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卢秉恒院士:3D打印与创新设计

2018年04月10日 15:35:34中国智能制造网人气:25892


  【中国智能制造网 名家论谈】西安设计大讲堂秉承“与设计对话、谋共同发展”的宗旨,坚持高端、深度、前瞻、互补的特色,充分挖掘、融合科技优势、文化优势、人才优势。以创新设计、智能制造为抓手,传播文化理念,提升丝路沿线地区的创新设计水平,推动国际交流与合作,为丝绸之路经济带的建设作出卓越贡献。3月30日,西安设计联合会邀请丝绸之路创新设计产业联盟理事长卢秉恒院士,作了题为“3D打印与创新设计”的报告,全文如下。
卢秉恒院士:3D打印与创新设计
 
  3D打印是增材制造的主流制造技术。从制造技术的分类来说,有增材制造、减材制造和等材制造,3D打印属于增材制造,是一种把材料累加起来的制造方式。这项技术的出现为制造技术行业带来一个全新的局面。据麦肯锡的分析报告,在2013年认为3D打印技术是影响我们生活和生产组织形态的顶尖技术之一,预计到2030年将达到万亿美元的规模。
 
  3D打印分为几种不同类型:
 
  一、激光固化法,通过自外激光的照射变成固体然后累加起来;
 
  二、用粉末、塑料粉末、金属粉末甚至包括沙子一层一层粘接合成;
 
  三、融化辅料丝,然后堆积起来;
 
  四、使用金属粉末,通过喷射的方式堆积起来,在数字的控制下将其变成我们所需要的形状。
 
  3D打印技术为传统制造业带来巨大的变化,大大简化了传统制造工序,将产品零部件数量简化,像汽车这样由上万个零件构成的产品能够简化成由几个零件组成。目前飞机、航天的发动机已经开始着手3D打印制造零件。并且,3D打印可以使产品轻量化,赋予装备获得更高的效率。
 
  3D打印是一项颠覆性的技术工艺。在以往的产品开发环节,单一件的定制是十分复杂的过程。而且由于量少,少有企业愿意承接制模过程,而3D打印正是能满足这项制造需求。因此,在航空航天汽车医疗及电子产品的开发环节中,3D打印都发挥了十分重要的作用。随着消费水平提高,大家都希望获得个性化的产品,大规模的定制或者个性化定制逐渐成为产品制造里面的主要模式,然而3D打印正是最适合的技术。对于非常复杂的零件、原来不敢制造的甚至不敢设计的产品都可以制作出成品,为产品和装备的提供了非常大的创新设计空间。
 
  在科研方面,制作材料逐渐从一种材料的累加,变成多种材料可复合型,这样可以把零件的表面做成耐磨的、耐腐蚀的、高强度的,内部可以做成中空,各个阶段都能使材料发挥最大的作用性能。
 
  增材还可以走向创材,即是创造材料。目前机械加工所用到冶炼厂提供的材料,如果使用3D打印技术可以在粉床上将几种元素合成一种新的合金。从创材走上创生,即是生命的创造。3D打印可以制造降解材料的人体器官,植入人体以后在生化环境下降解,降解以后变成自己的细胞,通过这项技术可以做出骨头、心脏、肝脏。所以说3D打印为科研提供了好的制造工具。
 
  3D打印正处于从3D走向4D、5D的发展趋势,打印时使用智能材料,打印完成后改变温度或者加上磁场等其他作用,可以改变使最后的成品形态与打印初始形态不同,这是个十分奇妙的过程。在一个密闭空间,预留出很小的口,打印一个可以放进去的材料,随后改变环境的温度改变,使其变成需要的形状。5D打印即是如此,不仅能改变其形状,还可以改变其功能,使其从没有生命变成有生命的个体。
 
  现阶段我们正在进行细胞打印的研究,在一个虚构的空间,用3D打印的方式将细胞堆积起来,放上不同的生化的环境,加上干细胞可以诱导出不同的组织、肌肉神经血管。3D打印,从原来快速原型,到产品开发,到现在的批量制造,给传统生产模式带来了一个颠覆性的变化;其材料从最早期的树脂到塑料、金属材料一直研究到复合材料或者生物的活性材料。从整个产业的发展上纵观,最初大家做3D打印的装备,后来延伸到在各个领域应用,最后走向尖端科技。可以畅想未来到太空上,用太空的材料在月球上建房屋,或者用很珍贵的、地球上很少的材料,做太空飞船的零件。3D打印正在从高大上的科技线走向企业,各个行业都在促进这个产业的发展。
 
  3D打印引领全民创客趋势,在未来我们都可以使用它来实现自己的创新设计。我们的创新不再受体制的约束,仅需一台3D打印机便可以自己在家打印原型和一些功能零件,可把创新各类设计并打印出产品模型,便于投资商进行项目可行性评估,全民创客时代就这样到来。要构建全新性社会,就必须破除传统体制,发挥社会成员的积极性。技术的创新在很多方面都促进了社会的创新。3D打印机的普遍,使得全民能够在家里进行创新设计,改变工作模式了,促进全民参与社会生产。
 
  3D打印在中国的发展非常迅速,从2016年开始,3D打印的专利技术方面已经走向全世界第二,在2017年发展到全世界第一。目前在3D打印行业,中国相对于全球的比重率由25%逐渐走向50%,2018年设备装机数量排名从世界第四上升到第三的位置。中国在高端医疗、航空航天突破性的成果处于国际领先地位。2000年起,西安交大与第四军医大学、交大附二院合作科研并取得优异成果。在大家都在对3D打印产品结实度能否适合航天的需求抱怀疑的时候,汪院士做的世界上首例3D打印的飞机起落架已经接受了考验。在科研、装备的产业化方面,无论是金属的、非金属的3D打印机,我们都掌握有非常好的技术,西安一直处于领先的地位。于是,在西安成立了中国增材制造创新中心。目前一些装备的研发都是由自主的软件开发,但一些关键的光学器械或者激光器还是较多依靠进口,导致目前我国处于3D打印原创技术较少的状态,但是我们相信经过不断的努力,一定会走向世界领先的地位。
 
  使用3D打印技术制作产品模型可以大大减少成本,可以避免计算机的仿真模型与实际模型有区别的风险。我们研发了一套快速模具制造的技术,传统模具制造十分复杂,耗资大且耗时长,使用3D打印技术制作原型外观,在收到大众对造型认可后装上发动机便可以使用,这个时候我们再使用一些简单快速的模具,来加工真正的模具。对于不同的批量,我们采用不同的制造方法,比如几十件的可以使用硅橡胶复制模具,如果是大批量可以把原型用3D打印拷贝一个加工的电机,这样形成一个产品快速开发的系统。
 
  3D打印应用于各个工业领域,比如摩托车外形的开发、动力机械整体叶轮的设计、戒指的开发、医疗的修补、零件的精密制造等。
 
  在一项飞机风洞的实验中,3D打印制作的零件优过传统手工制造,对于传感器不方便装置、飞机重量的配重不方便确定等问题,3D打印全部可以实现。尤其是在汽车工业方面,相较于传统使用手工、油泥刮出制作模型评估,使用3D打印制作原型更利于对汽车结构进行分析。发现问题,修改数字模型即可进行重新评估。
 
  对于小批量、个性化车制造,电动汽车制造行业,大多数仍借用燃油汽车外壳,而没有一辆真正为电动车设计的车身外壳,正是由于在车身开发投入太多,现在电动汽车并没有完全被大众消费群体接受,仍处于考验阶段。国外已将3D打印应用到方面开发汽车的车型,很快速便可以将非常先进的车型做出来,这样可以加速产品的设计,各种各样的创新设计都可以实现。同时还可以做到轻量化,将很多零部件做成一体化。复合材料的设计,在汽车上的用途越来越广,非常符合电动汽车的需求,电动汽车的续航里程是很重要的因素,车身轻了以后自然续航里程上升了。可以使用纤维或者玻璃纤维这类复合材料来制作车身,这些都是可以通过3D打印技术来实现的。并且还可以拓展到汽车零件方面。目前我们已经涉及汽车大型模具的制造方面,并且做了专门的喷涂模具设备以及一款汽车的完整外壳。
 
  3D打印为制造业带来颠覆性的变革,对于航天航空领域的应用,使材料利用率由5%提升到85%,并且可以把制造周期由数月压缩到几天。尽管如此,3D打印技术制造出的零件的精度、强度、有没有被破坏的方面仍有许多问题,这是一个全新的理论,我们仍然处于研究阶段。
 
  3D打印带来全新的生产模式变革,大家可以在家里进行创意设计,并将设计产品摆上互联网寻求投资方,这可能成为以后一个很重要的创新社会生产方式。美国GE公司曾在网上发布过一个使用3D打印实验飞机结构件的设计征集。最后在征集到700个方案,由专家挑选了十件优秀方案。其中,第一名是一个19岁的青年设计师,他仅用了六分之一的重量、六分之一的价格,完成了这个结构件的设计,并且刚度、强度全部合格。民间蕴藏了很大的创新的能力和积极性,在原来的生产组织下得不到发挥。在以后的飞机制造上,改一个零件,不需要一些层层批准、层层论证,直接做出来一件模型测试便能验证。
 
  GE公司用3D打印来制作一个飞机发动机的喷油嘴,燃油效率提高15%。他们曾使用3D打印制作一款发动机,订单增加了400多亿美金。因此GE公司决定大举进攻3D打印,目前已收购了两三家世界上很强的3D打印公司,并决定自主研发设备,改造它的生产线,预测到2030年要将一万台的3D打印机投入到飞机发动机的生产。
 
  我国的3D打印目前处于技术发展的井喷期,既是起步期、也是企业的跑马圈地时期。目前亚马逊也介入3D打印行业,在网上组织3D打印的资源,提供服务,每年接到几十亿美金的订单。我国政府非常支持创新,经工信部论证,决定西安高新区成立国家3D打印的创新中心,并得到高新区领导的大力支持。创新中心联合全国13家企业,清华、北航、华中、西工大、西交大5所大学,由20多位国内外的专家组成专家委员会,其中国外的专家占到将近一半。
 
  目前我们正在进行的研发方向,一个是针对于飞机发动机,一个是亮剑工程,在有了3D打印技术的支持之后,使得飞机发动机有创新的设计,包括叶轮盘、涡轮盘的高效设计等省了很多复杂的工序。畅想以后,到太空中去进行3D打印制造,在太空中制造地球上需要的零件。尽管太空打印有很多困难,但其能源是取之不尽,有众多优势。比如,无气压影响生产效率可以提高,并且环境温度高可生产耐高温物件。
 
  在汽车生产方面,与吉利研究院联合研发“万辆汽车工程”。利用大数据优化工艺,并且使用大设备支撑,将全国3D打印的资源连在一起,为全国的制造业做服务。我们相信在大家的努力下,能在十年内将中国的3D打印做到世界第二;五年内做到装机量第二、十年内希望装机量第一;销售走在第二。到2035年之前实现中国制造2025。
 
  为了把创新设计的成果孵化,吸引更多的3D打印的产业到西安聚集,我们将在西安高新区打造一个3D打印的小镇,形成一个产业的聚集区。致力于实现一个技术的供应链,来培育3D打印的主力军。王永康书记希望3D打印成为西安硬科技的八路军之一。在占地1600多亩3D打印小镇的规划里面,拟投资150个亿,引进十几家核心企业,希望抓住国家创新的大好机遇来做好这项工作。
 
  在技术方面仍有待推广,比如金属电壶喷涂的技术,斥资100多万耗时100天的时间做了一整套的汽车复合件的模具。将3D打印用于创新设计,我们做了大量工作。目前我们还在研究用很轻的材料做建筑的打印,因为在建筑方面有些地方是需要有承载性能的。住建部提倡装配式的建筑,3D打印可以做曲面的造型的、带雕塑的、带浮雕的,都很容易。如果把每一层的建筑重量降下来,可以减少投资,还可以给建筑师做具有创意的模型。
 
  在金属创新方面,使用金属打印头做光内送粉部件,便可以打印封闭的球 。粉末在外层,内层是光线,然后升级到光纤在外层,粉末在内层,这样制作出来的零件就会十分精细。
 
  在3d打印特色小镇的设计上,邀请各位丝绸之路创新设计产业联盟和西安设计联合会的专家,为我们做一些优秀的设计,完成国家交给我们的使命。3D打印小镇位于高新区的核心位置,这里将是产业的聚集区。在未来,我们可以使用3D打印来去做文物的复制,希望在3D打印小镇建立一个3D打印的博物馆,主要用于展示西安当地的一些文化资源、历史资源、文物,我们也希望将全国各地的文物展示,例如莫高窟等。
 
  (原标题:卢秉恒院士:3D打印与创新设计)
(来源:广东省增材制造协会)

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