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卢秉恒: 我国增材制造行业进入快速发展阶段

  • 2019-07-10

卢秉恒

    中国工程院院士、西安交通大学教授,是我国3D打印领域最早的研究者之一,也是我国3D打印领域的领军人物。长期致力于先进制造技术的研究,主要开展增材制造、生物制造、微纳制造与电子制造装备等方面的科研和教学工作。开发了国际首创的紫外光快速成型机及具有国际先进水平的机、光、电一体化快速制造设备和一系列快速模具制造技术,首倡纳米压印研究,在个性化匹配人工骨及生物活性人工骨的研究方面获得重要突破。2018年2月,卢秉恒院士及其团队研发的“个体化下颌骨重建假体”获优德88注册证,这是国内首张个体化定制骨科内植物器械注册证。

    “增材制造对于中国制造而言非常重要,因为中国企业的制造能力很强,但是产品的开发能力严重不足,而增材制造可以为我们补足这个短板,它可以用很短的流程对设计进行迭代,做出样机并进行评价、分析,确定之后再进行生产。”近日,中国工程院院士、西安交通大学教授卢秉恒谈到我国增材制造行业发展时表示,增材制造(3D打印)最近几年发展非常快,年增长率保持在20%~40%。其中,熔融沉积成型技术(FDM)尤其迎合了创客的需要和教育的需要,发展十分迅速。最近较为流行的光固化技术(SLA)也在产品开发中发挥了重要作用。

    创新技术不断涌现

    “在金属材料3D打印中,一个最重要的问题就是怎样提高结构件强度。这就需要我们对3D打印理论进行研究。”卢秉恒表示,无论是铸造还是锻压,学术界一直在研究凝固学理论,但是铸造和焊接中熔池规模较大,需要在宏观的体积内来进行冷却和凝固。而在3D打印中,无论是激光束还是电子束,熔池都比较小,从理论上分析,小的熔池产生的缺陷必定也小,所以材料结构的强度就能够提高。但是怎样控制一些晶粒的生长呢?卢秉恒介绍,冷却速度影响晶粒的大小,同时也影响了结构强度。引用瞬态强非平衡态凝固理论,金属材料的3D打印凝固时温度梯度可提高1~2个数量级,细化了晶粒,提高了材料性能。3D打印的结构性能远胜于铸造,很多相当于锻件。但现在学术界还没有能够完全弄清楚强非平衡态凝固学这一科学问题,对增材制造件的应力分析还处于实验阶段,还不能形成很好的理论来指导这一过程。

    最近几年,增材制造创新技术不断涌现,比如面曝光技术,应用光固化原理,材料可以像拉拔一样快速成型,效率提高50倍~100倍。再比如一体技术金属打印,实际上是用光固化的材料加上金属粉末或陶瓷粉末进行打印,打印以后需要进行脱脂、烧结。

    对大型金属结构件来说,用丝材进行熔化堆积可能是更好的方法,它的能源既可以是激光的,又可以是电子束的,还可以是电弧的,就像传统的电焊一样。目前,该技术可以做到尺寸大于2米、5米甚至是8米。卢秉恒的实验室团队目前已经做到2米,且正在尝试5米、6米的装备。

    其实,许多传统制造技术都可以与3D打印技术相结合。例如铸造技术,利用层层堆积的概念,用一层层薄层铸造来形成3D打印新的技术。卢秉恒团队有一个专利就是在每一层铸造中采取锻打的方法来提高强度,增加结构材料的致密度来提高性能。他们做了很多堆焊实验,认为这是大型结构件高效的制造方法,可以达到每小时5千克甚至10千克。

    功能梯度材料受到重视

    功能梯度材料和复合材料越来越引起3D打印行业的重视。卢秉恒介绍,功能梯度材料(FGM)是指材料的化学构成、微观结构和原子排列由一侧向另一侧呈连续梯度变化,从而使材料的性质和功能连续地呈梯度变化。将材料分层,不同材料打印在不同层,就可以做到表面耐磨、耐腐蚀,里面高强度、韧性好,再里面则是疏松的蜂窝状结构,就像人体的骨头一样,在增强刚性的同时又减轻重量。目前,这些技术在航空航天领域已经有了重要的用途。

    复合材料的应用也是一个非常重要的方面。例如汽车、飞机和航天设备,都需要在减轻重量的同时保持高强度或高刚度,这时就可用到复合材料。纤维复合材料具有比强度高、比模量大、热稳定性好、可设计性强、重量轻等特点。纤维复合材料包括长纤维复合材料和短纤维复合材料。长纤维复合材料在车身的制造方面还存在许多技术难关,它在一些表面较展开的曲面比较容易制造,但是在曲面变化较大的凹凸结构中则较难实现。这时,也可以用短纤维复合材料或树脂复合材料解决这个问题,达到很好的强度。

    此外,温度变化时界面会发生什么样的变化;承载时界面之间的作用力怎样;3D结构形成的过程与正常工况、温度环境和其他物理环境不一样,会不会引起界面内应力的增加而影响性能……这些都是需要进一步研究的问题。

    应用场景呈现高端化趋势

    3D打印在各种高端制造领域得到了较大发展。

    在航空航天领域,由于3D打印具有对复杂形状零件的适应性,它可以把很多零件集成在一个零件上,应用这个优势,火箭发动机零件个数可以减少80%,很多焊缝都可以用3D打印来实现,这样能够减少焊缝带来的强度破坏以及其他可能发生的故障。

    在医疗领域,3D打印对于实现精准医疗具有广阔的应用前景,从影像诊断、三维数据设计、骨骼等结构打印到临床手术,3D打印能够实现个性化组织再生和修复。目前,3D打印在优德88制造和专业医疗辅助器械方面的应用发展较为成熟。3D打印技术较为典型的医疗应用包括构建手术规划模型、医疗培训教学、手术导板、3D打印植入物以及假肢、助听器等康复优德88。优德88领域可以充分发挥3D打印特性化的特点。2000年,卢秉恒团队做了3D打印用于下额骨特性化替换的试验,2018年2月,“个体化下颌骨重建假体”获得国内首张个体化定制骨科内植物器械注册证。

    3D打印用于建筑领域也在探索阶段。目前打印低层建筑日渐成熟,应用越来越广泛。高层建筑还有一定的难度,有待于材料的改进和材料打印工艺的发展。

    卢秉恒认为,目前,我国3D打印在应用领域进展良好,但是在原创的装备、原创的技术方面与发达国家相比仍有较大差距,希望能够通过多学科交叉,包括材料领域、信息领域、生物医疗领域的交叉来推动3D打印技术的创新。

    3D打印未来发展趋势

    卢秉恒指出,3D打印面临的挑战主要包括从控形到控形控性,从宏观到微纳,从制造到创造,从地球到太空以及如何多学科交叉推动技术创新等多方面。

    “微纳结构增材制造工艺与装备”被科技部列为重大共性关键技术类项目,目标是以微机电系统、传感器、微纳光学、精密医疗器件等为应用对象,开展器件制造应用实验,形成具有重大应用前景的新型功能器件原型,实现具有微纳特征的三维结构与功能一体化制造。目前,智能制造需要很多的传感器,在微电子工业制造领域可能需要上百万件,但是在某些定制化领域,只需要少量、多批度的传感器,这时3D打印就能发挥重要作用。3D打印具有能够制造复杂形状的优势,它可以对产品结构进行改造、进行再设计,使很多零件结合成一个零件。

    卢秉恒认为,未来,3D打印的发展趋势集中在以下几方面:

    第一,3D打印产业将逐渐成为各行各业产品开发的利器。今后5~10年,也许各个领域都会用3D打印技术开发自己的产品和装备。

    第二,从批量生产走向个性化定制。制造业目前是大批量生产,而要发展个性化定制,增材制造将发挥非常重要的作用。目前,国家药品监管部门非常重视定制式增材制造优德88的发展,已经对《定制式增材制造优德88注册技术审查指导原则(征求意见稿)》进行了多次研讨。在个人消费品领域,海尔集团等公司也在尝试通过设计师和用户的网络交互来进行个性化产品的设计。

    第三,大型企业跨界介入,促进行业发展。例如GE公司,用3D打印技术革新了汽车发动机的零件。他们还专门成立了增材制造公司,并投入大量资金来进行研发活动。

    第四,标准研究引领发展。目前,3D打印行业中标准不够完善是制约发展的一个因素,目前很多低端、高端产品混在一起,用户辨识不清,发展中出现了“劣币驱逐良币”、同质化、低价位竞争等现象。标准的完善必须引起有关部门的高度重视。

    卢秉恒描画了增材制造发展的路线图——在技术发展方面,从3D走向4D,从4D走向5D,所谓5D就是生命可降解组织和发展因子联合,打印出来的器械能够成就器官再创技术,如人工心脏、人工肝脏;在应用发展方面,逐步从20世纪的产品原型走向3D打印开发,再走向批量生产;在成型材料方面,从树脂发展到金属材料、复合材料,再到生物活性材料;在产业发展方面,从装备发展到各个领域,再发展到尖端科技;在参与者方面,正在从科技界走向企业界,金融机构也在尝试应用3D打印技术,将来会有越来越多的创客用3D打印技术完成他们的奇思妙想。

    相关链接

    3D打印主流技术

    SLA(光固化技术) 利用激光扫描,使液态光敏树脂固化。这是最早发明出来的3D打印技术,已广泛应用于设计验证。

    SLS(选择性激光烧结) 是一种将非金属(或普通金属)粉末分层铺设,激光在程序控制下选择区域扫描烧结成三维物体的工艺。用于飞机、航空航天零件的制造以及精密件的制造,包括飞机的格栅、牙科的修复、颅骨的修复等。

    SLM  是在送粉中实现激光融化和烧结,类似堆焊,制造件更加致密、强度达到锻件水平,可用于制造大型结构件、承载件。

    FDM(熔融堆积法) 将热塑性丝状材料加热从小孔挤出,将丝材熔化堆积成型。适合于教育或者创客设计验证。大尺寸FDM装备可用于汽车和无人机的制造。


来源:中国医药报

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