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极光尔沃:中国3D打印技术的迅猛发展

创建时间:2020-12-04  阅读数:
       2020年11月29日上午,卢秉恒院士在长沙网络安全.制造大会上发表讲话:现在金属打印越来越成为3D打印研究和应用的热点。现在发展出来的技术主要有这么几种:有的是粉末材料的,有的是丝材做材料的。粉末做材料的有两种:一种是铺粉的,一种是喷粉的。铺粉是一层一层的铺设,在表面进行熔化。喷粉是在粉末喷出的过程中被激光熔化。丝材用激光电子束或者离子束熔化。这几种各有各的优势,也有不它的不足。
       


       像粉末选区熔化的特点是制造的零件精确、复杂。但是由于装备的能力限制,一般集中在小件,因为它制造效率比较低。激光熔覆的粉末得到更充分的熔化,所以它的强度要高一些,而熔丝更适合大件的制造。


       金属增材制造可以用各种金属,包括模具钢、高速钢、不锈钢、高温合金、钛合金、铝合金、镁合金、铜合金、钨合金都可以通过3D打印来铸造。我们可以看到一台设备可以制造多种的材料。

       我们实验了几种材料用增材制造来做,能够到达的强度、韧性、延展率有些部分超过了锻件,远远优于铸件。3D打印有非常广阔的用处。当然有时候在制造中形成一种结构的异性。垂直分层和平行分层的方向,它的力学性能有一些区别。

       金属增材制造的问题在哪里呢?怎样能够更加高效、低成本、高精度地制造?当然有各方面的问题:一是驱动的能源,是激光器还是电子束、离子束,需要核心的器件,例如送粉器等等。能源电子束、激光,能够更长的寿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,包括我们的金属加工,你加工大件和加工小件,达到的精度是不一样的。增材制造同样存在这样的问题。大件做得高精准非常的难,而且成本也非常高。最突出的问题是质量控制,容易产生哪些问题呢?除了一般制造中的精度、表面粗糙之外,还有它的缺陷,粉末打印为一个三维的物体时,可能会夹杂一些气体、杂物氧化这些问题,会影响材料的性能,怎样去避免缺陷的产生很重要。

       除此之外,在非金属材料和其他材料也产生了一些高效的技术,这几年有高度的发展。像以前传统的光固化技术,现在效率提高了几十倍乃至100倍。后来发展成连续拉伸的,两个数量级的提高。材料也在扩展,非金属材料、金属材料、陶瓷材料、合金的、多材料,做成一个零件,可以形成功能梯度结构的零件。包括微纳的3D打印,可以制造电路、芯片。

       一些应用型的复合材料用于战车的装甲,也可以做成仿生,像贝壳那种结构,借鉴仿生的原理,可以制造高强度的战车装甲。也可以把金属和陶瓷复合在一块,既有高耐磨性也有比较好的韧性。

       航空航天、轨道交通越来越多用到纤维复合材料,碳纤维复合材料,主要是轻量化、高强度。金属材料容易产生裂纹,裂纹在一定的条件下很快扩展,就使我们整个构建失效,而复合材料就没有这个问题。我们应用的金属复合材料做了一个小型打印机,发射在太空,在太空进行了工作,工作了几天后返回到地面,这是国际的首创。

       同时,纤维复合材料可以形成短纤维和塑料一起用注射的方法形成各种各样的零件,尤其是汽车的零件,可以做到高强度、轻量化。
这是微纳的打印,精度可以达到100纳米,有很多芯片可以直接打印。

       3D打印现在扩展到4D打印,4D打印是智能的材料,打印时和后来在一定的条件下,它的形状可以是不一样的。例如打印时它的温度是一定的,打印过后是另外一种温度,在人体的治疗中可以发挥一定的作用,打的形状适合通过微创手术植入人体,到人体心脏以后发生变化,可以形成血管支架。因为它随着时间会发生形状的变化,所以叫4D打印。

       用于生物制造又称5G打印,再创人体的器官,可以看到一些消息,人工肺、人工心脏、皮肤、神经都在进行探索中。因为这种材料打印后,可以在人体内生化环境下长成自己的细胞,形成自己的器官,能够进行有效工作,称为5D打印。最后就可以非常理想地形成人体器官的再创,这样组织修复的时候,不再是一个没有生命的材料,而是最后长成一个器官,这里面有非常多的问题需要研究。例如怎样使里面毛细血管长出来和人体的循环系统能够连通,还有神经怎样受到中枢神经的指挥,来接受正确的行为命令。


       把3D打印发展到太空中去,人类有很多的太空之梦,我们地球也是有一定的寿命,怎样去其他的星球上。就必须在太空中实现制造。对于制造来说,等材制造、切割加工需要很多工艺的流程和大量的设备。但一台3D打印机器就可以完成全部的制造,对太空制造来说,3D打印是非常理想的手段。我们又在进行探索,在太空中可能有非常复杂的挑战,一些极端的条件。同时,它又很多优越的地方,在太空中制造没有地球中的空气,不要担心氧化,我们很多的3D打印需要在真空下,那里就不需要担心,自然是真空的。在太空中太阳能是非常好的,没有空气的衰减,它的密度是地球的5倍。可以得到取之不尽,用之不竭的能源。而且据说月球还有可以做核动力的燃料,可以进行再利用。月亮呈沙粒状的分布,和地球上的很多材料差不多。可以利用足够的太阳能、核能在月球上冶炼金属、制造其他的材料,来完成制造。如果从月球出发去到太空中探索,代价远比在地球上便宜得多,可能要降低两个数量级。月球上发射没有空气的阻力,而且月亮的引力比地球小得多,很容易进入太空的轨道。