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卢秉恒院士,开讲了!深度解读3D打印如何突破高端制造的瓶颈

2022-02-15 18:55     来源:西安交通大学     3D打印 3D打印

近日,中国工程院院士,西安交通大学教授、国家增材制造创新中心主任卢秉恒做客央视财经频道《中国经济大讲堂》,为我们深度解读3D打印如何突破高端制造的瓶颈。

什么是3D打印

制造技术按照在制造过程中材料质量的增加或减少,可分为三种技术。

01、等材制造技术

就是经常说的铸造、锻压、焊接等方法,在制造过程中间基本上是按照砂型或者模具来进行成型的,质量在制造过程中并不发生变化。

02、减材制造

减材制造也称为机械加工,是把毛坯材料按照图纸来切削成小的零件。

03、增材制造

3D打印在制造过程中是将材料一点一点加起来的,因此3D打印也叫增材制造。

3D打印技术起源于20世纪80年代初,其原理是将计算机设计出的三维模型分解成一系列平面切片,通过激光电子束、粒子束等能源将材料固化熔融,而一层层累加,最终形成三维结构的物体。这种新型的制造技术可以不受环境和场地的限制,制造出任意结构复杂精益的产品,帮助人们实现传统技术难以实现的产品制造。

3D打印的优势

01、让高端制造省钱又省力

像航空航天、交通运输、高铁汽车,都需要把装备做到轻量化。用切削加工来去实现的话,95%至97%的材料被加工掉了,而3D打印就是哪些地方需要材料,就把材料加在哪里,是材料节约型的制造。

02、制造复杂精密设备手到擒来

3D打印技术可以进行任意复杂形状的设计制造。

03、让产品开发简单快捷

3D打印适应各种个性化定制制造需求,不需要专门的工装卡具模具,现在火箭整个壳体,火箭的连接环、燃料储箱、捆绑支架,都已经用3D打印制造,也包括飞机的机翼、导弹的壳体。天问号有几百个零件也是3D打印成功的。

04、“万物”皆可打印

3D打印技术可以适用各种材料,包括非金属材料、金属材料、陶瓷、复合材料等,越来越多的材料被研究用于3D打印,满足各种工程的需要。金属材料经过3D打印,打印出来的零件的强度、韧性远高于铸件,几乎和锻件差不多,有些性能甚至领先于锻件。

3D打印补短板

中国制造业的短板,我们都进行过充分的分析,首先中国制造业的产品基本上是低价位的或者中低价位的,占据价值链的中低端。高端的复杂的竞争不过国外,往往是生产能力很强,但是新产品开发的太慢太少。而一半以上产品的价值是由创新设计所决定的,有了3D打印技术,就可以大大加快自主创新进程。

01、加快实现产品的创新研发

用传统的制造难以实现的设计,在运用3D打印技术后,可以加快实现新产品的开发进程。

02、加速高端装备的开发迭代

3D打印技术为制造个性化、复杂的产品,提供了一个非常好的工具。在这个工具支撑下,高端装备的开发和迭代的速度就会大大加快。所以它成为一个高端制造业的竞争的“神器”。

03、提高战略性新兴产业竞争力

我国的战略性新兴产业在兴起,它在国民经济占的GDP比重也越来越高。3D打印也就是增材制造,可以使制造业更新换代更加具有竞争力。

04、为个性化定制提供解决方案

3D打印为中国制造业培养新的竞争优势

以3D打印为代表的数字化增材制造技术被提升到国家战略层面,2015年增材制造被列入中国制造2025需要加快研发的前沿技术装备行列。2016年国家启动实施了增材制造和激光制造重点研发专项,旨在打造3D打印技术的创新体系,支撑我国高端制造业发展。

01、3D打印让我国大型飞机承载结构设计赶超国外

中国制造正在从跟踪仿制走向自主可控,现在很多方面都做到了。我国3D打印技术在大型飞机承载件上的应用已经走在了国际前列。

02、自主研发核心技术,避免“卡脖子”风险

在增材制造一些核心器件上,尤其是核心软件方面,我们都作了开发,所以就避免了现在中国制造业的短板。

03、从小到大,不断突破制造极限

3D打印制造的大型设备,我们做的尺寸的大小和我们应用的程度,跟国外几乎不相上下,有些我们还超过了国外。

04、增减结合,让产品更优质

我们的创新,是把增材和减材在一台设备上完成了,它的机体是五轴联动的数控机床,把一个打印头和切削头同时都集成一起,软件也是我们自己开发的,这样制造出来的零件,就是能够达到我们工业切削加工所需要的精度和光洁度。

05、3D打印,让制造业迎来新时代

3D打印形成批量化的制造,尤其是多品种小批量产品制造的时代已经到来。

06、增材制造是创新的驱动器

为了促进制造业的发展,我们也建立了制造业的创新中心,它的主要任务就是完成4级到7级成熟度之间的技术研发。由用户定义,我们应该开发哪些技术,用户急需哪些技术,这样来使我们的开发更能够顺利的推向产业化。

3D打印与生命科学

实现生物3D打印新技术的突破和应用,成为科学家们的追求。

01、3D打印从创新到创生

3D打印也支持我们一些科技的革命,就是我们可以通过细胞打印,通过器官再创和基因改造,来打印出我们人体的器官,来服务我们人的健康。那么我们怎么样把3D打印技术用于精准医疗呢?例如我们有一个病人受了外伤了,我们就把他的CT的数据,用一个软件叫反求物软件,把它破损那一块儿,给它重新设计出来,通到我们的3D打印机中去,我们就可以把这块骨头修补出来。

02、3D打印让人造器官不再是梦

以色列它已经研究了能够跳动的心脏。更大的难题是怎么样使我们人造的这些器官,虽然它能活了,但是它还没有真正的活起来,真正的活起来必须和我们心脏的血管有效地联系起来,必须和我们人体的神经联系起来,必须你这些神经还都能够受我们大脑中枢神经的指挥。所以就是血管化的问题和神经化的问题,是我们做人造的活性器官可能最大的一个障碍。当然了也有材料方面的问题,也有一个器官的多种细胞的生长问题,生长或者控制这些规律,所以这些都需要交叉学科的研究。我认为在不久的将来,这些东西都可以实现。

太空中的3D打印

3D打印技术的不断进步,让人类开始尝试将探索的目光投向遥远的太空。2014年美国国家航空航天局利用3D打印技术,在国际空间站上打印出了太空制造字样的牌子,2020年5月我国长征五号运载火箭则成功将一台国内自主研发的3D打印装备送入太空,并在天空中成功实现了连续纤维复合材料的3D打印。

01、把3D打印搬上太空

无论现在做的登月工程,还是探测火星,太空探索一直是我们人类的梦想。我们可以不可以在太空中来利用星外的资源来进行太空制造,制造好的产品再降落到地球上,这样使我们地球能够增加更多的生活空间,能够更大规模地减少我们地球上的能量消耗,来保护我们地球的环境。

02、太空制造的优势

真空环境,因此不存在3D打印中材料的氧化问题。

没有热传导,3D打印所需要的能量也少。

微重力环境,太空中有可能制造成本比地球上大为降低。

03、太空制造三部曲

在地球上来打印宇航器。

在空间站在轨制造用于维修宇航器的器件。

在外太空来实现太空制造。

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