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3d打印的增材制造技術

(一)增材制造技術是什么

增材制造是指將物體的形狀制成計算機模型,然后把該模型分成不同的層次,層層疊加直到形成最終的物體。增材制造把三維的物體重新構想為一系列薄層堆疊,直到構成最終的物體。不管這個物體是茶杯還是住房,整個過程都是從底層開始,然后逐層增加,直到完成整個物體。

其實,沒見過3D打印機前的幼兒園朋友就做過增材制造的實驗。他們發現餅干和奶酪不僅可以當作零食,還可以用來搭建高塔和雄偉的建筑,只要把餅干和奶酪一層層疊加就行。這些可食用的結構展示了增材制造的潛力。每塊餅干借助奶酪都能個性化使用,可以拼出我們的名字,繪制、設計甚至建造各種形狀和小金字塔。最后形成的小吃是獨一無二的,也是按照孩子所需定制的。

就像樹的年輪能顯示一棵樹每年新增的層次一樣,增材打印每次構建一層物體。通過這種方式我們可以創造小的塑料玩具、整輛汽車,并且很快就能建造整間房屋,甚至帶有聯鎖裝置的整架飛機。當今對傳導材料的研究表明,電線很快也會成為增材制造過程的一部分,可以直接在物體內部打印出電線,而無需后期安裝。

3d打印的增材制造技術是什么意思

(二)增材制造與傳統制造的區別

我們知道傳統制造業始于18世紀初的第一次工業革命,它將制造業從手工制造轉變為使用水和蒸汽驅動機器的自動制造。

接著第二次工業革命爆發,對社會產生了更加深遠的影響,因為自動化代替了人力或馬力,蒸汽動力讓大規模工業離開河流或水車,生成的流動性變得更強。

在未來可能被稱為第三次工業革命的開端,增材制造的顛覆潛能是很明顯的。傳統的大規模制造過程是通過研磨、切削和澆鑄原材料來制作產品,然后將這些材料運往全球,把材料加工成各個零部件,再把零部件組裝成最終的產品。生產的數量如此之大,能讓單位成本降低,然后用更低的生產成本將產品運至遙遠的地方,大量的產品儲存在龐大的倉庫中,最后將產品運至大型商場和其他能夠接觸到消費者的分銷商那里,整個過程的效率非常低。

因為考慮到成本因素,傳統的制造業青睞生產那些更能吸引大眾的產品,相對于產品定制和個性化,他們更喜歡“一種型號滿足最多消費者”的產品設計。這就限制了靈活性,因為無法預測第二年推出的產品銷量。整個過程更是要花費大量時間,而3D打印技術的出現,滿足了人人可以創造個性化產品的需求。

雖然增材制造目前尚處于起步階段,但3D打印市場已呈現出勢如破竹的前景。據《國際增材制造行業發展報告》統計,2011年,3D打印在全球的直接產值已經達到17.14億美元,比前一年增長了29.1%。這一增長趨勢還將繼續。

我國從上世紀90年代起開始研發增材制造技術,目前西安交通大學、華中科技大學、清華大學、北京隆源公司等高校、研究機構以及企業已經取得不俗的研究成果,研發出光固化、金屬熔敷、陶瓷成形、激光燒結、金屬燒結、生物制造等類型的增材制造裝備和材料。將來,個性訂制化的長尾效應將更加普遍。

(三)增材制造與削切加工的區別

因為增材制造能夠直接生產完整的產品,甚至是帶有聯鎖移動部件的物品,如車輪或鏈條中的軸承,因此3D打印的物品相對于傳統制造來說很少需要修整和加工。傳統方法使用減材制造工序,如打磨、加工、鉆孔、折疊和拋光,這還只是制作產品的初級部件所需的工序。傳統方法每一個加工步驟都要產生成本,甚至像鉆孔、折疊金屬薄片以及拋光、切削邊角這些工序都是如此,這些都需要人力干預和管理生產線流程,也就增加了最終產品的成本。

沒錯,這意味著第三次工業革命后我們需要更少的削切加工技術,也意味著可以用更少的材料來快速生產產品。如果只在需要的位置放置材料,而不是從大塊原材料上削切多余的材料直到形成最終的形狀,成本會大大減少。

理想的情況下,增材制造過程允許從頭重新構思3D打印產品,甚至可以使用復雜開放的內部空間,來減少原料的使用,降低產品重量,同時可以保證產品強度。增材制造的產品由必要的孔洞、腔、平面和外部殼體組成,因此省去了傳統制造中的很多工序。

(四)增材制造與注射制模在生產工藝中的區別

傳統的耐用物品,如汽車、飛機和摩天大樓的部件,是通過向模具倒入熔化的金屬或在鑄造廠通過特殊加工的胎具來生產的。制作塑料用品也采用了相同的工藝:熔化的塑料被加入到注射模具中來生產理想的最終產品。像玻璃這樣的成型材料都安裝在家家戶戶的窗戶上,也使得用玻璃和鋼筋建造的宏偉高樓聳立在世界各大城市。

然而傳統的利用模具制造產品首先需要制造母模,母模要與產品盡可能相似,制造過程很復雜。當想要生產該產品的另一種型號時,又需要一個全新的模具,之后若有新產品出現只能一次次地制造新模具。這個過程很費時間。然而,3D打印可以迅速創建模具,這樣制造商就能很快適應新的設計需求,跟上不斷變化的潮流。當然,制造商也可以使用3D打印機直接制造產品,也可以隨時快速修改設計,添加獨特的產品功能。這就是直接數字制造工藝,目前被美國通用電器公司采用,每年生產24000件噴氣發動機燃料組件。這種工藝的好處就是,如果某天在生產過程中發現設計有問題,可以在電腦上輕松修改,然后打印出替換的部分即可,而在傳統的大規模制造過程中這種情況需要全部再加工。

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