3D打印的发展趋势

发表时间:2015/3/25 作者:卢秉恒 
关键字:3D打印 智能制造 4D打印 
在两年的时间里,人们看到了3D打印的发展脉落。据此,它又将向何处发展?及对今后的制造业乃至人们的生活还将产生什么样的影响?是今天的人们持续关注的。

  还是在2013年的时候,有人问笔者一个问题,说一名美国学者论述了3D打印会推动新一轮工业革命,问笔者对此有什么看法?老实讲,笔者当时这个思想还比较保守,就说这个事情还需求深入探讨,不宜马上做出定论。两年过去了,人们发现,有关3D打印的新闻不断传来,其相关案例也层出不究,引发了人们对它的持续关注。它对制造业乃至整个社会的贡献日益重要。所以,鉴于3D打印的影响越来越大,笔者认为它有可能真正推动第三次工业革命。

  在两年的时间里,人们看到了3D打印的发展脉落。据此,它又将向何处发展?及对今后的制造业乃至人们的生活还将产生什么样的影响?是今天的人们持续关注的。下面,谈谈笔者个人的一些粗浅看法。

  培育新的制造模式

  首先,3D打印将会走进千家万户,成为一种社会行为,并可能增育出一种新制造模式。

  随着打印成本和入门技术门槛的降低,3D打印现在已经出现普及的趋势,千家万户都将会拥有它、使用它。随着信息技术和打印技术的飞跃,不远的将来, 3D打印的自身特点会让它成为社会化的众创、众筹、众包的工具和平台。这时,就会出现一种笔者个人定义的“集散制造”模式。概括地说,集散制造就是把整个生产流程再造,让包括人们消费模式在内的供需环节发生深刻改变。

  现在,笔者在思考一个面向3D打印的再设计问题。所谓再设计,就把现在使用的各种产品、各种装备重新用3D打印思维模式来重新考虑一遍后,重新再设计,就会发现在很多产品成本大幅降低了,效能大大增加,整个制造业也将产生一个深刻的革命。一旦发生这种改变,就已经不再是制造业效益的问题,而是整个社会生活就会发生深层变化。

  大大拓展应用领域

  其次,3D打印材料由单一打印材料走向多材料的集成。这个是多材料的集成,就是指梯度功能材料。一个零件,现在可以把它外表用抗腐蚀耐磨的材料去做,而里面可以用韧性材料去做。这里面可能是空心的,或者是蜂窝的结构来保证它的钢度。而以前没有3D打印,用传统技术无法制造出这种零件了,所以设计师不可能把这个零件设计出来,现在借助3D打印,是可以设计并制造出这个零件。所以,以前人们无法想象的工业产品将会大量出现,而在积少成多后,这些产品再反哺制造母机或重大装备上,会令制造业发生重大改变。而另一方面,这些新3D打印技术生产出来的新产品,也会让社会面貌发生变化。

  (梯度功能材料——它是选用两种(或多种)性能不同的材料,通过连续地改变这两种(或多种)材料的组成和结构,使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化,形成梯度功能材料。)

  复次,3D打印的应用将从宏制造扩展到微纳制造中去。目前的微纳产品,主要上做微纳的传感器为主,它将有一个非常好的发展前景。现在做传感器采用微电子的微工艺,微电子的微工艺就是要先制造一个模具,然后上流片,那么一个生产线都是投资几十亿甚至上百亿美元。如果定制化的传感器只有千百个需求的话,巨大的前期投入让这种小批量生产变得不可能。而这时,恰恰是3D打印发挥重要作用的场合。

  (微纳制造:是一种从到微米级(千分之一毫米)到纳米级(千分之一微米)的制造方式。)

  最近,美国西安大略大学的研究人员开发出了一种可植入的装置,用以检查患者的心脏状态。这种装置也是用3D打印技术制造出来的。它是无线的可植入系统,集成了血压传感器、完全可植入心血管压力监视器(包括支架),其体积只有2.475立方厘米,重量刚刚超过4克。Fricke的传感器是如此之小,它们可以被放置在最小的实验室小鼠的左心室内都没有问题。)

  再次,3D打印将从控型制造走向控形控性制造,例如对金属零件的打印,它不仅是零件的形状打印出来,还可以控制里面复杂的结构,其精度非常高。而且强度也比较好,接近或超过锻件的强度水平。将来,用它打印飞机发动机上的叶片,它会形成一个柱状晶,柱状晶按照设计人员预先的设计向上堆积,最后成形,综合方面要比锻造要好得多。

  完成自身的进化

  最后,未来的3D打印还会向4D打印(智能材料)和5D打印(生物活性材料)进化。

  4D打印就是说用智能材料来进行打印。打印时,材料形状可能是个平面,但打印好以后,在温度、磁场等环境作用发生变形了。它的好处是一来简化了3D打印的工艺,二来可能可以把打印出来部件轻松地装配至设备中去。

  4D打印发展进程的前面在有5D打印。5D打印采用的是一种有机物的材料,具有生物活性。这种材料被打印好之后,可以随时间变化而变化,可以用来打印细胞。目前,5D打印骨骼试验已在动物身上取得成功。如果这种技术成熟后推广开来,其对社会面貌的影响远比智能制造、3D打钱、4D打印要大得多。

  由于技术的不断演化与进化,未来的3D打印的角色定位将会发生重大变化,它将由制造中的补充设备发展成为智能制造中的骨干设备。它会让使制造流程得到再造,让专业人员用3D打印的观念重新审视制造领域的既有存在。可能它制造零件的数量不如这个模具制造和器具加工,但是它所产生的价值可能是远远后两者,所以,它的应用前景一片光明。