3d打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

3d打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

史玉生：男，196年生，武漢大學(xué)教授。曾任材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長(zhǎng)、材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任,現(xiàn)任材料科學(xué)與工程學(xué)院黨總支書記、先進(jìn)成形技術(shù)與裝備湖北工程實(shí)驗(yàn)室主任、中國(guó)3打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)席理事長(zhǎng)、中國(guó)特種加工學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)快速成形委員會(huì)副主任委員、湖北省3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長(zhǎng)、湖北省航空學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)等。在國(guó)內(nèi)外期刊公開(kāi)發(fā)表論文200多篇,國(guó)內(nèi)外特邀或主題報(bào)告20多次,主編出版專著教材4部,主持國(guó)家科技支撐計(jì)劃、02和04科技重大專項(xiàng)、863、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)際合作等科研項(xiàng)目20余項(xiàng),獲“2011年中國(guó)十大科技進(jìn)展”1項(xiàng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)和科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)各1項(xiàng)、省部級(jí)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、省部級(jí)二等獎(jiǎng)3項(xiàng),獲發(fā)明專利30多項(xiàng)并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。研發(fā)的工業(yè)級(jí)3D打印裝備及其成形材料被國(guó)內(nèi)外300多家用戶所采用,不但服務(wù)于我國(guó),而且也出口俄羅斯、巴西、新加坡、英國(guó)等國(guó)。鑒于其學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)化成果,獲2009中國(guó)發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)暨當(dāng)代發(fā)明家、2012十佳全國(guó)優(yōu)秀科技工作者提名獎(jiǎng)、2012國(guó)家政府特殊津貼等稱號(hào),被評(píng)為2011中國(guó)科學(xué)十大杰出創(chuàng)新人物、2012中國(guó)制造業(yè)十大創(chuàng)新人物和2013CCTV科技盛典科技創(chuàng)新人物,入選2012東湖高新區(qū)3551光谷人才計(jì)劃,研究成果先后兩次被中央臺(tái)拍成科教片多次播放,分別被中央臺(tái)和人民網(wǎng)邀請(qǐng)為高端訪談的演講嘉賓。領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)分別入選湖北省和教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),指導(dǎo)的研究生獲全國(guó)優(yōu)秀博士論文提名獎(jiǎng)1篇、湖北省優(yōu)秀博士論文4篇、湖北省優(yōu)秀碩士博士論文3篇。當(dāng)前,3D打印技術(shù)作為媒體和資本的新寵,發(fā)展得如火如荼。3D打印20世紀(jì)80年代誕生于美國(guó),而我國(guó)的3D打印技術(shù)起步其實(shí)也不晚,這方面的研究在20世紀(jì)80年代末就已開(kāi)始,起初的研究力量主要集中在清華大學(xué)、華中科技大學(xué)和西安交通大學(xué)等高校。華中科技大學(xué)3D打印技術(shù)團(tuán)隊(duì)是由原校長(zhǎng)黃樹(shù)槐教授在20世紀(jì)90年代初組建的,目前團(tuán)隊(duì)帶頭人為史玉升教授。在3D打印技術(shù)方面,主要開(kāi)展基于粉末床的激光選區(qū)燒結(jié)和激光選區(qū)熔化裝備、材料、工藝及應(yīng)用研究。多年下來(lái),該團(tuán)隊(duì)成績(jī)斐然,碩果累累。如獲2001年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、2011年國(guó)家科技發(fā)明二等獎(jiǎng)和2011年中國(guó)十大科技進(jìn)展等。3實(shí)現(xiàn)制造非織造產(chǎn)品的快速發(fā)展近日,我刊記者有幸采訪到了史玉升教授及其團(tuán)隊(duì)成員。據(jù)史教授身邊的老師說(shuō),史教授幾乎把所有的精力都放在了研發(fā)工作中,每天總是早早地來(lái)到實(shí)驗(yàn)室,經(jīng)常工作到晚上12點(diǎn)才離開(kāi)。那份責(zé)任感、那份執(zhí)著,著實(shí)讓人敬佩有加。談起3D打印技術(shù),史教授說(shuō)3D打印技術(shù)屬于一種非傳統(tǒng)加工工藝,也稱為快速成形、增材制造等,是近30年來(lái)全球先進(jìn)制造領(lǐng)域興起的一項(xiàng)集光/機(jī)/電、計(jì)算機(jī)、數(shù)控及新材料于一體的先進(jìn)制造技術(shù),它根據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)控制,將粉狀、液狀、片狀、絲狀等材料逐層累加制造實(shí)體零件,不需要刀具、夾具及多道加工工序。該技術(shù)每次制造二維薄層結(jié)構(gòu),大大降低三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造難度,理論上可制造任意復(fù)雜結(jié)構(gòu),屬于“自由制造”過(guò)程。而且越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品,其制造的高效率作用越顯著。我國(guó)在改革開(kāi)放30年以來(lái),學(xué)習(xí)西方國(guó)家,實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)模式高效率運(yùn)行,制造業(yè)產(chǎn)值躍居世界第一位。經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)從產(chǎn)品匱乏到產(chǎn)品充裕、乃至于產(chǎn)過(guò)于求,逐漸成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾。轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要探索的首要問(wèn)題,而3D打印技術(shù)的發(fā)展無(wú)疑給我們提供了一個(gè)契機(jī)。3D打印技術(shù)及其制造模式對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和發(fā)展方式轉(zhuǎn)變具有重要的推動(dòng)作用。從技術(shù)層面來(lái)講,3D打印消除了制造過(guò)程中的材料浪費(fèi),復(fù)雜產(chǎn)品可直接制造,不再需要模具和多級(jí)裝配;可即地生產(chǎn),減少(或消除)物流配送環(huán)節(jié);從產(chǎn)業(yè)層面來(lái)講,面對(duì)后經(jīng)濟(jì)危機(jī)時(shí)代的挑戰(zhàn),各國(guó)都在尋求新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和著力培育具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的新興產(chǎn)業(yè),以3D打印技術(shù)為代表的制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展將成為未來(lái)拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵所在;從社會(huì)層面講,3D打印是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)之后的制造業(yè)革命,即利用3D打印技術(shù),可讓社會(huì)民眾充分參與產(chǎn)品的全生命制造過(guò)程,實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、實(shí)時(shí)化、經(jīng)濟(jì)化的生產(chǎn)和消費(fèi)模式,改變世界的經(jīng)濟(jì)格局,進(jìn)而改變?nèi)祟惖纳罘绞?從國(guó)家層面講,3D打印技術(shù)必將極大地刺激社會(huì)需求,同時(shí)有效地提升整個(gè)社會(huì)的參與程度,其直接結(jié)果就是社會(huì)創(chuàng)新能力和就業(yè)率的大幅度提升。新產(chǎn)品在實(shí)際制造后,可能與原設(shè)計(jì)有出入,因此量產(chǎn)前常常需要樣品驗(yàn)證,3D打印技術(shù)正好發(fā)揮其在單件或小批量生產(chǎn)上的優(yōu)勢(shì)。另外,3D打印技術(shù)在高端尤其是復(fù)雜零件加工上有較大潛力。為此,他舉例說(shuō),某發(fā)動(dòng)機(jī)制造商采用3D打印技術(shù),把大型六缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋砂芯的研制周期,由過(guò)去的5個(gè)月縮短至1周左右。速度快、省材料、能輕松應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品,3D打印技術(shù)固然有其獨(dú)到之處,但也并非全能,也有其局限性,如在大批量生產(chǎn)上,存在速度慢和成本昂貴等缺陷。d打印技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件制造的工藝與工藝的快速鑄造近日,我刊記者有幸采訪到了史玉升教授及其團(tuán)隊(duì)成員。據(jù)史教授身邊的老師說(shuō),史教授幾乎把所有的精力都放在了研發(fā)工作中,每天總是早早地來(lái)到實(shí)驗(yàn)室,經(jīng)常工作到晚上12點(diǎn)才離開(kāi)。那份責(zé)任感、那份執(zhí)著,著實(shí)讓人敬佩有加。3D打印技術(shù)有別于傳統(tǒng)制造工藝,但兩者并不相排斥,史教授認(rèn)為,只有更好地將現(xiàn)代與傳統(tǒng)相結(jié)合,才能更好地發(fā)展我國(guó)制造業(yè)。為此,史教授給我們舉了一個(gè)3D打印技術(shù)與鑄造技術(shù)的結(jié)合的例子。鑄造技術(shù)是零件成形的主要工藝方法。在航空、航天、軍工、汽車、機(jī)床等重點(diǎn)行業(yè),其核心部件一般均為金屬?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)零件,而且相當(dāng)多的金屬零件是非對(duì)稱性的、有著不規(guī)則曲面或復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這些復(fù)雜零件制造的基本問(wèn)題體現(xiàn)在零件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)難以用現(xiàn)有的加工手段制造,或可以加工實(shí)現(xiàn)但效率低、周期長(zhǎng)、成本高。在傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)中,模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模的制造往往采用機(jī)加工的方法來(lái)完成,有時(shí)還需要鉗工進(jìn)行修整,其周期長(zhǎng)、耗資大,略有失誤就可能會(huì)導(dǎo)致全部返工。特別是對(duì)一些形狀復(fù)雜的鑄件,如葉片、葉輪、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋等,模具的制造更是一個(gè)難度非常大的過(guò)程,即使使用數(shù)控加工中心等昂貴的設(shè)備,在加工技術(shù)與工藝可行性方面仍存在很大困難。而3D打印技術(shù)可以制造蠟型、砂型、陶瓷型,與后續(xù)鑄造工藝結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜金屬零件的快速鑄造,極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。美國(guó)、日本等企業(yè)都高度重視該項(xiàng)應(yīng)用。而像這樣的與傳統(tǒng)工藝結(jié)合、促進(jìn)傳統(tǒng)工藝發(fā)展的例子枚不勝舉。d打印技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)我國(guó)生產(chǎn)的3D打印機(jī)功能已經(jīng)達(dá)到甚至在某些方面超過(guò)國(guó)際先進(jìn)水平,兩者的差距主要體現(xiàn)在3D打印機(jī)的關(guān)鍵部件、材料的性能與品種,更大的差距體現(xiàn)在應(yīng)用上。在國(guó)外,3D打印技術(shù)已經(jīng)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生物醫(yī)療、航空航天、文化創(chuàng)意等方面有較多應(yīng)用,而我國(guó)還主要局限于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)等少數(shù)領(lǐng)域。史教授認(rèn)為,3D打印技術(shù)將向著以下方向發(fā)展:一是日常消費(fèi)品制造,二是工業(yè)功能零件制造,三是生物制造,四是材料制備與成形一體化。未來(lái)需解決的瓶頸問(wèn)題包括:材料性能及多樣性,精度和效率,設(shè)備穩(wěn)定性,零件表面質(zhì)量、微觀結(jié)構(gòu)及宏觀性能,標(biāo)準(zhǔn)等。史教授說(shuō),既然開(kāi)展了這一領(lǐng)域的研究,也有這么好的團(tuán)隊(duì),就得肩負(fù)起相應(yīng)的重任。在將研究成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的路上,他曾經(jīng)說(shuō)過(guò):“要走自己的創(chuàng)業(yè)之路,走與企業(yè)合作之路,走國(guó)際合作之路?！笔方淌诤退膱F(tuán)隊(duì)承擔(dān)的很多科研項(xiàng)目都是與企業(yè)合作的,謂之“產(chǎn)學(xué)研