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北京隆源以技术优势引领中国3D打印

发布时间:2015年3月7日

  3D打印技术属于一种非传统加工工艺,也称为增材制造、快速成型,是近30年来全球先进制造领域兴起的一项集光/机/电、计算机、数控及新材料于一体的先进制造技术。与传统制造在材料上做减法不同,3D打印奉行的是加法守则,即通过将粉末、液体片状等离散材料逐层堆积,“自然生长”成三维实体,再将三维实体变为若干二维平面,大大降低了制造复杂程度。只要在计算机上设计出结构模型,就可以快速地将设计变为实物,而无需刀具、模具及复杂的加工工艺。3D打印技术尤其适用于航空航天、武器装备、生物医学、模具等领域中批量小、结构非对称、曲面多及内容结构零部件(如航空发动机空心叶片、人体骨骼修复体、随形冷却水道)的快速制造,非常符合现代及未来工业制造的发展趋势。

  今年以来,对第三次工业革命的探讨达到高潮。美国学者杰里米?里夫金称,互联网与新能源的结合,将会产生新一轮工业革命——这将是人类继19世纪的蒸汽机和20世纪的电气化之后的第三次“革命”。而英国《经济学人》杂志也指出,3D打印技术市场潜力巨大,势必成为引领未来制造业趋势的众多突破之一。这些突破将使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具,改由更加灵巧的电脑软件主宰,这便是第三次工业革命到来的标志。有数据统计,2010年增材制造3D打印行业的总产值达到了13.25亿美元,比上一年增长24.1%,2011年全球营收17亿美元,比上年增长29.4%,预计2012年将达21亿美元,2015年达到37亿美元,2019年达到65亿美元。

  3D打印技术的核心制造思想最早起源于19世纪末的美国,但到20世纪80年代后期3D打印技术才发展成熟并被广泛应用。目前美国、日本、德国等国家的3D打印产业较为发达。在中国,从事3D打印技术研究的机构寥寥无几,而把3 D打印技术应用并产业化的企业更是屈指可数,北京隆源自动成型系统有限公司便是随着20世纪90年代国家高新技术研究发展计划的实施而应运而生的国内最早的一家3D打印企业。成立于1994年的北京隆源自动成型系统有限公司,注册资金1700万。创立当年便研制成功了中国第一台SLS快速成型设备——AFS-360,之后便倾力开发选区激光粉末烧结(SLS,Selective Laser Sintering)快速成型机,同时致力于快速原型的应用加工服务。如今,其合作伙伴遍布大江南北,其中包括国内众多科研院所和各汽车制造领域的领军企业。

  北京隆源总工程师冯涛,毕业于清华大学,曾任职于清华大学高分子材料研究所,具有丰富的高分子材料和激光光学的理论和实践经验,是我国最早从事激光快速自动成型技术研究的专家之一。他对于3D打印技术的应用与材料有着深厚的造诣。早在1995年,他就提出将SLS应用于快速精密制造。与其他3D打印机技术相比,SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说,任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目前可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。SLS的成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛,加之SLS无需设计和制造复杂的支撑系统,适合多种用途。在他的带领下,北京隆源相继成功研制出铸造熔模、蜡模压型及铸造型壳等复杂的工艺制作方法,以及聚苯乙烯粉末、合成材料在3D打印中的应用方法。

  对于SLS的成型材料,冯涛为之一一作出了详解。

  聚苯乙烯是最早工业化的塑料之一,属于无定形聚合物,它的比热度低,加热流动和冷却固化速度快,熔体粘度适中,且流动性和热稳定性较好,有利于SLS烧结成形。聚苯乙烯无明显熔点,熔融温度的范围较宽,约在95℃开始软化,120℃~180℃之间成为流体,300℃以上开始分解,放出气体,到380℃以上就会剧烈分解。聚苯乙烯受热后可熔化、粘结,冷却后可以固化成型,而且该材料吸湿率小,成型件浸树脂后可进一步提高强度,主要性能指标可达拉伸强度≥15MPa、弯曲强度≥33MPa、冲击强度≥3MPa,可作为原型件或功能件使用,也可用做消失模铸造用母模。

  陶瓷作为一种重要的结构材料,具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀等优点,无论传统工业领域还是新兴的高技术领域都有着广泛的应用。然而,陶瓷所固有的高强度、高硬度等优点却同时给陶瓷件的成型、加工带来了很多困难,因而陶瓷粉末很难通过SLS技术直接烧结。为解决这个问题,常用的方法是添加有机粘结剂、无机粘结剂和金属粘结剂。北京隆源公司提出以Si3N4(氮化硅,一种新型陶瓷的主要成分)粉末为原料,利用SLS制备介观α-SiAlON陶瓷转子的方法。即对Si3N4粉体表面进行无机、有机两次包覆改性,进而制得坯体。这种采用粘结剂包覆遐尔闻名粉末的方式制得的坯体比粘结剂与陶瓷混合得到的坯体强度更高,并且最终制件的成型精度和力学性能更好。

  金属粉末可以实现使用高熔点金属直接烧结成型零件,对3D打印技术在用传统切削加工方法难以制造出的高强度零件中的更广泛的应用具有特别重要的意义。冯涛认为,SLS成型技术在金属材料领域中的研究方向应该是单元体系金属零件烧结成型,多元合金材料零件的烧结成型,先进金属材料如金属纳米材料、非晶态金属合金等的激光烧结成型等,尤其适合于硬质合金材料微型元件的成型。此外,根据零件的具体功能及经济要求来烧结形成具有功能梯度和结构梯度的零件。

  覆膜砂采用热固性树脂如酚醛树脂加入锆砂、石英砂的方法制得、利用激光烧结方法制得原型可直接用做铸造用砂型(芯)来制造金属零件,其中锆砂具有更好的铸造性能,尤其适具有复杂形状的有色合金铸造如镁、铝等合金的铸造。型砂与低熔点的高分子材料有两种混料方法,一种是机械混料,另一种是将高分子材料加热熔化,把型砂倒入,搅拌均匀,使型砂表面覆盖一层高分子材料。由于覆膜砂的烧结性能好,故常用于汽车制造业及航空工业等领域。

  此外,目前北京隆源可成功进行SLS成型加工的材料还有石蜡、塑料及其他新材料的复合粉末材料等。SLS的成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛,加之SLS无需设计和制造复杂的支撑系统,适合多种用途。

  3D打印技术现已广泛应用于航空航天、与武器、汽车与赛车、电子、生物医学、牙科、首饰、游戏、消费品和日用品、食品、建筑、教育等众多领域。可以预见的是,该技术将更趋向于日常消费品制造、功能零件制造及组织与结构一体化制造的方向。经过19年的探索与创新,北京隆源在3D打印技术的应用上在中国已成为领军者,并为中国的航空航天、汽车、等行业的腾飞作出了突出的贡献。

  航空航天:航空航天产品具有形状复杂、批量小、零件规格差异大、可靠性要求高等特点,产品的定型是一个复杂而精密的过程,往往需要多次的设计、测试和改进,耗资大、耗时长,传统方法难以制造。因此,3D打印技术以其灵活多样的工艺方法和技术优势而在现代航空航天产品的研制与开发中具有独特的应用前景。北京隆源凭借自身的技术优势,为我国航空航天等部门及飞机制造企业提供直升机发动机、直升机机匣、蜗轮泵、钛机架、排气道(最大高度达到2800mm)、飞机悬挂件、飞轮壳等飞机零部件的生产和服务:1996年,第一台商品化SLS快速成型机销往北京航空材料研究院,并成功应用于军用航空新产品的开发;1999年,第二代商品化设备AFS-320成功推向市场。快速成型的应用逐步展开,参与完成了若干项国家航空航天重点项目的开发研制任务,如:用于大推力火箭的液氧-煤油和液氧-液氢发动机、卫星陀螺仪框体等。

  军事工业:3D打印技术和传统制造技术相比,具有简单、易操作等特点,特别是对于一些新材料的加工,成效尤为显著。比如铝合金一直是军事工业中应用最广泛的金属结构材料。铝合金具有密度低、强度高、抗腐性好、耐高温等特点,作为结构材料,因其加工性能优良,可制成各种截面的型材、管材、高筋板材等,以充分发挥材料的潜力,提高构件的刚强度。所以,铝合金是武器轻量化首选的轻质结构材料。北京隆源利用3D打印技术,参与完成了多项国家军事工业重点项目的开发研制任务,如:JS-Ⅱ型新式坦克的涡轮增压器,红外制导仪观测镜壳体等,从而进一步推动了我国军事工业的发展。

  汽车制造:随着我国汽车工业的发展,汽车产量迅猛增长,一些关键性零部件也日趋复杂化、大型化和轻量化,这便要求实现零部件的整体化和集成化制造。而采用模具进行翻砂制模的传统工艺,使得模具越来越复杂,活块数量也急剧增加,这些因素在一定程度上都制约了我国汽车工业的发展。在中国, 引领国内3D打印技术的北京隆源的技术团队展开了3D打印技术于汽车发动机制造领域的研究。SLS是利用红外激光光束所提供的热量熔化热塑性材料以形成三维零件,其最大特点一个是成型过程与复杂程度无关,因此特别适合于内部结构极其复杂的发动机缸体、缸盖、进排气管等部件。此外,SLS技术成型材料广泛,特别是可以用铸造的树脂砂和可消失熔模材料成型,因此,可以通过与铸造技术结合,快速铸造出发动机的部件。SLS技术与铸造技术的结合,衍生出快速铸造技术,可有效地应用于发动机设计开发阶段中样机的快速制造。其适合单件和小批量试制和生产的特点,可迅速响应市场和提供小批量产品进行检测和试验,有助于保证产品开发速度。其成型工艺过程的可控性,可在设计开发阶段低成本地即时修改,以便检验设计或提供装配模型。有助于提高产品的开发质量,其快速成型原材料地多元性,为产品开发阶段提供了不同地工艺组合,由于SLS原材料的国产化和成型工艺可与传统工艺有机结合,有助于降低开发成本,其组合工艺的快捷性,支持产品更新换代频次的提高,有助于推动产品早日进入市场。

  北京隆源利用3D打印技术,为汽车制造商生产发动机缸体、缸盖、变速箱壳等,不仅制造速度快而且精度高,从而使得汽车复杂零部件制造变得数字化、精密化、柔性化、绿色化。如今,国内众多的高铁、动车、地铁的发动机中都可以看到隆源的产品

  生物医药:目前3D打印技术也被应用到生物医药领域,包括骨骼、牙齿、人造肝脏、人造血管、药品制造等。北京隆源与北京大学口腔医院合作,由口腔医院将患者的CT扫描数据从CT工作站经Magics软件处理后传输至PC机上,以标准格式(Dicom 格式)刻录存储,后提供给隆源,隆源据此开发研制了AFS-320型快速成型机。该设备采用选区激光粉末烧结法,原料为聚苯乙烯粉末,制作成实体模型,可用于口腔医疗中颧上颌骨骨纤维异常增生等症状,并取得了很好的疗效。同时,在陈旧性颧骨颧弓粉碎性骨折的治疗中,临床应用结果表明,治疗效果良好。目前,隆源在医疗领域又有了新的方向,即牙科领域专业快速成型和快速制造方案:使用特定的CAD软件可以实现义齿的CAD设计,包括牙基底、牙冠、牙桥、牙罩冠、牙贴面、牙镶嵌等3D设计。有了CAD设计,义齿的快速成型和快速制造便可以实现自动化生产,效果高,耗材少,成本低。

  当前,我国已经进入全面建设小康社会的关键时期和深化改革开放、加快转变经济发展模式的攻坚时期。3D打印技术的发展具有广阔市场前景、资源消耗低、带动系数大、就业机会多、综合效益好等一系列战略优势,能够在此基础上培育出一批战略性新兴产业集群,有利于推动升级一批重点产业集群。我们相信,北京隆源作为国内最早发展3D打印产业的公司,凭借先进的技术、规范的管理、完善的服务和持续的创新,将继续在中国3D打印产业未来的发展中一路领先、大步向前。

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