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極光爾沃:中國3D打印技術的迅猛發展

創建時間:2020-12-04  閱讀數:
       2020年11月29日上午,盧秉恒院士在長沙網絡安全.制造大會上發表講話:現在金屬打印越來越成為3D打印研究和應用的熱點。現在發展出來的技術主要有這么幾種:有的是粉末材料的,有的是絲材做材料的。粉末做材料的有兩種:一種是鋪粉的,一種是噴粉的。鋪粉是一層一層的鋪設,在表面進行熔化。噴粉是在粉末噴出的過程中被激光熔化。絲材用激光電子束或者離子束熔化。這幾種各有各的優勢,也有不它的不足。
       


       像粉末選區熔化的特點是制造的零件精確、復雜。但是由于裝備的能力限制,一般集中在小件,因為它制造效率比較低。激光熔覆的粉末得到更充分的熔化,所以它的強度要高一些,而熔絲更適合大件的制造。


       金屬增材制造可以用各種金屬,包括模具鋼、高速鋼、不銹鋼、高溫合金、鈦合金、鋁合金、鎂合金、銅合金、鎢合金都可以通過3D打印來鑄造。我們可以看到一臺設備可以制造多種的材料。

       我們實驗了幾種材料用增材制造來做,能夠到達的強度、韌性、延展率有些部分超過了鍛件,遠遠優于鑄件。3D打印有非常廣闊的用處。當然有時候在制造中形成一種結構的異性。垂直分層和平行分層的方向,它的力學性能有一些區別。

       金屬增材制造的問題在哪里呢?怎樣能夠更加高效、低成本、高精度地制造?當然有各方面的問題:一是驅動的能源,是激光器還是電子束、離子束,需要核心的器件,例如送粉器等等。能源電子束、激光,能夠更長的壽命和更大的功率和聚焦性更好,使精度更提高。在精度和尺寸方面是存在一定的矛盾,包括我們的金屬加工,你加工大件和加工小件,達到的精度是不一樣的。增材制造同樣存在這樣的問題。大件做得高精準非常的難,而且成本也非常高。最突出的問題是質量控制,容易產生哪些問題呢?除了一般制造中的精度、表面粗糙之外,還有它的缺陷,粉末打印為一個三維的物體時,可能會夾雜一些氣體、雜物氧化這些問題,會影響材料的性能,怎樣去避免缺陷的產生很重要。

       除此之外,在非金屬材料和其他材料也產生了一些高效的技術,這幾年有高度的發展。像以前傳統的光固化技術,現在效率提高了幾十倍乃至100倍。后來發展成連續拉伸的,兩個數量級的提高。材料也在擴展,非金屬材料、金屬材料、陶瓷材料、合金的、多材料,做成一個零件,可以形成功能梯度結構的零件。包括微納的3D打印,可以制造電路、芯片。

       一些應用型的復合材料用于戰車的裝甲,也可以做成仿生,像貝殼那種結構,借鑒仿生的原理,可以制造高強度的戰車裝甲。也可以把金屬和陶瓷復合在一塊,既有高耐磨性也有比較好的韌性。

       航空航天、軌道交通越來越多用到纖維復合材料,碳纖維復合材料,主要是輕量化、高強度。金屬材料容易產生裂紋,裂紋在一定的條件下很快擴展,就使我們整個構建失效,而復合材料就沒有這個問題。我們應用的金屬復合材料做了一個小型打印機,發射在太空,在太空進行了工作,工作了幾天后返回到地面,這是國際的首創。

       同時,纖維復合材料可以形成短纖維和塑料一起用注射的方法形成各種各樣的零件,尤其是汽車的零件,可以做到高強度、輕量化。
這是微納的打印,精度可以達到100納米,有很多芯片可以直接打印。

       3D打印現在擴展到4D打印,4D打印是智能的材料,打印時和后來在一定的條件下,它的形狀可以是不一樣的。例如打印時它的溫度是一定的,打印過后是另外一種溫度,在人體的治療中可以發揮一定的作用,打的形狀適合通過微創手術植入人體,到人體心臟以后發生變化,可以形成血管支架。因為它隨著時間會發生形狀的變化,所以叫4D打印。

       用于生物制造又稱5G打印,再創人體的器官,可以看到一些消息,人工肺、人工心臟、皮膚、神經都在進行探索中。因為這種材料打印后,可以在人體內生化環境下長成自己的細胞,形成自己的器官,能夠進行有效工作,稱為5D打印。最后就可以非常理想地形成人體器官的再創,這樣組織修復的時候,不再是一個沒有生命的材料,而是最后長成一個器官,這里面有非常多的問題需要研究。例如怎樣使里面毛細血管長出來和人體的循環系統能夠連通,還有神經怎樣受到中樞神經的指揮,來接受正確的行為命令。


       把3D打印發展到太空中去,人類有很多的太空之夢,我們地球也是有一定的壽命,怎樣去其他的星球上。就必須在太空中實現制造。對于制造來說,等材制造、切割加工需要很多工藝的流程和大量的設備。但一臺3D打印機器就可以完成全部的制造,對太空制造來說,3D打印是非常理想的手段。我們又在進行探索,在太空中可能有非常復雜的挑戰,一些極端的條件。同時,它又很多優越的地方,在太空中制造沒有地球中的空氣,不要擔心氧化,我們很多的3D打印需要在真空下,那里就不需要擔心,自然是真空的。在太空中太陽能是非常好的,沒有空氣的衰減,它的密度是地球的5倍。可以得到取之不盡,用之不竭的能源。而且據說月球還有可以做核動力的燃料,可以進行再利用。月亮呈沙粒狀的分布,和地球上的很多材料差不多。可以利用足夠的太陽能、核能在月球上冶煉金屬、制造其他的材料,來完成制造。如果從月球出發去到太空中探索,代價遠比在地球上便宜得多,可能要降低兩個數量級。月球上發射沒有空氣的阻力,而且月亮的引力比地球小得多,很容易進入太空的軌道。