3D打印行业有哪些隐藏的价值待于开发

国际金属加工网 2021年07月15日

3D打印技术也叫增材制造技术,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,现正逐渐用于一些产品的直接制造,已经有企业开始使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、汽车航空航天牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。

3D打印的材料主要分成九大类:

第一类:光敏树脂材料,主要包括丙烯酸树脂、环氧树脂及聚酯树脂等的光固化树脂材料。这类材料能够在紫外光的照射下发生聚合反应而固化,一般呈现液体状态。可用来制造航天航空用叶片、齿轮等结构零件。

第二类:工程塑料材料,主要包括ABS材料、聚碳酸酯材料和聚酰胺材料。ABS材料兼具“坚韧、质硬、刚性”等特点,因此在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业及化工中获得了广泛的应用。聚碳酸酯材料具有良好的抗冲击、抗热畸变性能,耐火性好、硬度高,因此适用于生产轿车和轻型卡车的各种零部件,主要集中在照明系统、仪表板、加热板、除霜器及保险杠等方面。聚酰胺材料又称尼龙材料,具有强韧、耐磨、自润滑、适用的温度范围广等特点,主要代替铜和其他有色金属来制造机械、化工、电器零件,如柴油发动机燃油泵齿轮、水泵、高压密封圈、输油管等。

第三类:金属材料,主要包括钛合金材料、不锈钢材料、铝合金材料、其他贵金属材料等。钛合金材料强度高、耐热性高。相比其他金属,钛合金还具有抗蚀性好、低温性能好、化学活性大等优点,因此被广泛应用于制作飞机发动机压气机部件,火箭、导弹和高速飞机的结构件等领域。不锈钢材料具有易焊接性、耐腐蚀性、强抛光性及耐热性等优点,被广泛应用于建筑领域、食品加工、餐饮、酿造、化工和医疗器械领域。铝合金材料具有密度小、熔点低、可塑性强等特点。铝合金是目前应用最多的合金,被广泛应用于航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中。其他贵金属材料如黄金材料,具有导电性好、导热性好、稳定性高等特点,主要应用于电子、化学工业、航空航天等对材料有特殊性要求的领域。

第四类:陶瓷材料,主要包括粘土、高岭土等天然硅酸盐材料和高纯度人工合成材料如氧化物陶瓷材料、氮化物陶瓷材料、碳化物陶瓷材料等。由于陶瓷材料大多熔点很高甚至无熔点,难以利用外部能量进行直接成形,大多需要在成形后进行再处理(烘干、烧结等)才能获得最终的制品,这便限制了陶瓷材料在3D打印行业的推广。然而陶瓷材料具有硬度高、耐高温、物理化学性质稳定等聚合物和金属材料不具备的优点,因此在航天航空、电子、汽车、能源、生物医疗等行业有广泛的应用前景。

第五类:生物材料,主要包括生物医用金属材料、生物医用高分子材料、生物医用陶瓷材料和生物衍生材料。其中生物衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材料,也称为生物再生材料。生物材料在3D打印中的应用可以分为两个领域,第一类是根据生物材料可降解、熔点低、具有生物特性、环保等特点而将之应用于食品加工、食品包装等领域;第二类根据生物材料的可再生性、组织相容性和诱导性、力学顺应性及降解顺应性而被广泛应用于医学领域,生物材料在医学领域的应用可以分为假体的制造,细胞三维间接组装制造和细胞三维的直接制造三个层次。

第六类:橡胶材料,橡胶类材料具备多种弹性材料特征,如肖氏A级硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度,使其非常适合应用在要求防滑或柔软表面的领域,如消费类电子产品、医疗设备和汽车内饰等。

第七类:砂石材料,主要为石英砂。在3D打印中,根据它的传统功能和特性,砂石材料主要应用在建筑当中,制造一些建筑材料或构造。低成本、高效率以及环保是砂石材料在3D打印建筑领域的优点。

第八类:石墨烯材料,是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯材料具有优异的光学、电学、力学特性,可用于替代各种传统材料,被认为是一种未来革命性的材料。随着石墨烯制备水平的发展和石墨烯应用技术水平的发展,石墨烯材料能够应用在更多的下游产品和领域中。根据中国科学院预计,到2024年前后,石墨烯器件有望替代互补金属氧化物半导体器件,在纳米电子器件,光电化学电池、超轻型飞机材料等研究领域得到应用。

第九类:纤维素材料,是一种由葡萄糖组成的大分子多糖,不溶于水及一般有机溶剂。纤维素是植物细胞壁的主要成分,是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖,占植物界碳含量的50%以上。研究人员一直致力于开发使用纤维素进行3D打印的方法,目前已有了一些突破。纤维素材料还存在一些不足,比如其成本高、扩展性差以及和塑料结合会产生污染物等。

3D打印技术主要分为桌面级和工业级两种。桌面级3D打印机是3D打印技术的初级阶段,能够很直观地阐述3D打印技术的工艺原理。由于桌面级3D打印机价格相对便宜、携带方便、易于操作等,因而其应用主要集中于家庭、办公等场所。工业级3D打印机主要分为快速原型制造机和直接产品制造机两种。工业级3D打印机在批量生产模具、金属零部件等方面,能更好的满足高精度、短时间的制作要求。工业级3D打印机借助计算机控制激光或电子束,可以打印出传统机械加工无法完成的复杂精密结构,并且免去了不必要的制造工序,实现对材料的充分利用。

3D打印技术的出现降低了产品制造的复杂程度,扩大了生产制造的范围,缩短生产制造的时间,提高了生产效率,提高原材料的利用率,提高产品规格的精确度。同时,3D打印技术满足了客户个性化定制的需求,可以开发出更加丰富多样的产品。

我国3D打印行业当前也存在着一些不足。由于技术水平和装备等级的局限性,我国的3D打印企业目前仅能进行少批量、小尺寸的零部件加工制造,难以代替大规模、大批量的加工制造。另一方面,一直困扰我国的3D打印材料短缺的问题还没有解决,主要的材料来源仍然依赖从美国进口,使我国数量本就不多的3D打印企业又要面临高昂的成本压力,限制了我国3D打印行业的规模和应用范围。

3D打印行业是十分具有前景的行业。随着世界人口的不断增加,对住房的需求量会持续增加,这势必将导致未来房屋建造高度的提升。房屋建造高度的提升将大大提高对建造技术、人工和材料标准的要求;同时,建造的风险也会呈指数式增加。成熟的3D打印房屋技术可以规避人工建造高楼的风险,降低建造高楼的难度,提高建造高楼的效率。另一方面,随着人类对宇宙的不断探索以及科技的不断进步,使未来在其他星球建立基地或移民的计划成为可能。成熟的3D打印技术可被应用在未来的“星际殖民”活动中,来满足宇航员在星际中的制造需求,还能降低星际间相关活动的筹备难度。

3D打印技术的应用当然不会只局限于现在被大家所熟知的这些。未来此行业所隐藏的价值,还有待于开发。

(控制工程网)

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