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现代绿色制造与3D打印制造浅述

发布时间:2017-12-07 09:04:00 文章来源:未来智讯    
    关键词:先进制造(AMT);绿色制造;3D打印制造
    Abstract: advanced manufacturing technology and green manufacturing are introduced in the paper. The article's purpose is to cause for concern about it. Among modern manufacturing technologies ,we should attend for AMT, when energy and environment had crisis, we must focus on green manufacturing problems. For 3D print manufacturing, the writer thought it is the commanding heights of the manufacturing sector in future, It involves a number of areas of military, economic, and industry, it is the age technology to achieve the dream of Chinese.
    Key words: advanced manufacturing technology; green manufacturing;3D print manufacturing.
    中图分类号:G407.4 文献标识码:A 文章编号:1006-5962(2013)05-0001-02
    1 现代先进制造和绿色制造
    现代制造技术是指制造业不断吸收机械工程技术、电子信息技术(包括微电子、光电子、计算机软硬件、现代通信技术)、自动化技术生产设备、材料、能源及现代管理等方面的成果,并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理和售后服务以及对报废产品的回收处理这样一个制造全过程;实现优质、高效、低耗、清洁和灵活生产,提高对动态、多变市场的适应能力和竞争能力、并取得理想的技术经济效果的制造技术的总称。
    1.1 先进制造技术(AMT)。
    先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology),英文缩写为AMT。1993年,美国政府批准了由联邦科学、工程与技术协调委员会(FCCSET)主持实施的先进制造技术计划(Advanced Manufacturing Technology-AMT)计划。AMT是美国根据本国制造业面临的挑战和机遇,为增强制造业的竞争力和促进国家经济增长,首先提出的概念。此后,欧洲各国、日本以及亚洲新兴工业化国家如韩国等也相继作出响应。
    人们往往用AMT来概括微电子技术、自动化技术、信息技术等给传统制造技术带来的种种变化的新型系统。具体地说,AMT就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。主要包括:计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成制造系统等。AMT是制造业企业取得竞争优势的必要条件之一,但并非充分条件,其优势还有赖于能充分发挥技术威力的组织管理,有赖于技术、管理和人力资源的有机协调和融合。 AMT主体技术包括两个基本部分:
    1.1.1 面向制造的设计技术群。
    面向制造的设计技术群系指用于生产准备(制造准备)的工具群和技术群。现代设计技术是指以电子产品质量、性能、寿命、成本和价格的综合效益最优为目的,以电子设计自动化技术为手段,以电子技术理论知识和工艺实践为依托,以现代设计技术与方法为基础,又好又快地满足人类社会各领域对电子产品和系统需求而进行设计所采用的各种技术的总和。这里特别一提的是可制造性设计,可制造性设计(DESIGN FORMANUFACTURABILITY)亦被各方称为协同式或同时性工程(concurrent or simultaneous engineering)或是可生产性或生产线之设计(design for productivity or assembly)--相较于由研发工程师建立自己的设计原型(prototype),然后在未经前线生产工人的意见下将之送到生产部门组装线上的传统制造方式来说享有非常大的优势。另一方面,一个可制造性团队的成员包括设计者、制造工程师:行销代表、财务经理、研发人员、原料供应商及其他计划利益相关者(包括客户在内)。因为包含来自各方人士,因此也有助于加速计划的完成并且可以避免传统生产方式会碰到的延迟。DFM它主要是研究产品本身的物理特征与制造系统各部分之间的相互关系,并把它用于产品设计中,以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化,使之更规范,以便降低成本,缩短生产时间,提高产品可制造性和工作效率。它的核心是在不影响产品功能的前提下,从产品的初步规划到产品的投入生产的整个设计过程进行参与,使之标准化、简单化,让设计利于生产及使用。减少整个产品的制造成本(特别是元器件和加工工艺方面)。减化工艺流程,选择高通过率的工艺,标准元器件,选择减少模具及工具的复杂性及其成本。
    1.1.2 面向制造工艺技术群。
    制造工艺技术群是指用于物质产品(物理实体产品)生产的过程及设备。例如,模塑成形、铸造、冲压、磨削等。随着高新技术的不断渗入,传统的制造工艺和装备正在产生质的变化。制造工艺技术群是有关加工和装配的技术,也是制造技术或称生产技术的传统领域。
         传统制造技术一般仅指加工制造的工艺方法,实际上只是制造全过程中的一部分;而现代电子制造技术贯穿了从市场预测、产品设计、物流、坐产管理、制造装配、质量保证、市场销售、售后服务、报废处理直至回收再利用等全过程,使整个制造过程成为集市场、产品、制造、环保为一体的大系统。一个产品的导入、一个项目的实施,工程技术只是系统内需要考虑的一部分,而成本效益、社会效益、环境影响、生态平衡等都是需要综合考虑、统筹兼顾的重要内容。基于此,从事电子制造的工程技术人员,特别是较高层次的设计管理人员,应该具有开阔的视野、系统化思维和协同管理能力,从而使制造系统运行更优化,组织管理模式科学化,制造过程绿色化,使经济效益与社会效益协调统一。
    传统制造技术的专业、学科单一、界限分明;而先进电子制造技术的专业、学科之间不断渗透、交叉、融合,有些界限逐渐淡化甚至消失。这使现代电子制造技术趋于系统化、集成化,并已发展成为以机、光、电为基础,信息和材料学科为支撑,集生物、管理、艺术和人文等学科技术于一体的新兴交叉的现代高科技。例如采用多学科仿真技术,可以计算并模拟出雷达天线和波导的构形对微波信号的影响情况;采用优化技术,可以在保证微波信号满足要求的同时,得到最优的天线和波导构形;采用快速原型制造技术,可以自动而迅速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或实际零件,从而对产品设计进行快速评价、测试、改进,以响应市场需求。实际上,许多优秀的有竞争力的电子产品的实现过程都是现代机械工程、CAD、数控、激光以及材料等技术的交叉与优化集成的成果。迄今为止,基本没有学校能够设置知识面如此宽的学科专业,也很少有一个人能全面具备如此众多的专业能力,现代电子制造除了需要对基础知识的融会贯通和灵活应用,更强调的是团队精神和协调合作。
    1.2 绿色化制造。
    "绿色制造"(green manufacturing)是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下,综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。它使产品从设计、制造、运输、使用到报废的整个产品生命周期中不产生环境污染或环境污染最小化,符合环境保护要求,对生态环境无害或危害极少,使资源利用率最高、能源消耗最低。由于电子制造业发展速度越来越。陕,规模越来越大,废弃电子产品越来越多,对环境影响面越来越大,因此在电子制造过程中强调绿色化越来越追切。以欧盟RoHS为起点,WEEE、EuP和REACH等法令相继推出,在全世界掀起绿色制造的浪潮。
    1.2.1 绿色设计。
    传统的产品设计,通常主要考虑的是产品的基本属性,如功能、质量、寿命、成本等,很少考虑环境属性。按这种方式生产出来的产品,在其使用寿命结束后,回收利用率低,资源浪费严重,毒性物质严重污染生态环境,形成一个"从摇篮到坟墓"的过程。绿色设计的基本思想就是要在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中,将环境性能作为产品的设计目标和出发点,力求使产品对环境的影响达到最小。从这一点来说,绿色设计是从可持续发展的高度审视产品的整个生命周期,强调在产品开发阶段按照全生命周期的观点进行系统性的分析与评价,消除潜在的、对环境的负面影响,力求形成"从摇篮到再现"的过程。其与传统设计的主要区别如表1所示。绿色设计主要可以通过生命周期设计、并行设计、模块化设计等几种方法来实现。
    1.2.2 绿色材料选择。
    绿色产品首先要求构成产品的材料具有绿色特性,即在产品的整个生命周期内,这类材料应有利于降低能耗,环境负荷最小。具体地说,在绿色设计时,材料选择应从以下几方面来考虑。(1)减少所用材料种类使用较少的材料种类,不仅可以简化产品结构,便于零件的生产、管理和材料的标识、分类,而且在相同的产品数量下,可以得到更多的某种回收材料。(2)选用可回收或再生材料使用可回收材料不仅可以减少资源的消耗,还可以减少原材料在提炼加工过程中对环境的污染。宝马(BMW)公司生产的z1型汽车,其车身全部由塑料制成,可在2O分钟内从金属底盘上拆除。车上的门、保险杠和前、后、侧面的操纵板都由通用公司生产的可回收利用的热塑性塑料制成。(3)选用能自然降解的材料福州塑料科学技术研究所与福建省测试技术研究所已成功研制出由可控光塑料复合添加剂生产的一种新型塑料薄膜。这种薄膜在使用后的一定时间内即可降解成碎片,溶解在土壤中被微生物吃掉,从而起到净化环境的作用。(4)选用无毒材料在汽车和电子工业中,最常用的是含铅和锡的焊料。但是铅的毒性极大,所以近年来,已经在油漆、汽油和其他诸多产品中限制或禁止使用它。
    1.2.3 清洁生产。
    相对于真正的清洁生产技术而言,这里所提到的清洁生产仅仅指生产加工过程。在这一环节,要想为绿色制造做出贡献,需从绿色制造工艺技术、绿色制造工艺设备与装备等人手。在实质性的机械加工中,在铸造、锻造冲压、焊接、热处理、表面保护等过程中都可以实行绿色制造工艺。具体可以从以下几方面人手:改进工艺,提高产品合格率;采用合理工艺,简化产品加工流程,减少加工工序,谋求生产过程的废料最少化,避免不安全因素;减少产品生产过程中的污染物排放,如减少切削液的使用等。目前多通过干式切削技术来实现这一目标。
    1.2.4 绿色包装和处理技术。
    绿色包装是指采用对环境和人体无污染,可回收重用或可再生的包装材料及其制品的包装。首先必须尽可能简化产品包装,避免过度包装;使包装可以多次重复使用或便于回收,且不会产生二次污染。如在摩托罗拉的标准包装盒项目方面,其做法是缩小包装盒尺寸,提高包装盒利用率,并采用再生纸浆内包装取代原木浆,进而提高经济效益。在传统的观念中,产品寿命结束后,就再也没有使用价值了。在绿色制造中,通过绿色处理技术,如果将废弃的产品中有用的部分再合理地利用起来,既能节约资源,又可有效的保护环境,这也正是有些文献中所提到的绿色产品的可回收性及可拆卸性设计问题儿。如此一来,整个制造过程也会形成一个闭环的系统.最能有效减轻对环境的危害,这也正是与传统制造过程开环特性最不同的一点。
         1.2.5 绿色制造全球化。
    绿色制造的全球化特征体现在许多方面,例如:(1) 制造业对环境的影响往往是超越空间的,人类需要团结起来,保护我们共同拥有的唯一的地球。(2) ISO14000系列标准的陆续出台为绿色制造的全球化研究和应用奠定了很好的基础,但一些标准尚需进一步完 善,许多标准还有待于研究和制定。 (3) 随着近年来全球化市场的形成,绿色产品的市场竞争将是全球化的。(4) 近年来许多国家要求进口产品要进行绿色性认定,要有"绿色标志"。特别是有些国家以保护本国环境为 由,制定了极为苛刻的产品环境指标来限制国际产品进入本国市场,即设置"绿色贸易壁垒"。绿色制造将为我国 企业提高产品绿色性提供技术手段,从而为我国企业消除国际贸易壁垒进入国际市场提供有力的支撑。这也从另外 一个角度说明了全球化的特点。 绿色制造的研究和实施需要全社会的共同努力和参与,以建立绿色制造所必需的社会支撑系统。无论是绿色制造涉及的立法和行政规定以及需要制定的经济政策,还是绿色制造所需要建立的企业、产品、用户三者之间新型的集成关系,均是十分复杂的问题,其中又包含大量的相关技术问题,均有待于深入研究,以形成绿色制造所需要的社会支撑系统。这些也是绿色制造今后研究内容的重要组成部分。
    总之,AMT创新应关注下一代智能制造单元与设备; 适用于快速而有效地设计新产品、工艺、设备及企业集成化设计工具; 确保企业能广泛了解和应用先进制造技术而进行的基础设施建设。
    在绿色制造方面,无铅化首当其冲,但迄今尚未找到理想的解决方案;"无卤"又掀起波澜。绿色化是人类文明进步的标志,也是人类科学发展之路的必然归宿。
    2 超时代的3D打印制造技术
    3D打印制造是制造模式的一次"革命"。3D打印作为一种新的加工工艺,将改变第二次工业革命产生的以装配生产线为代表的大规模生产方式,使产品生产向个性化、定制化转变,实现生产方式的根本变革。3D打印机的推广应用将减少产品推向市场的时间,产品用户只要简单
    下载设计图在数小时内通过3D打印将产品"打印"出来,从而不需要大规模生产线,不需要库存大量的零部件,不需要大量的工人。
    2.1 3D打印技术。
    3D打印机诞生于20世纪80年代中期,是由美国科学家最早发明的。3D打印机是指利用3D打印技术生产出真实三维物体的一种设备,其基本原理是利用特殊的耗材(胶水、树脂或粉末等)按照由电脑预先设计好的三维立体模型,通过黏结剂的沉积将每层粉末黏结成型,最终打印出3D实体。3D打印过程可分为两步,首先在需要成型的区域喷洒特殊的胶水,然后均匀喷洒粉末,粉末遇到胶水会迅速固化黏结,没有胶水的区域仍保持松散状态,重复这一过程直到实体模型被"打印"成型。由于其分层加工的过程与喷墨打印机十分相似,所以被称为"打印技术"。3D打印技术是实现加式制造的一种方式。加式制造的主要特征就是利用逐层增加材料的方式生产各种产品,无须模具,因此也被称为无形制造技术(Freeform Fabrication,简称FF或FFF)。现代加式制造技术直接起步于1968年Swainson的专利、1972年Ciraud的专利和1979年Housholder的专利,分别开创了激光三维聚合成型、直接粉末沉积和粉末激光烧结等加式制造技术。一般认为,1972年德国人Ciraud提出的利用激光能量光束进行粉末沉积,实现分层叠加成型的技术,是世界上第一个成功的现代加式制造过程。从上世纪80年代起,各种各样的加式制造技术大量出现,并在许多领域里进行了创造性的应用,形成今天的加式制造,特别是3D打印技术的新局面。
    2.2 3D打印技术的未来。
    未来5-10年,随着技术的不断进步及市场需求的扩大,3D打印机将呈现三个方面的发展趋势:一是3D打印速度和效率将不断提升。随着开拓并行、多材料制造工艺方法的采用,打印速度和效率有望获得更大提升;二是3D打印材料更加多样化。随着先进材料的不断发展,智能材料、纳米材料、新型聚合材料、合成生物材料等将成为3D打印材料;三是3D打印机价格大幅下降。一些较小规模的3D打印机制造商已经开始推出一万美元以下的3D打印机。随着技术进步及推广应用,3D打印机的价格有望大幅下降。四是3D打印机应用领域更加广泛。3D打印机诞生后,早期主要用于航空航天、机械、医疗、建筑等行业的模型制作。随着其进一步走向成熟,3D打印机已开始用来制造汽车、飞机等高科技含量零部件、皮肤、骨骼等活体组织。专家预计,在不久的将来,从鞋、眼镜到厨房用具、汽车等各种产品都可以用3D打印机生产出来。3D打印技术是一种新兴的高科技技术,综合应用了CAD/CAM技术、激光技术、光化学以及材料科学等诸多方面的技术和知识,3D打印技术的不断成熟将推动包括新材料技术、智能制造技术和堆积制造技术实现大的飞跃。
    先进制造技术是面向全球竞争的,目前每一国家都处于全球化市场中。一个国家的先进制造技术是支持该国制造业在全球范围市场的竞争力。因此,先进制造技术的主体应具有世界水平。但是,每个国家的国情也将影响到从现有的制造技术水平向先进制造技术的过渡战略和措施。我国正在以前所未有的速度进入全球化的国际市场,开发和应用适合国情的先进制造技术和3D打印制造势在必行。
    参考文献
    [1] 郭福等编著.电子组装技术与材料.科学出版社.北京.2011-08.
    [2] 王广春,赵国群编著快速成型与快速模具制造技术及其应用[M].北京机械工业出版社2004 .
    [3] 黄兵.三维打印支撑材料及成形工艺的研究[D];华中科技大学;2009年.
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