服务供应商利用设备进行材料加工的零部件收入。据有关数据显示,图19为各国3d打印设备产业及安装统计数据。2012年,中国3d打印产业实现产值3亿元左右,全球约100亿元。中国3d打印技术产业联盟透露,2013年中国3d打印产业产值突破10亿元,未来中国将成为全球最大的3d打印技术市场。实际上,3d打印市场曾长期面临容量有限的状况,全球总产值曾长期徘徊在10亿美元左右。据沃勒斯同仁公司的推测,到2019年,全球3d打印产品和服务的收入将达69亿美元,其中零部件制造业务预计将占80%。从这个角度来说,3d打印产业的发展还有一段很长的路要走。 3 d打印可以在比较短的时间内制造一个实物样件出来,其效率是高于传统工业加工手段的,因此它适合小批量制造或是产品原型的快速开发。从成本曲线来看,除去设计成本,其生产成本接近于水平线。传统制造手段前期投入很大,但其成本会随着产量的增加而迅速摊平,因此成本曲线左高右低。这种简单的现实决定了3d打印和传统制造有各自的价格优势区。只有在生产数量低于一定限度的情况下,3d打印才有成本和时间优势可言,这也就是它的商业价值所在。目前,国内市场购买3d打印机的主要群体主要集中在工业客户上,如商业交通工具、航空航天、电子消费品、教育、文创、医疗、制鞋、家电等行业,如图20所示。3d打印机的定位一直是研发设备,应用在新产品开发的前端,用来做手板模型。因此,现在市场上超过90%的装机客户都是工业(商用)客户。民用客户(个人3d打印机客户、家庭3d 打印机客户)的数量虽然在递增,但是装机量还是非常少。另外,由于三维打印材料和固有工艺原理的限制,打印出来的零件的性能非常受限,尤其是其精度、力学性能等还不能完全满足功能件的要求,因此,三维打印技术的服务市场还是有限的。如三维打印金属零件,如果这个金属零件是常规的 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 零件(如齿轮、曲轴、手柄等),可用传统的制造工艺加工出来,那么用三维打印制造这个金属零件,无论从原材料成本、加工成本、生产效率、零件精度、零件性能等方面都没有优势,因此,三维打印金属零件需找准其服务市场定位(如航空航天工业用的金属零件、医疗器械类金属零件、军工类金属零件等),才具有一 定的实际生产意义和生产效益。 10、为什么3d打印技术又出现新的一轮火热?早在二三十年前,3d打印技术就已经能用树脂、塑料、石膏等材料制作三维产品了。近几年,由于3d 打印可处理的材料范围扩大到了金属材料和生物医学材料,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。此外,由于激光、振镜、热喷头和电子枪等关键元器件品质不断提高等原因,使得3d打印技术更加成熟。而在2012年,美国总统奥巴马宣布实施振兴美国制造的新举动,成立了3d打印创新研究院,同时奥巴马政府将3d打印技术作为其重振美国制造业的重要支撑技术之一。赶着这股热潮,在中国,3d打印改变过去“政府不疼,市场不爱”的萎靡态势,一下子跃为政府、产业界、学界、资本市场等各方的心头爱。人们开始相信,“小批量与个性化”代表着迅速积累的财富、不可思议的传奇和摧枯拉朽的颠覆。乐观者表示,未来我们的模具制造行业、机床行业、玩具行业、轻工产品行业或许都可能被淘汰,而取代他们的就是3d打印机,致使3d打印技术又出现新的一轮火热。 11、为什么说有人称3d打印技术能带来“第三次工业革命”? 3d打印是对传统制造业的一种颠覆性变革,有人甚至将3d打印机看成是第三次工业革命的影子,与蒸汽机和电力相提并论,如图21所示。很显然,与传统制造相比, 3 d 打印的制作工序、个性化需求及人力成本具有颠覆性变革意义。从操作工序上来说,传统的制造工艺是对原材料进行剪裁、拼接后连接而成,而3d打印是通过软件设计,一层一层堆积材料把产品做出来。3d打印通过将材料层层堆积的方法直接制造复杂的塑料制品、金属零件和合金元件等,而不是像以前那样对材料进行切割、锻打和弯曲等工艺,不再需要工序麻烦地制作很多不同的元件,然后再去组装它,可以不用传统的大规模机床来制造小型的零部件。从制造模式来说,过去是生产线规模化生产,今后则可能更多的是个性化的定制生产,产品上市时间缩短,同时不再需要库存大量的零部件,也不需要大量生产。 3d打印适应越来越苛刻的个性化消费需求。传统的大批量制造生产几乎能够提供任何人们最基本的吃穿住行玩等消费产品,但是这些产品都是 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化的,比较千篇一律,在个性化方面已经无法满足人们日益增长的需求。而手工生产的个性化东西虽然地道,品质精良,内涵丰富,但是手工制造耗时巨大;而3d打印技术既可以满足人们对个性化产品的追求欲望(如市面上买不到某件产品, 3d打印机或许可以满足你的心愿),还可以大大提高产品的生产效率。从生产成本来说,3d 打印无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机的三维图形自动生成实物零件,从而极大地缩短了产品的研制周期,大幅减少了材料的浪费,提高了生产效率,降低了生产成本;它还可以制造出传统生产技术无法制造的、形状结构极其复杂的零件。另外,3d打印极大地解放了劳动力,一个技术工人可以看管数台打印机,就像纺织工人看管织布机一样,可以节省大量的劳动力,而劳动效率却有数倍甚至数十倍的提高。正因为具备上述特点,3d打印被认为是先进制造技术和生产方式变革的产物。眼下,智能软件、新材料、机器人、新制造方法(例如3d打印)及基于网络的商业服务模式这五大要素,正共同推动制造业向数字化方向发展,我们即将迎来第三次工业革命。正因为如此,美国政府捷足先登,将3 d打印揽入怀中,试图成为新一轮工业革命的领导者,继续占据全球工业的制高点。(未完待续)