3d打印技術的發(fā)展與應用

3d打印技術的發(fā)展與應用

史玉生：男，196年生，武漢大學教授。曾任材料科學與工程學院副院長、材料成形與模具技術國家重點實驗室副主任,現(xiàn)任材料科學與工程學院黨總支書記、先進成形技術與裝備湖北工程實驗室主任、中國3打印技術產業(yè)聯(lián)盟聯(lián)席理事長、中國特種加工學會常務理事、中國快速成形委員會副主任委員、湖北省3D打印技術產業(yè)聯(lián)盟理事長、湖北省航空學會副理事長等。在國內外期刊公開發(fā)表論文200多篇,國內外特邀或主題報告20多次,主編出版專著教材4部,主持國家科技支撐計劃、02和04科技重大專項、863、國家自然科學基金、國際合作等科研項目20余項,獲“2011年中國十大科技進展”1項、國家技術發(fā)明二等獎和科技進步二等獎各1項、省部級一等獎3項、省部級二等獎3項,獲發(fā)明專利30多項并實現(xiàn)了產業(yè)化。研發(fā)的工業(yè)級3D打印裝備及其成形材料被國內外300多家用戶所采用,不但服務于我國,而且也出口俄羅斯、巴西、新加坡、英國等國。鑒于其學術及產業(yè)化成果,獲2009中國發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎特等獎暨當代發(fā)明家、2012十佳全國優(yōu)秀科技工作者提名獎、2012國家政府特殊津貼等稱號,被評為2011中國科學十大杰出創(chuàng)新人物、2012中國制造業(yè)十大創(chuàng)新人物和2013CCTV科技盛典科技創(chuàng)新人物,入選2012東湖高新區(qū)3551光谷人才計劃,研究成果先后兩次被中央臺拍成科教片多次播放,分別被中央臺和人民網(wǎng)邀請為高端訪談的演講嘉賓。領導的團隊分別入選湖北省和教育部創(chuàng)新團隊,指導的研究生獲全國優(yōu)秀博士論文提名獎1篇、湖北省優(yōu)秀博士論文4篇、湖北省優(yōu)秀碩士博士論文3篇。當前,3D打印技術作為媒體和資本的新寵,發(fā)展得如火如荼。3D打印20世紀80年代誕生于美國,而我國的3D打印技術起步其實也不晚,這方面的研究在20世紀80年代末就已開始,起初的研究力量主要集中在清華大學、華中科技大學和西安交通大學等高校。華中科技大學3D打印技術團隊是由原校長黃樹槐教授在20世紀90年代初組建的,目前團隊帶頭人為史玉升教授。在3D打印技術方面,主要開展基于粉末床的激光選區(qū)燒結和激光選區(qū)熔化裝備、材料、工藝及應用研究。多年下來,該團隊成績斐然,碩果累累。如獲2001年國家科技進步二等獎、2011年國家科技發(fā)明二等獎和2011年中國十大科技進展等。3實現(xiàn)制造非織造產品的快速發(fā)展近日,我刊記者有幸采訪到了史玉升教授及其團隊成員。據(jù)史教授身邊的老師說,史教授幾乎把所有的精力都放在了研發(fā)工作中,每天總是早早地來到實驗室,經(jīng)常工作到晚上12點才離開。那份責任感、那份執(zhí)著,著實讓人敬佩有加。談起3D打印技術,史教授說3D打印技術屬于一種非傳統(tǒng)加工工藝,也稱為快速成形、增材制造等,是近30年來全球先進制造領域興起的一項集光/機/電、計算機、數(shù)控及新材料于一體的先進制造技術,它根據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)由計算機控制,將粉狀、液狀、片狀、絲狀等材料逐層累加制造實體零件,不需要刀具、夾具及多道加工工序。該技術每次制造二維薄層結構,大大降低三維復雜結構的制造難度,理論上可制造任意復雜結構,屬于“自由制造”過程。而且越是復雜結構的產品,其制造的高效率作用越顯著。我國在改革開放30年以來,學習西方國家,實現(xiàn)了大規(guī)模生產模式高效率運行,制造業(yè)產值躍居世界第一位。經(jīng)濟發(fā)展已經(jīng)從產品匱乏到產品充裕、乃至于產過于求,逐漸成為經(jīng)濟發(fā)展的矛盾。轉變經(jīng)濟發(fā)展方式是我國經(jīng)濟發(fā)展需要探索的首要問題,而3D打印技術的發(fā)展無疑給我們提供了一個契機。3D打印技術及其制造模式對我國經(jīng)濟結構的調整和發(fā)展方式轉變具有重要的推動作用。從技術層面來講,3D打印消除了制造過程中的材料浪費,復雜產品可直接制造,不再需要模具和多級裝配;可即地生產,減少(或消除)物流配送環(huán)節(jié);從產業(yè)層面來講,面對后經(jīng)濟危機時代的挑戰(zhàn),各國都在尋求新的經(jīng)濟增長點和著力培育具有競爭優(yōu)勢的新興產業(yè),以3D打印技術為代表的制造產業(yè)發(fā)展將成為未來拉動經(jīng)濟發(fā)展的關鍵所在;從社會層面講,3D打印是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)之后的制造業(yè)革命,即利用3D打印技術,可讓社會民眾充分參與產品的全生命制造過程,實現(xiàn)個性化、實時化、經(jīng)濟化的生產和消費模式,改變世界的經(jīng)濟格局,進而改變人類的生活方式;從國家層面講,3D打印技術必將極大地刺激社會需求,同時有效地提升整個社會的參與程度,其直接結果就是社會創(chuàng)新能力和就業(yè)率的大幅度提升。新產品在實際制造后,可能與原設計有出入,因此量產前常常需要樣品驗證,3D打印技術正好發(fā)揮其在單件或小批量生產上的優(yōu)勢。另外,3D打印技術在高端尤其是復雜零件加工上有較大潛力。為此,他舉例說,某發(fā)動機制造商采用3D打印技術,把大型六缸柴油發(fā)動機缸蓋砂芯的研制周期,由過去的5個月縮短至1周左右。速度快、省材料、能輕松應對結構復雜的產品,3D打印技術固然有其獨到之處,但也并非全能,也有其局限性,如在大批量生產上,存在速度慢和成本昂貴等缺陷。d打印技術需要實現(xiàn)復雜零件制造的工藝與工藝的快速鑄造近日,我刊記者有幸采訪到了史玉升教授及其團隊成員。據(jù)史教授身邊的老師說,史教授幾乎把所有的精力都放在了研發(fā)工作中,每天總是早早地來到實驗室,經(jīng)常工作到晚上12點才離開。那份責任感、那份執(zhí)著,著實讓人敬佩有加。3D打印技術有別于傳統(tǒng)制造工藝,但兩者并不相排斥,史教授認為,只有更好地將現(xiàn)代與傳統(tǒng)相結合,才能更好地發(fā)展我國制造業(yè)。為此,史教授給我們舉了一個3D打印技術與鑄造技術的結合的例子。鑄造技術是零件成形的主要工藝方法。在航空、航天、軍工、汽車、機床等重點行業(yè),其核心部件一般均為金屬復雜結構零件,而且相當多的金屬零件是非對稱性的、有著不規(guī)則曲面或復雜內部結構。這些復雜零件制造的基本問題體現(xiàn)在零件的材質、結構難以用現(xiàn)有的加工手段制造,或可以加工實現(xiàn)但效率低、周期長、成本高。在傳統(tǒng)鑄造生產中,模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模的制造往往采用機加工的方法來完成,有時還需要鉗工進行修整,其周期長、耗資大,略有失誤就可能會導致全部返工。特別是對一些形狀復雜的鑄件,如葉片、葉輪、發(fā)動機缸體和缸蓋等,模具的制造更是一個難度非常大的過程,即使使用數(shù)控加工中心等昂貴的設備,在加工技術與工藝可行性方面仍存在很大困難。而3D打印技術可以制造蠟型、砂型、陶瓷型,與后續(xù)鑄造工藝結合,可實現(xiàn)復雜金屬零件的快速鑄造,極大地提高了生產效率和制造柔性。美國、日本等企業(yè)都高度重視該項應用。而像這樣的與傳統(tǒng)工藝結合、促進傳統(tǒng)工藝發(fā)展的例子枚不勝舉。d打印技術的未來發(fā)展趨勢我國生產的3D打印機功能已經(jīng)達到甚至在某些方面超過國際先進水平,兩者的差距主要體現(xiàn)在3D打印機的關鍵部件、材料的性能與品種,更大的差距體現(xiàn)在應用上。在國外,3D打印技術已經(jīng)在新產品開發(fā)、生物醫(yī)療、航空航天、文化創(chuàng)意等方面有較多應用,而我國還主要局限于新產品的開發(fā)等少數(shù)領域。史教授認為,3D打印技術將向著以下方向發(fā)展:一是日常消費品制造,二是工業(yè)功能零件制造,三是生物制造,四是材料制備與成形一體化。未來需解決的瓶頸問題包括:材料性能及多樣性,精度和效率,設備穩(wěn)定性,零件表面質量、微觀結構及宏觀性能,標準等。史教授說,既然開展了這一領域的研究,也有這么好的團隊,就得肩負起相應的重任。在將研究成果轉化為產品的路上,他曾經(jīng)說過:“要走自己的創(chuàng)業(yè)之路,走與企業(yè)合作之路,走國際合作之路?！笔方淌诤退膱F隊承擔的很多科研項目都是與企業(yè)合作的,謂之“產學研