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3D打印，未來(lái)路在何方？
2020-5-12  來(lái)源：-  作者：-


     摘要：20世紀(jì)80年代后期，一種基于材料增長(zhǎng)理論的快速成形技術(shù)橫空出世，開(kāi)啟了增材制造時(shí)代（那時(shí)稱為快速成形）。到21世紀(jì)初，增材制造技術(shù)已成為制造業(yè)中一顆冉冉升起的新星，被譽(yù)為第三次工業(yè)革命的標(biāo)志。我國(guó)增材制造的研究起步于20世紀(jì)90年代，發(fā)端于高校，主要包括清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等。
  
     3D打印相關(guān)概念及發(fā)展現(xiàn)狀

     他山之石，可以攻玉。1989年，中國(guó)組織了一個(gè)代表團(tuán)到美國(guó)參加自然基金會(huì)會(huì)議，王運(yùn)贛教授第一次看到采用光固化技術(shù)的快速成形機(jī)，感到非常震撼，與減材制造不同，快速成形制造的毛坯小于零件，勢(shì)必引起制造方法上的革命。多批次中國(guó)學(xué)者對(duì)美國(guó)的訪問(wèn)、蹣跚起步的光固化技術(shù)與分層實(shí)體制造技術(shù)的摸索等，為我國(guó)3D打印的誕生和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

     2014年，通過(guò)昆山市的人才引進(jìn)、資金與場(chǎng)地支持、市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)協(xié)助，在昆山工業(yè)技術(shù)研究院的大力支持下，王教授創(chuàng)建了昆山博力邁三維打印科技有限公司，依托工研院先進(jìn)三維噴印裝備研究所的研究力量，主持開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)了多種國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的3D打印機(jī)，特別在氧化鋯陶瓷義齒制作等方面的應(yīng)用取得了可喜進(jìn)展。

     “在這個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域，我們已經(jīng)與國(guó)外站在同樣的高度，不必妄自菲薄。”目前，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校都在招收3D打印的研究生，在本科生的課程里也加入了相關(guān)教育。我們與國(guó)外的差距主要體現(xiàn)在打印材料上，引用王教授的話，“設(shè)備是手段、材料是基礎(chǔ)、工藝是靈魂”，未來(lái)國(guó)內(nèi)3D打印的發(fā)展之路，應(yīng)該在打印材料的研發(fā)上下大功夫。

     過(guò)度夸大引起的捧殺效應(yīng)。在過(guò)去幾年里，3D打印成為了熱詞，這其中媒體的作用不可忽視。用“捧殺”一詞形容當(dāng)時(shí)的3D打印狀況較為恰當(dāng)，那時(shí)，3D打印被廣為熟知的是桌面式熔絲制造（FDM）技術(shù)，被媒體夸張宣傳成了一門(mén)無(wú)所不能的技術(shù)，人人爭(zhēng)相入局購(gòu)買(mǎi)，然而由于這種機(jī)型的局限性，粗制濫造、效率低、壽命短漸漸成為了FDM技術(shù)的代名詞，背負(fù)了無(wú)用的罵名。當(dāng)時(shí)，“技術(shù)方面該說(shuō)的沒(méi)說(shuō)到，而不該說(shuō)的又說(shuō)得太多”，王教授表示，今后契合于3D打印技術(shù)特點(diǎn)的研究方向才是發(fā)展正途。

     “快速成形”、“3D打印”與“增材制造”。沉淀多年的“增材制造”技術(shù)經(jīng)美國(guó)前總統(tǒng)奧巴馬解讀變臉為“3D打印”，漂洋過(guò)海撲面而來(lái)，加上最初出現(xiàn)的“快速成形”，使得不少人莫名其妙，這三個(gè)名稱究竟是什么關(guān)系？可以說(shuō)快速成形=3D打印=增材制造嗎？正如減材制造技術(shù)，在其發(fā)展的不同時(shí)期，有不同的代表子技術(shù)（車(chē)、銑、刨、鉆、磨、電加工等），雖然它們都基于減材制造技術(shù)原理，但不能簡(jiǎn)單地在這些子技術(shù)之間劃等號(hào)。增材制造在其發(fā)展的不同時(shí)期，也有不同的子技術(shù)，20世紀(jì)末剛出現(xiàn)時(shí)的子技術(shù)稱為“快速成形”（RP，快速原型制造），因?yàn)槟菚r(shí)局限于制造外形相似的原型樣件。發(fā)展到現(xiàn)在，增材制造的子技術(shù)稱為“3D打印”，強(qiáng)調(diào)的是制造真實(shí)可用的功能器件。因此，快速成形和3D打印是增材制造發(fā)展不同時(shí)期的子技術(shù)，其原理都屬于增材制造，兩者之間不能簡(jiǎn)單劃等號(hào)。

     3D打印采用增材制造的方式，是“減材制造”和“等材制造（模具成形）”的重要補(bǔ)充，同時(shí)也將有效地推動(dòng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。在問(wèn)及3D打印的發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，王教授表示：塑料和金屬的打印高峰已過(guò)，進(jìn)入了一個(gè)平穩(wěn)期，而陶瓷的打印正處于上升期，這也是3D打印最值得期待的發(fā)展領(lǐng)域。
  
  
     打印速度不是優(yōu)勢(shì)，要注重發(fā)展精細(xì)復(fù)雜工件的打印。3D打印的核心是將3D制造轉(zhuǎn)化為2D制造，通過(guò)一層層2D樣片堆疊而成最終工件，3D打印的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需花大量的時(shí)間和費(fèi)用去設(shè)計(jì)、制造模具，就能直接制造形狀復(fù)雜的個(gè)性化定制工件，然而打印一層層2D樣片相當(dāng)費(fèi)時(shí)，速度并不是優(yōu)勢(shì)，打印一個(gè)工件動(dòng)輒要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，這對(duì)于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用無(wú)疑是巨大阻礙，如何有效提升效率，使3D打印機(jī)成為一種生產(chǎn)機(jī)械，是整個(gè)行業(yè)面對(duì)的難題。王教授認(rèn)為，近年來(lái)出現(xiàn)的多噴頭并行協(xié)同運(yùn)行3D打印機(jī)，是實(shí)現(xiàn)上述高效目標(biāo)的一個(gè)很好的探索。另一方面，要充分發(fā)揮3D打印的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，注重發(fā)展打印精細(xì)復(fù)雜工件。
  
  
     高性能陶瓷3D打印機(jī)，打造個(gè)人定制復(fù)雜件

     目前，陶瓷3D打印發(fā)展已步入快車(chē)道，在許多方面展露出優(yōu)異的性能。陶瓷3D打印是材料科學(xué)與增材制造技術(shù)相結(jié)合的典范，采用陶瓷粉末與光敏樹(shù)脂混合為漿體的打印材料，通過(guò)激光逐層固化成形為陶瓷生坯，再經(jīng)脫脂燒結(jié)等工序，得到最終的高性能陶瓷工件。這種方法制作的陶瓷產(chǎn)品的理化性能已能媲美常規(guī)的注射成型或干壓成型。

     王教授認(rèn)為，義齒是陶瓷3D打印的皇冠明珠，對(duì)生物性能、理化性能、形貌和尺寸精度等諸多方面有非常高的要求，且每個(gè)人每一顆牙齒的各項(xiàng)參數(shù)都不盡相同，屬于真正的個(gè)性化定制，采用傳統(tǒng)的義齒制作技術(shù)已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代人的要求，而塑料和金屬的3D打印在技術(shù)和性能方面也顯露出了弊端。

     博力邁公司研制的高性能陶瓷3D打印機(jī)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，采用激光掃描固化高陶瓷含量漿料，能打印氧化鋯、氧化鋁等各類生物陶瓷工件。作為科技部重點(diǎn)專項(xiàng)“口腔修復(fù)體3D打印臨床應(yīng)用示范”的首選陶瓷3D打印機(jī)，其特點(diǎn)主要包括：采用先進(jìn)激光-振鏡掃描成形原理；漿料性能穩(wěn)定，打印陶瓷件的密度和強(qiáng)度高；采用循環(huán)式加料與余料回收，材料利用率高；刮刀傾角可變，鋪設(shè)漿料薄層均勻、平坦；采用特殊防卡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)行更可靠；多項(xiàng)打印參數(shù)可調(diào)，工藝性和材料適應(yīng)性更好。
  
  
     是盲崇仿效，還是走中國(guó)創(chuàng)新之路？

     往往，國(guó)外公司推出一種新機(jī)型，國(guó)內(nèi)立即有諸多企業(yè)盲崇仿效，通過(guò)減少造價(jià)的方式迎合一部分市場(chǎng)。從設(shè)計(jì)理念看，即使國(guó)際知名公司推出的某些產(chǎn)品，也不一定完美無(wú)瑕，也還有許多值得商榷之處。我國(guó)的3D打印技術(shù)雖然起步比美國(guó)晚幾年，但國(guó)家十分重視，發(fā)展也較快，有些設(shè)計(jì)理念甚至比較超前。下面以博力邁公司的工業(yè)級(jí)熔絲制造（FFF）3D打印機(jī)（圖4）為例，提出幾個(gè)有關(guān)設(shè)計(jì)理念的問(wèn)題，期與業(yè)界交流探討。
  
  
博力邁公司研制的工業(yè)級(jí)熔絲制造3D打印機(jī)

     是封閉式，還是敞開(kāi)式？采用封閉式的設(shè)計(jì)，一大主因就是出于美觀。對(duì)于大型FFF式3D打印機(jī)床，一項(xiàng)非常重要的考量是操作方便性。如果機(jī)身非全封閉，那么可在打印機(jī)的固定工作臺(tái)上，再設(shè)置左右各一個(gè)活動(dòng)工作臺(tái)，兩個(gè)活動(dòng)工作臺(tái)輪流工作更能提高效率。

     是全室加熱，還是工件保溫？在許多大型FFF式3D打印機(jī)中，采用風(fēng)機(jī)向成形室鼓送熱風(fēng)，使打印件能持續(xù)保溫，但副作用是成形室內(nèi)的零件長(zhǎng)時(shí)間處于較高溫度下工作，容易造成故障、失效。其實(shí)，為使打印件保溫，并非必須對(duì)成形室進(jìn)行全室加熱，可以借鑒家庭浴室浴霸取暖的設(shè)計(jì)，機(jī)床四周固定四個(gè)定向紅外射燈，紅外燈隨打印進(jìn)程同步提升，持續(xù)加溫打印樣件，簡(jiǎn)單實(shí)用、效果明顯。
  
  
3D打印機(jī)創(chuàng)意加熱

     是籠框式布局，還是梁柱式布局？目前市售的大型FFF式3D打印機(jī)多采用簡(jiǎn)易的落地籠框式布局，剛度嚴(yán)重不足。博力邁公司吸取傳統(tǒng)大型壓力機(jī)的成熟經(jīng)驗(yàn)，采用由上橫梁、下橫梁、活動(dòng)橫梁和4根導(dǎo)向柱構(gòu)成的“3梁4柱”式布局，導(dǎo)向柱粗壯結(jié)實(shí)，在打印機(jī)下部還設(shè)置敦實(shí)的機(jī)座，剛度顯著提高。

     是工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，還是噴頭運(yùn)動(dòng)？受小型桌面機(jī)的影響，普通FFF式3D打印機(jī)在打印過(guò)程中，每打印一層，大型工件必須跟隨工作臺(tái)，快速精確地下降一個(gè)層厚。這顯然不妥！應(yīng)該是質(zhì)量較輕的噴頭抬高一個(gè)層厚，減少因沉重工件與工作臺(tái)下降引起的損耗。
  
  
雙噴頭3D打印

     前不久，國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature》報(bào)道了哈佛大學(xué)多材料3D打印新技術(shù)，通過(guò)不同材料在噴嘴處進(jìn)行輪換打印而實(shí)現(xiàn)多材料的3D打印，引起了巨大反響，但打印速度的問(wèn)題仍然不得解決。而博力邁公司研制的FFF式3D打印機(jī)，首次實(shí)現(xiàn)了雙噴頭并行協(xié)同材料的擠出成形，兩個(gè)擠出不同材料的噴頭并行協(xié)同運(yùn)行，打印軌跡自動(dòng)生成、協(xié)同運(yùn)行防誤撞，打印效率成倍增長(zhǎng)。據(jù)王教授透露，打印速度可達(dá)單噴頭的1.5至1.7倍。

     結(jié)語(yǔ)

     面對(duì)目前全球蔓延的新冠肺炎疫情，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求總體仍顯疲弱，企業(yè)面臨需求不足、訂單下降的困難，而國(guó)外疫情的持續(xù)蔓延，又將加重外部情況的復(fù)雜性，行業(yè)企業(yè)關(guān)停、虧損的消息動(dòng)搖人心。而比這更可怕的是低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)，無(wú)底線的低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)降低了產(chǎn)品質(zhì)量，最終擾亂了市場(chǎng)，累死自己、餓死同行、坑死企業(yè)的例子屢見(jiàn)不鮮。正如當(dāng)下的中美關(guān)系，合則兩利、斗則俱傷。王教授表示，只有加強(qiáng)彼此之間的合作，把競(jìng)爭(zhēng)者變成合作伙伴，同時(shí)加強(qiáng)行業(yè)約束力，才能實(shí)現(xiàn)共贏。
     
     以先進(jìn)三維噴印裝備研究所作為智力支撐，博力邁公司步入創(chuàng)新發(fā)展“快車(chē)道”。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，發(fā)展增材制造技術(shù)是推進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要任務(wù)，特別是新材料的不斷涌現(xiàn)，將加速3D打印技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

 

     作者簡(jiǎn)介：

     王運(yùn)贛，華中科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，英國(guó)伯明翰大學(xué)榮譽(yù)研究員，享受?chē)?guó)務(wù)院特殊津貼專家，曾任華中科技大學(xué)校長(zhǎng)助理，現(xiàn)任昆山博力邁三維打印科技有限公司董事長(zhǎng)、先進(jìn)三維噴印裝備研究所所長(zhǎng)。20世紀(jì)90年代初以來(lái)，研發(fā)了多種國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的3D打印機(jī)，已出版有關(guān)3D打印技術(shù)專著14本。

     本文是中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)特種加工機(jī)床分會(huì)對(duì)昆山博力邁三維打印科技有限公司董事長(zhǎng)、先進(jìn)三維噴印裝備研究所所長(zhǎng)王運(yùn)贛教授的專訪。
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