2017年3D打印六大領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)
愛邦聚合物
2017-04-02 23:12
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作為目前各行業(yè)熱議的技術(shù)，3D打印的發(fā)展勢(shì)頭無(wú)疑是越來(lái)越迅猛。那么，今年與3D相關(guān)的幾大領(lǐng)域，包括超材料、電子元器件、質(zhì)檢、航空航天應(yīng)用、企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、塑料等，將出現(xiàn)哪些新趨勢(shì)？
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1.超材料
歐盟在其增材制造發(fā)展路線圖中提出重點(diǎn)支持生物材料、超導(dǎo)材料、新型磁性材料、高性能金屬合金、非晶金屬、復(fù)合高溫陶瓷材料、金屬有機(jī)骨架、納米粒子和納米纖維材料。美國(guó)國(guó)家創(chuàng)新中心制定的增材制造材料關(guān)鍵領(lǐng)域的目標(biāo)是建立材料知識(shí)體系，建立增材制造材料的基準(zhǔn)特性數(shù)據(jù)，包括創(chuàng)造從控制工藝參數(shù)到“構(gòu)建”微觀結(jié)構(gòu)，而不是在微觀尺度上控制基礎(chǔ)物理以實(shí)現(xiàn)一致且可重現(xiàn)的微觀結(jié)構(gòu)，材料屬性是“設(shè)計(jì)的”。根據(jù)《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)規(guī)劃（2015-2016年）》的指導(dǎo)，我國(guó)正依托高校和科研機(jī)構(gòu)開展增材制造專用材料的研究和設(shè)計(jì)。
筆者認(rèn)為，在當(dāng)前的增材制造領(lǐng)域，我國(guó)更多的是在進(jìn)行基礎(chǔ)和應(yīng)用層面的建設(shè)，歐洲在探索前沿領(lǐng)域，而美國(guó)則試圖通過最擅長(zhǎng)的數(shù)據(jù)分析和軟件能力打造一個(gè)通用的系統(tǒng). 當(dāng)然，還有很多共同的工作是各國(guó)都在積極布局的，其中就包括必要的戰(zhàn)略領(lǐng)域高溫合金。
在基礎(chǔ)材料建設(shè)的基礎(chǔ)上，規(guī)劃材料成為下一步要搶占的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。超材料是指設(shè)計(jì)出具有不尋常特性的材料，是人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或具有天然材料所不具備的非凡物理特性的復(fù)合材料。目前發(fā)展起來(lái)的“超材料”包括：“左手材料”、“光子晶體”、“超磁材料”等。
哈佛研究人員試圖建立一個(gè)基本的設(shè)計(jì)框架軟件，在不限制打印尺寸的情況下，在幾何形狀和多種功能之間切換，從米級(jí)到納米級(jí)應(yīng)用，從減震建筑材料到光子晶體超材料結(jié)構(gòu)。
在超材料領(lǐng)域，我國(guó)東南大學(xué)、中國(guó)人民解放軍空軍工程大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京交通大學(xué)等都做過研究。隨著哈佛大學(xué)利用軟件解決基本建模問題，超材料可能借助3D打印技術(shù)“滲透”到特殊材料領(lǐng)域，使超材料成為一種普遍可見的材料。
2、電子結(jié)構(gòu)件
電子產(chǎn)品制造中的電氣互連技術(shù)逐步進(jìn)入以表面組裝技術(shù)、微組裝技術(shù)、三維組裝技術(shù)、高密度組裝技術(shù)等為標(biāo)志的發(fā)展階段。例如多媒體和復(fù)雜組件的互連。為了保證各種新型電路元件/模塊的電氣互連質(zhì)量和效率，電子行業(yè)需要滿足這些要求的新工藝和方法。3D打印制造過程快速、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度無(wú)限等技術(shù)特點(diǎn)，特別適用于電子產(chǎn)品的單件、多品種、小批量開發(fā)，
在結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域，美國(guó)企業(yè)已將氣溶膠噴射3D打印技術(shù)應(yīng)用于小批量產(chǎn)品生產(chǎn)。利用該技術(shù)3D打印曲面共形天線或直接在眼鏡上打印AR電子設(shè)備就是其中之一。代表性應(yīng)用。
大量高科技公司活躍在這一領(lǐng)域，包括哈佛大學(xué)初創(chuàng)公司、GE和投資的公司、MIT、CC3D等。在我國(guó)，西安交通大學(xué)通過一種同時(shí)打印導(dǎo)線和基板的3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品在三維空間的任意排列。
3、質(zhì)檢更精細(xì)
在3D打印產(chǎn)品的制備和使用過程中，某些缺陷的發(fā)生和擴(kuò)展幾乎是不可避免的。在金屬熔化過程中，每個(gè)激光點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微熔池，從粉末熔化到冷卻成固體結(jié)構(gòu)，光斑的大小和功率帶來(lái)的熱量的大小決定了這個(gè)微熔池的大小池，影響零件的微晶結(jié)構(gòu)。
金屬增材制造的復(fù)雜程度可分為五個(gè)等級(jí)：1個(gè)簡(jiǎn)單部分、2個(gè)優(yōu)化部分、3個(gè)嵌入式設(shè)計(jì)部分、4個(gè)專為增材制造設(shè)計(jì)的部分、5個(gè)復(fù)雜單元結(jié)構(gòu)部分。對(duì)于復(fù)雜3D打印產(chǎn)品的檢測(cè)，國(guó)外主要科研機(jī)構(gòu)和GE等公司已經(jīng)開始采用X射線顯微CT（X-）作為檢測(cè)手段，并且這一趨勢(shì)在2017年將得到加強(qiáng)。
4. 3D打印在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮主導(dǎo)作用
2017年新年伊始，在GE于1月17日批準(zhǔn)的一項(xiàng)專利中，披露了一種在渦輪部件上制造應(yīng)變傳感器的方法。緊接著，GE于1月24日獲得專利，涵蓋噴油器主體和冷卻系統(tǒng)的制造技術(shù)。如果說(shuō)3D打印在航空領(lǐng)域的作用越來(lái)越大，那么在航天領(lǐng)域，3D打印技術(shù)就成為了“頂梁柱”。
NASA認(rèn)為，3D打印在制造液態(tài)氫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方面具有巨大潛力。NASA的AMDE- 項(xiàng)目在3年內(nèi)，團(tuán)隊(duì)通過增材制造了100多個(gè)零件，并設(shè)計(jì)了一個(gè)可以完成的3D打印。3D打印，零件數(shù)量可減少80%，僅需30處焊縫。
5、企業(yè)內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)
GE本身是3D打印的下游應(yīng)用公司，在收購(gòu)Arcam之后，GE成為其上游3D打印設(shè)備制造商的一員，并提出在2~3年內(nèi)提升3D打印的速度，而從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，GE希望能達(dá)到現(xiàn)在速度的100倍。通過GE下游業(yè)務(wù)部門的應(yīng)用開發(fā)需求，不斷反哺GE上游設(shè)備的研發(fā)。無(wú)論是資金還是know-how，其收購(gòu)的設(shè)備品牌都獲得了其他企業(yè)無(wú)法獲得的優(yōu)勢(shì)。無(wú)獨(dú)有偶，米其林也宣布將與法孚合作，利用其金屬打印技術(shù)，更好地生產(chǎn)輪胎模具。
而美國(guó)鋁業(yè)公司也宣布，將為其3D打印業(yè)務(wù)設(shè)立一個(gè)獨(dú)立的公司，從粉末到打印服務(wù)。公司可為用戶提供從航空技術(shù)到金屬粉末生產(chǎn)、產(chǎn)品認(rèn)證的專業(yè)服務(wù)。依托美鋁的技術(shù)實(shí)力，將成為在傳統(tǒng)金屬制造技術(shù)和3D打印領(lǐng)域獨(dú)具實(shí)力的強(qiáng)勢(shì)品牌。
另一家公司 GKN 圍繞其強(qiáng)大的航空航天業(yè)務(wù)和動(dòng)力汽車業(yè)務(wù)展開業(yè)務(wù)。吉?jiǎng)P恩創(chuàng)建了三個(gè)增材制造卓越中心：位于美國(guó)辛辛那提的吉?jiǎng)P恩增材制造卓越中心和瑞典吉?jiǎng)P恩？增材制造卓越中心，GKN 英國(guó)增材制造卓越中心。
企業(yè)內(nèi)部生態(tài)圈將成為3D打印的一大趨勢(shì)，3D打印的競(jìng)爭(zhēng)將升級(jí)為研發(fā)、營(yíng)銷、產(chǎn)業(yè)鏈和商業(yè)模式的全方位競(jìng)爭(zhēng)。
6、具有金屬特性的塑料
塑料正變得越來(lái)越工程化用三d打印機(jī)造輪胎，最近推出了一種材料，這是使用 HP Multi-Jet 3D 打印機(jī)開發(fā)的第一種新型塑料粉末。新型 PA-12 粉末具有優(yōu)異的機(jī)械性能，并已通過美國(guó) FDA（食品和藥物管理局）標(biāo)準(zhǔn)，因此由該材料制成的部件可用于食品接觸。
- 索爾維旨在通過其先進(jìn)的輕量化解決方案用塑料部分替代金屬。首先，在法國(guó)里昂成立了技術(shù)中心，用于研究和生產(chǎn)；在美國(guó)佐治亞州開設(shè)了新實(shí)驗(yàn)室，用于增材制造先進(jìn)材料的研究。意大利圍繞聚酰胺材料的尼龍?jiān)鰪?qiáng)材料獨(dú)樹一幟。其中，玻璃纖維增??強(qiáng)聚酰胺材料具有良好的抗拉強(qiáng)度，也可以進(jìn)行CNC加工，同時(shí)也是非導(dǎo)電材料。牛津高性能材料公司 (OPM) 已被選中為波音 CST-100 火箭航天器提供 3D 打印結(jié)構(gòu)部件。OPM 已開始出貨使用 OXFAB 材料打印的部件，開啟了高性能塑料材料替代輕質(zhì)金屬的新時(shí)代。章節(jié)。威格斯領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)由致力于 3D 打?。ㄔ霾闹圃旎?AM）創(chuàng)新的公司和機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)盟。作為其關(guān)鍵角色的一部分，威格斯將基于專為增材制造工藝設(shè)計(jì)的新型化學(xué)配方開發(fā)新等級(jí)的高性能聚芳醚酮 (PAEK) 聚合物。
從金屬材料向高性能材料的轉(zhuǎn)變目前是航空航天市場(chǎng)的既定趨勢(shì)用三d打印機(jī)造輪胎，隨著塑料成為超越傳統(tǒng)鋁的設(shè)計(jì)自由、制造便利和輕量化的解決方案，這一趨勢(shì)將在 2017 年得到加強(qiáng)。