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深度好文:3D打印材料之路怎么走? | 3D打印學院

小不點極客2020-09-25 16:12:06




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3D打印不是一般的火。然而當你真的看到3D打印機出來的樹脂產品和過程的時候,恐怕還是會對這個熱門技術有一點失望。打印時間長、精度不夠、色彩也不那么逼真。


不過沒關系,這些都不阻礙3D打印成為大熱門,畢竟它仍處于初級階段,而且發展成熟以后,確實會改變制造業的生產方式,也會讓我們的生活發生一些變化。

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當人們都在關注3D打印的機器是如何工作的,3D打印究竟能做出什么的時候,已經忽視了3D打印未來最賺錢的部分之一:材料。


美國巨頭3D System測算,未來3年,材料部分將成為3D行業最大的利潤來源。還記得惠普打印機是怎么賺錢的嗎?沒錯,賣硒鼓墨盒!這是否對你讀懂3D打印行業也有些啟發呢?

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今天看一篇科技日報的文章,專訪大連理工大學材料工程系教授,博士生導師:姚山,一起來看看吧。


材料將更賺錢,現多被國外壟斷


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科技日報:未來3D打印技術的發展,肯定是對材料的要求越來越多,也越來越高。我國材料相關行業的發展是怎樣的?

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姚山:我認為未來3D打印材料和技術是互相促進互相發展的一個過程。僅僅看到奧巴馬政府支持3D打印的政策是不夠的,應該看到他還有一個材料基因組的計劃。這兩個計劃是并行的。


材料方面要通過多尺度數學建模、計算機仿真等數字化新技術,實現新材料的快速研發。實際上3D打印解決了材料成型的問題,過去復雜的形狀結構可以用新的方法來成型。


但是材料成型以后,還要解決工程應用所必需的材料性能的問題,除了成型性以外的其他材料性能上的要求,比如防腐、強度硬度等等。這就對新材料提出了要求。如果有新的材料能夠達到傳統工藝做出來產品的性能,那會很有市場價值。

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在鑄造領域,3D打印可以做出來很復雜的鑄型,但是要配合新的鑄造合金,使得鑄造出的樣件性能達到傳統的鍛件水平或更高,就可以對工業產生更大影響,甚至達到“以鑄代鍛”。


鑄造有個好處就是在復雜形狀制造上有優勢,但是在性能上不如鍛造的產品。如果有新的鑄造材料研制開發出來,就可以制作高端的制件。

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過去為什么不做材料的研發?因為成型技術不成熟,即使有再好的材料也無法用鑄造的方法成型。3D打印技術已提供了新的成型技術,下一步一定可以促進新的材料的發展。

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科技日報:未來3D打印的材料領域會怎樣發展?是出現很多種,還是有某些通用的?

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姚山:將來適應3D打印的一些新材料肯定會層出不窮的出現。因為目前國外的材料比較貴,國內有些研究人員也看到了這種市場或者說需求,結合自己的研究方向和特長,去開發新材料,甚至是新的材料體系。

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樹脂材料主體是做模型用的,這個領域主要是降低成本。新的技術或新材料的產生會使成本下降。我相信在比較短的時間內,大量材料會涌現出來。還有金屬粉,比如鈦粉、不銹鋼粉,就有人做,但是由于需求量小,成本比較高,將來金屬成形技術成熟了,這方面的成本也會下降。

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目前材料價格高的主要原因還是國外的專利和壟斷。還有一個原因是我們需求量比較少,沒有必要自己做。按照我個人的判斷,制造業一旦重視起來,三到五年我們的需求量上來了,成本一定會下降。

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科技日報:我們的材料領域在哪個方面比較薄弱?

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姚山:我目前覺得樹脂類的材料可能比較弱。金屬粉體需求量比較小,比較高端,國內應該不比國外差多少。生物應用材料大多在做基礎研究,既需要解決成型問題,還要面對生物活性和生物相容性等問題,還需要不斷探索和研究。


現在需求量比較大的還是常規的3D打印材料,液態樹脂的、樹脂粉、尼龍粉、蠟粉等,國外壟斷了很多,我們下一步還是應該在這個領域尋求更大的發展。

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航空航天、汽車最成熟,生物醫療最熱門



科技日報:目前做的比較成熟的是哪些行業呢?這些行業是怎樣的模式?

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姚山:咱們比較成功的第一類是航空航天,這種比較高端、復雜的行業制件,我們國內水平和國際可以說是相當的或者說是同步的。在這個體系中,水平上可能差距不大,甚至有些地方我們還比他們做得好。3D打印在這個領域的應用應該說是比較成熟的市場。


但是由于航空航天制造領域的特點,傳統方法工藝成本也非常高,應用3D打印的方法,可能成本比傳統方法要低、制造周期更短。這樣就使得這項技術在這個行業發展的比較快,應用比較成功。

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另外一個成功行業是汽車行業。據我了解3D打印的市場份額有30%多是在汽車行業。新產品的研制、新車型的開發階段大量采用了3D打印技術。汽車行業已經趨近于成熟。國內有些汽車廠商已經開始考慮,學習國外的方法,甚至已經引入了3D打印技術。


其實十幾年前我國汽車行業已經用了這種方法,比如說大連柴油機采用了這個技術做過新產品開發。所以說國內的汽車行業對3D打印這項技術認識還是比較早的,只是數量上還不夠。

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科技日報:汽車行業是怎樣具體應用的呢?

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姚山:首先是車體設計,新設計的車型如果做一套正規模具成本會非常非常高,可以通過3D打印技術,制造試制用的模具或者替代模具的一種產品來制造白車身,速度很快,成本也不高。


甚至如果只從外形來講,可以用樹脂等材料打印出來,讓大家評判、實際感覺新車的外觀,看看是不是能接受,這不是工程應用,僅僅是看外形的,這樣可能很短時間、很低成本就能完成車型的設計。還有就是新型發動機的研制,發動機很多都是鑄造成型的。如果要是傳統方法做模具去實現鑄造,成本很高。


用3D打印技術就可以不用模具,實現一些新的發動機的試制,可以縮短周期,降低成本,尤其是縮短周期,效益更加明顯。

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科技日報:3D打印這項技術在生物應用方面,是否和實際應用還有很大距離?

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姚山:生物醫藥的應用是最熱門的領域和方向。因為生物應用大都是個體化的,不適合批量生產,比如牙齒、骨骼的修復,除了材料強硬度性能要求以外,還有生物相容性等問題,而且是一個高附加值的領域。未來肯定是一個很重要的方向。


這里面涉及材料問題非常多。所以我個人覺得還沒有到社會大眾應用的狀態,除了一些假牙的制作倒是有可能。其他的比如要把金屬制成的骨骼體系和生物多種材料復合到一起打印,還沒有到實際應用的狀態。

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期待企業創新性投入,仍需政策引導

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科技日報:這個行業現在面臨的問題是什么?需要怎樣的支持才能讓3D打印真正進入生產生活?

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姚山:今年科技部的支撐計劃和863計劃已經有一些項目在支持3D打印。遼寧、江蘇、山東很多地方,從省里到市里,也有一些項目方面的支持或出臺引導性的政策。我現在個人認為,不完全是政府認識和政策上的問題,主要還是企業的積極性沒有完全調動起來。

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企業是要看具體的應用和效果,這畢竟是一個新技術,如果這項技術在某些企業取得了顯著效果,企業的需求量會隨之而增長。企業前期做這些事情肯定投入大、成本高、有風險,政府可以通過稅收、項目支持、扶持政策,讓他們先做起來。只要一做起來,后續市場變大了,不用政府再投入了,這個市場也會發展的很好。所以說引導很重要。

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我們的企業大多是跟蹤型的,不太愿意創新性投入,只有少數企業,或者那些有敏感性的人,他們才愿意做這件事。但他們的投入很高。但我們的企業大多是跟風型的,某一個企業做好了,后續很多企業都跟進了。現在應該說是培育和孵化的階段,成熟度已經比較高,需要一些引導的政策。

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現在有一些鑄造、裝備制造企業也在和我聯系。可以說早期認為這項技術能帶來效益、有這個認識的人群已經出現了,但是真正能有市場成熟度,我判斷還需要兩三年。等這些先走一步的人群,創造了價值,贏得了回報,后面會有大批的人跟進這個市場。

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科技日報:怎樣看待3D打印和傳統工業制造領域的關系?

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姚山:3D打印這個技術從新產品研發角度講,應該說有絕對優勢。等產品定型以后,到大批量生產,它的優勢會變小。但是并不一定沒有應用。比如傳統制造也是先把模具做出來,然后用壓力加工等方法成型。但是模具也是單件的、小批量的產品,如果用3D打印去做模具,就是很好的應用。3D打印可以和傳統的技術有一個很好的融合,對傳統制造技術和工藝流程帶來一種改變。

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大家不要把3D打印和傳統技術相對立,好像3D打印一定要取代傳統。不是這樣的。我覺得3D打印第一步是融合傳統,改變部分流程或工藝,最后可能隨著材料技術的發展,3D打印可能直接走到應用。


另外,由于材料、機器成本比較高,企業沒有能力買大量裝備。我聽說美國有一家做假牙的公司,一個企業有150臺3D打印機。這個例子提示我們,3D打印一定不能批量嗎?這是一個相對的概念。現在的情況是設備成本高,臺套數量少,暫時無法形成批量生產的狀態。如果成本降下來,也可能形成批量的制造能力。


搞機器的太多了,尤其是FDM,大家有興趣的可以奔著材料去!


文章摘自 科技日報

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