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增材制造,重塑制造业的未来

来源:光明日报

  发布:rongpuiwing

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2018-07-14

导读:增材制造实现了制造方式从等材、减材到增材的重大转变,改变了传统制造的理念和模式,将对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生深刻影响,被认为是制造业领域代表性的颠覆性技术。

   增材制造,人们最常见的,是3D打印,它是以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术。增材制造可节约制造材料和加工时间,制作形态千奇百怪的物品,实现制造的个性化和定制化,并有助于推动新材料、智能制造等领域的快速发展。增材制造近年研究较多的材料是陶瓷和金属,可打印的金属材料范围不断拓宽,石墨烯、复合材料等也获得高度重视。增材制造技术的重点发展方向是混合材料打印、提高打印速度、实现大尺寸制造等。增材制造的应用日益广泛,汽车制造、先进电池制备、航空航天零部件制造、人体生物仿生组织制备等都是发展热点。

 在3D打印的基础上,科学家又提出了4D打印的概念,即3D打印出来的结构能够在外界激励下发生形状或者结构的改变,让物体自动组装构型,从而实现产品设计、制造和装配的一体化融合,未来在生活、艺术、航空航天、医疗、军事等领域有巨大的应用潜力。

 增材制造正在从专业化走向社会化,从产品开发的工具转变为批量生产制造的手段,正处于技术发展的井喷期、产业发展的起步期,在医疗、文化教育、汽车、航空航天、能源与军事领域取得了众多亮点的研发及应用进展。例如,美国科学家以生物凝胶为材料,利用3D打印制成的人工卵巢能够使老鼠受孕并产下健康的后代;英国科学家以供体干细胞、藻酸盐和胶原蛋白为原料,创造出一种特制的“生物墨水”,并首次采用3D打印技术打印出人眼角膜。中国大飞机C919中采用增材制造技术,生产了目前国内飞机尺寸最大、结构最为复杂的钛合金主承力关键构件以及长达3米的中央翼缘条。中国科学院空间应用工程与技术中心组织的空间增材制造技术抛物线飞机飞行试验对五种材料和两种制造工艺进行了微重力环境下的验证与探索,取得了成功。

  为抢占增材制造技术及产业发展先机,多个国家和地区将其列为重点发展方向,制定了相关规划及扶持政策。2012年,美国国家科技委员会发布《国家先进制造战略计划》,提出要加强增材制造等平台技术,强化美国工业基础。同年,美国启动“国家制造业创新网络”(现更名为“制造业-美国”),其中首家成立的研究所“美国制造”(America Makes)即重点开展增材制造。欧盟早在第一研发框架计划时期就开始资助增材制造技术,在地平线2020计划中,增材制造属于关键使能技术之一,并重点通过“未来工厂”项目实施。2016年,“创新英国”组织发布《英国增材制造研究和创新概况》报告显示,2012年9月至2022年9月,英国将在增材制造研发上投入约1.15亿英镑,重点关注使能技术、航空航天、医疗、材料、教育、汽车、能源、电子和国防等领域,金属是重点研发对象。日本政府2014年部署以三维成型技术为核心的制造计划,开展新一代工业3D打印机技术和超精密三维成型系统技术开发。

  我国高度重视增材制造产业,2015年,工信部、国家发改委、财政部联合印发《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》,提出要着力突破增材制造专用材料、加快提升增材制造工艺技术水平、加速发展增材制造装备及核心器件、建立和完善产业标准体系、大力推进应用示范。2017年,工信部等十二部门联合印发《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》,提出聚焦重点制造(航空、航天、船舶、核工业、汽车、电力装备、轨道交通装备、家电、模具、铸造等)、医疗、文化、教育等四大重点领域,实施五大重点任务,采取六项保障措施,实现五大发展目标。

  经过多年发展,我国在高性能复杂大型金属承力构件增材制造等部分技术领域已达到国际先进水平,成功研制出多种关键工艺装备,相关技术及产品已经在航空航天、汽车、生物医疗、文化创意等领域得到了初步应用,涌现出一批具备一定竞争力的骨干企业,形成了若干产业集聚区,增材制造产业实现快速发展。

  展望未来,世界各国将把增材制造作为未来产业发展的新增长点,推动增材制造技术与信息网络技术、新材料技术、新设计理念的加速融合,增材制造技术及产业必将大有可为。

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