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 2017-05-03    

3D打印技术在军事领域能掀起什么样的风潮?

核心提示:【中国智造网】3D打印技术不断的在完善健全,使用行业愈来愈多,市场效应变得越来越强。那么3D打印技术在军事领域能掀起什么风潮呢?我们拟目以待!增材制造技术是对传统切削加工技术的原理性颠覆,不需要传统的模具、刀具、夹具及多道加工工序,在

中国智造网3d打印技术不断的在完善健全,使用行业愈来愈多,市场效应变得越来越强。那么3D打印技术在军事领域能掀起什么风潮呢?我们拟目以待!

增材制造技术是对传统切削加工技术的原理性颠覆,不需要传统的模具、刀具、夹具及多道加工工序,在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件,从而实现“自由制造”,解决了许多过去难以实现的复杂结构零件的制造问题,因此在武器装备研制生产中显示出不可替代的作用和广阔应用前景,成为世界国防前沿技术的研究热点和重点。美国《时代》周刊已将增材制造技术列为“美国十大增长最快的工业”,英国《经济学人》杂志则认为它将与其他数字化生产模式一起推动实现新的工业革命。

(一)研究进展

近年来,增材制造技术持续升温,世界许多国家均通过制定制造业发展战略、制定技术路线图等多种措施,促进增材制造技术的发展和应用。

增材制造工艺过程检测技术取得重要进展,成形效率和质量显著提高。近年来,随着工艺过程不断优化,适用材料品种不断增加,设备加工检测能力不断提升,制造效率、产品精度和质量获得稳步提升,增材制造技术应用范围迅速扩展。2013年,DST Control公司利用熔融堆积成形技术成功制造了COLIBRI微型高性能光电万向支架中的20个塑料零件,该光电万向支架用于无人系统的成像,并已装备一个球形地面无人车Groundbot。预计COLIBRI支架最初的年产量为50个,交货周期由10-12周减少到4周。2016年,Promolding公司通过利用Stratasys PolyJet 3d打印解决方案,将注塑模具的生产时间缩短了93%,空客公司等航空航天制造企业也有望大规模应用这一技术。

增材制造技术的标准规范日益完善,标志着该项技术开始走向成熟应用。目前,增材制造技术标准与规范的制订日益受到重视,将促进该技术的健康持续发展。2012年,美国材料实验协会(ASTM)国际委员会针对Ti-6Al-4V的增材制造制订了F2924-12标准。2013年9月,美国国家标准与技术研究院(NIST)公布了总额740万美元的资金援助项目,以解决增材制造在测量和标准方面面临的重大问题。2015年7月,欧盟“增材制造标准化支持行动(SASAM)”项目发布了增材制造标准化路线图,明确阐述了标准化对增材制造技术发展和应用的重要性。

增材制造技术和生物制造技术深度交叉融合,叠加优势效应开始显现。生物3D打印能直接打印出活体组织,甚至直接打印活体替代器官。2010年6月,美国Organovo公司成功研制出“按需打印”患者所需的人体活器官的机器,对未来战场及时救援具有巨大潜在意义。2013年2月20日,美国康奈尔大学的研究人员利用牛耳细胞3D打印出人造耳朵。2016年,美国海军研究实验室(NRL)化学部门负责人Ringeisen发明的生物激光打印机(BioLP)目前已经获得专利批准,美国海军研究实验室希望借此技术治疗一些常见战场伤病,如创伤性脑损伤、烧伤以及听力损伤等。

(二)发展趋势

增材制造技术代表着生产模式和先进制造技术发展的趋势,产品生产将逐步从大规模制造向定制化制造发展,满足社会多样化需求。其间接作用和未来前景难以估量。增材制造优势在于制造周期短、适合单件个性化需求、大型薄壁件制造、钛合金等难加工易热成形零件制、结构复杂零件制造。增材制造技术相对传统制造技术还面临许多新挑战,还存在使用成本高(10元/g~100元/g),制造效率低,例如金属材料成形为100g/h~3000g/h,制造精度尚不能令人满意;其工艺与装备研发尚不充分,尚未进入大规模工业应用等问题。目前,增材制造技术还只是传统大批量制造技术的一个补充,未来将会与传统技术优选、集成,形成新的发展增长点。

向功能零件制造发展。采用激光或电子束直接熔化金属粉,逐层堆积金属,形成金属直接成形技术。该技术可以直接制造复杂结构金属功能零件,制件力学性能可以达到锻件性能指标。随着技术的不断成熟,增材制造的使用成本不断降低,其应用重点已经由最初的设计和原型工具的应用,转向了功能部件和产品的生产,进一步提高精度和性能,同时向陶瓷零件的增材制造技术和复合材料的增材制造技术发展。

向智能化装备发展。目前,增材制造设备在软件功能和后处理方面还有许多问题需要优化。例如,成形过程中需要加支撑,软件智能化和自动化需要进一步提高;制造过程,工艺参数与材料的匹配性需要智能化;加工完成后的粉料或支撑需要去除等问题,这些问题直接影响设备的使用和推广。

向组织与结构一体化制造发展。增材制造下一步是实现从微观组织到宏观结构的可控制造。例如,在制造复合材料时,将组织设计制造与外形结构设计制造同步完成,在微观到宏观尺度上实现同步制造,实现结构体的“设计—材料—制造”—体化。支撑生物组织制造、复合材料等复杂结构零件的制造,给制造技术带来革命性发展。

(三)重大影响

增材制造技术可显著改善装备制造流程,提高装备的战术适应性,不仅将为装备研制带来重大变革,而且可能从根本上影响国防工业基础,甚至会对战争形态和作战样式产生颠覆性影响。

增材制造将实现复杂装备轻质、高强、低成本及敏捷化质的飞跃。目前,使用3D打印钛合金零件的F-35已经进行了试飞。据估计,未来如果3000多架战机都使用增材制造技术生产零部件,不仅大大提高“难产”的F-35战机的部署速度,而且还能节省数十亿美元成本,如原本相当于材料成本1~2倍的加工费现在只需原来的10%。

增材制造可大幅降低贵重资源消耗,实现国防稀缺资源高效利用。采用增材制造方式超过90%的原材料可以回收再利用,这对于国防工业的稀缺资源来说,具有重要的战略意义。例如在航空航天领域,为实现零件的高性能,需要大量使用钛合金和镍基合金等昂贵的战略材料。F-22战机的钛合金框材料利用率仅为4.8%,如运用增材制造技术,可节约2/3以上的昂贵钛合金原材料。

增材制造将激发新型装备设计理念,创造更加卓越的价值链体系。增材制造不仅是一种先进的制造技术,它还将对现有的设计理念、生产方式和研发模式产生冲击,使得制造和设计被整合成为“精确研发”模式。这不但会影响制造业本身,还将改变整个装备研发体系。借助信息技术所形成的“信息物理系统”,增材制造所具有的开放型和大众性,将为未来的创新搭建了广阔的舞台。

 
关键词: 3D打印 增材制造
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