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差距明显!3D打印材料国产化势在必行
2019-05-10 17:10:06   发布者:System

增材制造(3D打印)的定义

增材制造(additive manufacturing,AM)技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除(切削加工)技术,是一种“自下而上”材料累加的制造方法。

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。

增材制造技术的特点

增材制造技术利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件,从而实现“自由制造”,解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形,并大大减少了加工工序,缩短了加工周期。增材制造的特点是单件或小批量的快速制造,这一技术特点决定了增材制造在产品创新中具有显著的作用。

英国《经济学人》杂志认为增材制造技术将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”,认为该技术改变未来生产与生活模式,实现社会化制造,每个人都可以成为一个工厂,它将改变制造商品的方式,并改变世界的经济格局,进而改变人类的生活方式。

增材制造技术在国内外的发展

经过20多年的发展,美国已经成为增材制造领先的国家,3D打印技术不断融入人们的生活,在食品、服装、家具、医疗、建筑、教育等领域大量应用,催生许多新的产业。增材制造设备已经从制造业设备成为生活中的创造工具。人们可以用3D打印技术自己设计物品,增材制造技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式,欧美等发达国家和新兴经济国家将其作为战略性新兴产业,纷纷制定发展战略,投入资金,加大研发力量和推进产业化。

我国自20世纪90年代初,在国家科技部等多部门持续支持下,西安交通大学、华中科技大学、清华大学、北京隆源公司等在典型的成形设备、软件、材料等方面研究和产业化方面获得了重大进展。随后国内许多高校和研究机构也开展了相关研究。我国研发出了一批增材制造装备,在典型成形设备、软件、材料等方面研究和产业化方面获得了重大进展,到2000年初步实现的设备产业化,接近国外产品水平,改变了该类设备早期仰赖进口的局面。

近些年来,增材制造技术在美国取得了快速的发展。主要的引领要素是低成本3D打印设备社会化应用和金属零件直接制造技术在工业界的应用。我国金属零件直接制造技术也有达到国际领先水平的研究与应用,例如北京航空航天大学、西北工业大学和北京航空制造技术研究所制造出大尺寸金属零件,并应用在新型飞机研制过程中,显著提高了飞机研制速度。

增材制造技术的发展趋势

(1)向日常消费品制造方向发展。三维打印是国外近年来的发展热点。该设备称为三维打印机,将其作为计算机一个外部输出设备而应用。它可以直接将计算机中的三维图形输出为三维的彩色物体。

(2)向功能零件制造发展。采用激光或电子束直接熔化金属粉,逐层堆积金属,形成金属直接成形技术。该技术可以直接制造复杂结构金属功能零件,制件力学性能可以达到锻件性能指标。

(3)向智能化装备发展。目前增材制造设备在软件功能和后处理方面还有许多问题需要优化。

(4)向组织与结构一体化制造发展。实现从微观组织到宏观结构的可控制造。

国内与国外的差距

据粉体网小编的了解,近些年国内增材制造的市场发展不大,主要还在工业领域应用,没有在消费品领域形成快速发展的市场。另一方面,研发方面投入不足,在产业化技术发展和应用方面落后于欧美。

欧美巨头公司垄断逐渐形成大型的增材制造企业,拥有资金及技术优势,在不断收购整合材料类生产厂商后,以设备生产和材料供应的综合形式存在。企业对原材料和设备实行捆绑销售的商业模式,对打印材料进行垄断,抬高了材料价格。

例如美国的3D Systems和Stratasys是典型的以材料供应和设备制造的综合形式存在的2家公司,3D打印产品占据了绝大多数的市场份额,以2016年为例,Stratasys和3DSystems分别实现营业收入7.4亿美元和6.9亿美元,占全球排名前10家3D打印厂商营业总收入的29.62%和27.88%,在销售3D打印机的同时与其工程塑料及光敏树脂材料进行绑定销售。

德国主要是围绕工业生产的需求发展增材制造技术,在金属打印领域具有明显的优势,其中EOS公司是全世界销售激光选区熔化3D打印(SLM)设备最多的厂商,对SLM设备的生产销售近乎达到垄断地位,向各地区销售的600多台设备超过了其他所有厂商销售量的总和。据粉体网小编的了解,EOS公司同样会将其生产的金属粉末与设备捆绑销售,抬高金属材料的价格。未来,这些综合性增材制造厂商的材料销售份额可能进一步增加,对材料市场的垄断愈发显著。

相比之下,国内的增材制造材料产业仍处于产业发展的初始阶段。虽然产业发展潜力巨大,但市场规模仍然较小,在基础理论研究、原材料生产工艺、材料制备装备开发等多方面,都有待进一步探索。据粉体网小编了解,在材料的制备方面,我国能自主生产的性能满足增材制造打印要求的材料非常有限,尤其是金属粉末材料,目前还存在着粉末球形度差、氧含量高、成分均匀性差以及粒径分布广等问题。因此国内用于增材制造的金属粉体材料仍严重依赖于进口,导致生产成本高昂,极大地制约了我国增材制造产业的发展和推广应用。

据粉体网小编了解,我国3D打印用材料很多由快速成型厂家直接提供,尚未实现第三方供应通用材料的模式,导致材料的成本非常高。同时,国内尚无针对专用于3D打印的粉末制备研究,对粒度分布、氧含量要求严格,有些单位采用常规的喷涂粉末替代使用,存在着很多的不适用性。在3D打印快速成型方面,研发和生产通用性更强的材料是技术提升的关键。解决好材料的性能和成本问题,将更好地推动我国快速成型技术的发展。3D打印材料国产化已势在必行。

总体来看,在技术研发方面,我国增材制造装备的部分技术水平与国外先进水平相当,但在关键器件、成形材料、智能化控制和应用范围等方面较国外先进水平落后。我国增材制造技术主要应用于模型制作,在高性能终端零部件直接制造方面还具有非常大的提升空间。

在增材的基础理论与成形微观机理研究方面,我国在一些局部点上开展了相关研究,但国外的研究更基础、系统和深入;在工艺技术研究方面,国外是基于理论基础的工艺控制,而我国则更多依赖于经验和反复的试验验证,导致我国增材制造工艺关键技术整体上落后于国外先进水平;材料的基础研究、材料的制备工艺以及产业化方面与国外相比存在相当大的差距;部分增材制造工艺装备国内都有研制,但在智能化程度与国外先进水平相比还有差距;我国大部分增材制造装备的核心元器件还主要依靠进口。

结语

增材制造以其制造原理的优势成为具有巨大发展潜力的制造技术。随着材料适用范围增大和制造精度的提高,增材制造技术将给制造技术带来革命性的发展。

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