增材制造工程

增材制造工程

增材制造(AM)又称3D打印技术,是指利用计算机三维设计模型,利用软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式,将金属粉末、塑料、细胞组织等材料逐层叠加,制造固体产品的技术。近年来,增材制造技术发展迅速,在全球制造业中得到广泛应用。本文旨在通过列举事实和数据展示增材制造目前的发展现状,分析新技术给制造业带来的挑战,阐述未来的发展趋势。

一、增材制造技术的发展现状

增材制造技术应用范围广泛,已在航空空航天、生物医疗和国防军工等领域得到应用,并逐步扩展到更多领域。通过增材制造技术,越来越多的领域对产品进行了改进和创新,实现了降本增效。

(1)航空空航天领域

航空空航空航天工业对产品性能要求高,减重重,成本不敏感,有些零件非常适合增材制造技术,这是近年来应用最广泛的领域。美国国家航空空航天局(NASA)对增材制造技术在航空航天领域的应用进行了整体布局,探索了几乎所有的金属3D打印工艺。2021年5月,美国宇航局工程师利用增材制造技术制造出首个全尺寸铜合金火箭发动机零件。2022年10月,GE iation 空集团利用金属3D打印工艺将150多个零件合并成一个直径1米的高温合金零件。2023年3月,世界首个全3D打印火箭——相对论空间Terran1成功飞越Max-Q阶段,达到预定关键目标,是增材制造技术大规模应用的重要里程碑。

㈡生物医学领域

增材产品可根据需要定制,制造周期短,非常适合骨科、种植牙等生物医学领域。同时,增材制造技术也推动了生物领域的科研创新。2022年2月,荷兰乌得勒支大学的研究人员使用超快速体积3D生物打印技术创造了一个功能性肝脏。哈佛医学院和四川大学合作,利用低温生物3D打印技术制造出活体人类肌腱。2022年6月,美国3DBio Therapeutics公司利用3D细胞打印的活体组织植入物,为一名右耳小耳症患者重建了外耳。2022年8月,印度首个3D打印角膜成功通过动物试验。2022年12月,法国医疗机构利用3D生物打印技术为鼻癌患者完成了鼻子再造手术。2023年3月,麻省理工学院的研究人员开发了一种心脏复制品的3d打印方法,以提高心脏瓣膜置换手术的成功率。

(3)国防和军事工业领域

增材制造技术可以满足军工产品对制造速度、制造成本和产品重量的更高要求,被国防部门广泛采用。2023年2月,美国海军战略潜艇项目执行办公室(PEOSN)执行主任马特·宝训表示,军用造船的未来取决于金属增材制造,美国海军将继续加大增材制造技术的部署。2022年7月,美国海军在“黄蜂级”两栖攻击舰2号舰上安装了液态金属的施乐3D打印机,这是美国海军舰艇上部署的第一台金属增材制造设备。2022年7月,英国皇家陆军空利用增材制造技术打造无人机舰队。舰队可以快速部署,携带弹药,摧毁战略目标。2023年2月,美国海军授权IperionX回收和再制造钛合金粉末,用于3D打印舰船的泵部件。2023年3月,澳大利亚制造商Nupress公司与SPEE3D公司签署合作协议,将为澳大利亚AAI公司的水陆两栖飞机项目提供定制的3D打印模型和部件。

第二,增材制造技术的发展影响深远

增材制造技术将改变传统的制造模式和供应链结构。传统制造模式依靠大批量生产实现经济效益,增材制造技术支持小批量生产,使定制生产成为可能。使用增材制造技术,制造商不仅可以更灵活地响应客户的需求,还可以更快地推出新产品,提高生产效率,这将对产品的设计、生产和分销产生深远的影响。

(A)增材制造将改变产品的设计方式。

传统制造方式的产品设计受限于模具和工具,而增材制造技术的数字化设计流程可以根据个性化需求进行全方位定制。例如,在医疗领域,利用增材制造技术,医疗器械制造商可以生产矫形植入物、脊柱侧凸矫正器、助听器等。根据患者特点定制,大大提高了患者的适应能力和术后愈合速度。

(二)增材制造将改变产品的生产方式。

增材制造可以生产更小规模的产品,是原型制造和小批量生产的理想选择。这样既能解决小批量定制成本高的问题,又能缩短制造时间,为小微企业和创业公司提供了新的机遇。例如,美国珍珠等许多珠宝公司已经将增材制造技术应用到传统的黄金珠宝生产中。借助增材制造技术,一件根据消费者个性化需求定制的首饰可以在一周内设计、制造、交付,极大地改变了珠宝产品的生产和销售方式。

(三)增材制造将改变供应链结构

由于增材制造技术可以在偏远地区或传统制造方式不便的地区生产产品,对于解决偏远地区产能不足、设备零部件供应不及时等问题具有重要意义。例如,通用电气公司采用增材制造技术生产用于石油和天然气钻井平台的燃气涡轮发动机的替代部件。此外,英国谢菲尔德大学的研究人员开发了一种3D打印无线电天线的方法,可以为偏远地区的人们提供更强的手机信号和更快的互联网连接。增材制造技术的普及将带来更分散的供应链,可以生产更贴近用户的产品,减少对运输和物流的需求。

三、增材制造技术的发展趋势

根据技术发展的Gartner曲线,一项新技术的生命周期会经历诞生、过热、低谷,最终被人们接受。增材制造技术出现很多年了,随着时代的发展有了新的突破。具有R&D和制造周期短、材料利用率高、节省劳动力、可建设生产线等优势,近年来越来越受到重视,目前正处于快速发展阶段。预测未来增材制造技术的发展方向将是多元化、大型化和智能化。

多样化。目前,增材制造技术已经可以使用金属、塑料、生物材料等多种材料进行打印,并可以实现不同材料的混合。未来增材制造技术将进一步提高材料的选择性和组合性,实现多功能打印效果。

规模。目前增材制造技术已经实现了一些大尺寸物体的打印,包括建筑物、飞机的大部件等。未来,增材制造技术将在提高打印速度和精度的同时,进一步扩大生产规模,实现大尺寸、集成化制造。

聪明。目前,人工智能(AI)技术已用于增材制造领域,以筛选组件,生成复杂的设计和监控质量控制。随着以ChatGPT为代表的新一代AI技术的突破,AI与增材制造的深度融合将进一步提高增材制造的效率和质量。

作者简介

董荣itei研究室5

研究方向:先进制造技术跟踪及产业与政策研究。

联系人:dongr@163.com。

编辑郑石

研究所简介

国际技术经济研究所(IITE)成立于1985年11月。它是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构。其主要职能是研究我国经济、科技和社会发展中的重大政策性、战略性和前瞻性问题,跟踪分析世界科技和经济发展趋势,为政府和有关部委提供决策咨询服务。“全球科技地图”是国际技术经济研究所的官方微信账号,致力于向公众传递前沿的技术信息和科技创新洞察。

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