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3D打印技术对传统钢铁行业的影响

发布时间:2017-12-07 09:08:00 文章来源:未来智讯    
    [关键词]3D打印技术;钢铁行业;冲击;措施
    中图分类号:F104 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)40-0072-01
    一、概述
    3D打印技术,诞生于20世纪80年代后期,是基于材料堆积法的一种高新制造技术,是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状,根据零件或物体的三维模型数据,通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术,被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效、低成本的实现手段。
    3D打印机的原理:3D 打印机可以根据零件的形状,每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面,然后再把它们逐层粘结起来,就得到了所需制造的立体零件。每个截面数据相当于医学上的一张CT 像片;整个制造过程可以比喻为一个"积分"的过程。当然,整个过程是在电脑的控制下,由3D打印机系统自动完成的。
    二、国内、外发展现状
    目前在欧美发达国家,3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域,3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件,完成复杂而精细的造型。另外,3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案,以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售,每年能够推出60种创新产品,年收入达到100万美元。当前,国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中,行业巨头正在加速崛起。
    自20世纪90年代以来,国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势;华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势,并已推出了HRP系列成型机和成型材料;中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置,有望在微制造、光电器件领域得到应用。但总体而言,国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。
    三、经典的应用案例
    (一)3D打印汽车
    2011年,世界上首款应用3D打印技术的汽车“Urbee”在经过15年的艰苦研制后在加拿大亮相,这辆名为“Urbee”的汽车包括玻璃嵌板在内的所有外部组件都是通过大型3D打印设备生产。 2012年8月,世界上第一辆3D打印赛车“阿里翁”,在德国霍根海姆赛道完成测试,最高时速达141公里。从设计到打印,“阿里翁”车身的出炉仅用时3周,所使用的3D打印机,能打印最大尺寸达到210×68×80厘米的零部件。
    (二)3D打印飞机零件
    北京航空航天大学材料学院王华明教授是国内激光成型技术的领军人物。王教授提出“激光熔覆多元多相过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层材料”研究新领域,研制出迄今世界最大、拥有核心关键技术的飞机大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形工程化成套装备,制造出中国最大的大型整体钛合金飞机主承力结构件,并通过装机评审。我国成为目前世界上唯一掌握飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家。
    四、技术优劣势和对钢铁行业的影响
    (一)3D打印技术的技术优势
    1.个性化、定制化。
    3D打印这种全新的生产工艺,以及在线制造协作服务的普及,使得生产方式像轮子一样兜了个圈又回到了原点,从大规模生产转到更加个性化的生产定制方式。“这种新型的生产方式是“社会化制造”,当它得到广泛运用,每个人都可以是一家工厂。”
    2.节省劳动力。
    3D打印技术会使传统的,以廉价劳动力取胜的制造业发生根本性变化。一种可能的趋势是,过去为追逐低劳动力成本转移到发展中国家的资本,会很快移回到发达国家中去。传统工厂需要大面积的车间,大量的工人,可未来,这些也许会被十几台3D打印机和几名工人代替。一些专家乐观表示,随着3D打印技术的普及,有望缓解制造业用工荒的难题,甚至中国、印度等国所拥有的低成本劳动优势也会随之减弱。
    (二)3D打印技术的不足之处
    1. 打印材料。
    3D打印技术难点主要在于硬件,最典型的就是打印材料。目前,不同品牌的3D打印机能支持不同的材料,树脂、尼龙、石膏、塑料使用较为普遍,随着业界研发的进步,支持钛、不锈钢或铝、铁金属材料的打印机也已经出现。不过,大多数个人桌面级3D打印机只能使用易加工、便于回收的塑料,其他只限于工业级3D打印机使用。对于工业级打印机来说,所用材料既要满足打印精细度,还要满足强度,这类材料的研发成本至少是千万元级别。
    2.打印精度。
    由于3D打印工艺发展还不完善,特别是对快速成型软件技术的研究还不成熟,目前快速成型零件的精度及表面质量大多不能满足工程直接使用,不能作为功能性部件,只能做原型使用。
    3. 打印速度。
    现阶段,3D打印机无法作为大规模生产的手段,只能作用于原型开发或者单件制造。在生产效率上,3D打印技术虽发端于“快速成型”,耗时还是得以小时来计,尚难满足批量生产的要求。无论是性能虽好但价格高昂的工业级3D打印机,还是性价与之对立的个人桌面级打印机,要真正革传统工业的命,还有很长的路要走。
    4.机械强度。
    以Stratasys公司3D打印车为例,车子固然能“打印”出来了,但是否能在路上顺利跑起来?使用寿命又有多长?从现有的技术来看,尚有差距:由于采用层层叠加的增材制造工艺,层和层之间的粘结再紧密,也无法和传统模具整体浇铸而成的零件相媲美,这意味着在一定外力条件下,“打印”的部件很可能会散架。
    五、结论
    3D打印技术可以使金属粉末按设计图精确成型,形成各种复杂精密的结构,但对其内部的组织性能却无法保证。与铸造技术相比,3D成型技术在机械性能及组织结构上还是有一定差距的。钢铁产业的下游为家电、汽车、造船、建筑、机械制造等产业,以造船为例,其制造方式为将高性能的中、厚板采用焊接的方式组装起来,这样操作简单,成本低廉。若将3D打印技术引入造船行业,不仅庞大的3D打印机难以制造,但就从经济角度上讲也是不可取的。同样,对于建筑上的钢结构,如桥梁,钢结构的房屋等,3D打印技术也不适用。
    现代钢铁生产的主要特点是批量化和规模化,处于产业链的中游,主要为下游产品提供原材料。3D打印技术的主要特点是小批量和个性化,主要是生产终端产品,位于产业链的末端,与钢铁行业的定位不同。因此,从生产的特点与产品的定位来讲,3D技术的发展对钢铁行业冲击较小。
    但从另一个角度考虑,当3D打印的产品为金属制品时,钢铁产业需为其提供原材料――粉末金属。随着3D打印技术的发展,3D打印材料尤其是粉末金属材料的研发与制造将成为一个炙手可热的课题,也将是钢铁企业一个新的高附加值产品,一个新的利润增长点。
    参考文献
    [1] 王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企事业.2012(9).
    [2] 刘海涛.光固化三维打印成形材料的研究与应用[D].华中科技大学博士论文.
    [3] 李作林,袁大伟. 3D打印技术与科技创新实践[M].清华大学出版社.2014(11).
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