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3d打印的增材制造技术

(一)增材制造技术是什么

增材制造是指将物体的形状制成计算机模型,然后把该模型分成不同的层次,层层叠加直到形成最终的物体。增材制造把三维的物体重新构想为一系列薄层堆叠,直到构成最终的物体。不管这个物体是茶杯还是住房,整个过程都是从底层开始,然后逐层增加,直到完成整个物体。

其实,没见过3D打印机前的幼儿园朋友就做过增材制造的实验。他们发现饼干和奶酪不仅可以当作零食,还可以用来搭建高塔和雄伟的建筑,只要把饼干和奶酪一层层叠加就行。这些可食用的结构展示了增材制造的潜力。每块饼干借助奶酪都能个性化使用,可以拼出我们的名字,绘制、设计甚至建造各种形状和小金字塔。最后形成的小吃是独一无二的,也是按照孩子所需定制的。

就像树的年轮能显示一棵树每年新增的层次一样,增材打印每次构建一层物体。通过这种方式我们可以创造小的塑料玩具、整辆汽车,并且很快就能建造整间房屋,甚至带有联锁装置的整架飞机。当今对传导材料的研究表明,电线很快也会成为增材制造过程的一部分,可以直接在物体内部打印出电线,而无需后期安装。

3d打印的增材制造技术是什么意思

(二)增材制造与传统制造的区别

我们知道传统制造业始于18世纪初的第一次工业革命,它将制造业从手工制造转变为使用水和蒸汽驱动机器的自动制造。

接着第二次工业革命爆发,对社会产生了更加深远的影响,因为自动化代替了人力或马力,蒸汽动力让大规模工业离开河流或水车,生成的流动性变得更强。

在未来可能被称为第三次工业革命的开端,增材制造的颠覆潜能是很明显的。传统的大规模制造过程是通过研磨、切削和浇铸原材料来制作产品,然后将这些材料运往全球,把材料加工成各个零部件,再把零部件组装成最终的产品。生产的数量如此之大,能让单位成本降低,然后用更低的生产成本将产品运至遥远的地方,大量的产品储存在庞大的仓库中,最后将产品运至大型商场和其他能够接触到消费者的分销商那里,整个过程的效率非常低。

因为考虑到成本因素,传统的制造业青睐生产那些更能吸引大众的产品,相对于产品定制和个性化,他们更喜欢“一种型号满足最多消费者”的产品设计。这就限制了灵活性,因为无法预测第二年推出的产品销量。整个过程更是要花费大量时间,而3D打印技术的出现,满足了人人可以创造个性化产品的需求。

虽然增材制造目前尚处于起步阶段,但3D打印市场已呈现出势如破竹的前景。据《国际增材制造行业发展报告》统计,2011年,3D打印在全球的直接产值已经达到17.14亿美元,比前一年增长了29.1%。这一增长趋势还将继续。

我国从上世纪90年代起开始研发增材制造技术,目前西安交通大学、华中科技大学、清华大学、北京隆源公司等高校、研究机构以及企业已经取得不俗的研究成果,研发出光固化、金属熔敷、陶瓷成形、激光烧结、金属烧结、生物制造等类型的增材制造装备和材料。将来,个性订制化的长尾效应将更加普遍。

(三)增材制造与削切加工的区别

因为增材制造能够直接生产完整的产品,甚至是带有联锁移动部件的物品,如车轮或链条中的轴承,因此3D打印的物品相对于传统制造来说很少需要修整和加工。传统方法使用减材制造工序,如打磨、加工、钻孔、折叠和抛光,这还只是制作产品的初级部件所需的工序。传统方法每一个加工步骤都要产生成本,甚至像钻孔、折叠金属薄片以及抛光、切削边角这些工序都是如此,这些都需要人力干预和管理生产线流程,也就增加了最终产品的成本。

没错,这意味着第三次工业革命后我们需要更少的削切加工技术,也意味着可以用更少的材料来快速生产产品。如果只在需要的位置放置材料,而不是从大块原材料上削切多余的材料直到形成最终的形状,成本会大大减少。

理想的情况下,增材制造过程允许从头重新构思3D打印产品,甚至可以使用复杂开放的内部空间,来减少原料的使用,降低产品重量,同时可以保证产品强度。增材制造的产品由必要的孔洞、腔、平面和外部壳体组成,因此省去了传统制造中的很多工序。

(四)增材制造与注射制模在生产工艺中的区别

传统的耐用物品,如汽车、飞机和摩天大楼的部件,是通过向模具倒入熔化的金属或在铸造厂通过特殊加工的胎具来生产的。制作塑料用品也采用了相同的工艺:熔化的塑料被加入到注射模具中来生产理想的最终产品。像玻璃这样的成型材料都安装在家家户户的窗户上,也使得用玻璃和钢筋建造的宏伟高楼耸立在世界各大城市。

然而传统的利用模具制造产品首先需要制造母模,母模要与产品尽可能相似,制造过程很复杂。当想要生产该产品的另一种型号时,又需要一个全新的模具,之后若有新产品出现只能一次次地制造新模具。这个过程很费时间。然而,3D打印可以迅速创建模具,这样制造商就能很快适应新的设计需求,跟上不断变化的潮流。当然,制造商也可以使用3D打印机直接制造产品,也可以随时快速修改设计,添加独特的产品功能。这就是直接数字制造工艺,目前被美国通用电器公司采用,每年生产24000件喷气发动机燃料组件。这种工艺的好处就是,如果某天在生产过程中发现设计有问题,可以在电脑上轻松修改,然后打印出替换的部分即可,而在传统的大规模制造过程中这种情况需要全部再加工。

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