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【权威解析】】姚山:3D打印材料发展道路通向何方?

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:科技日报

2017-08-23 10:02

   3D打印不是一般的火。然而当你真的看到3D打印机出来的树脂产品和过程的时候,恐怕还是会对这个热门技术有一点失望。打印时间长、精度不够、色彩也不那么逼真。不过没关系,这些都不阻碍3D打印成为大热门,毕竟它仍处于初级阶段,而且发展成熟以后,确实会改变制造业的生产方式,也会让我们的生活发生一些变化。

  当人们都在关注3D打印的机器是如何工作的,3D打印究竟能做出什么的时候,已经忽视了3D打印未来最赚钱的部分之一:材料。美国巨头3DSystem测算,未来3年,材料部分将成为3D行业最大的利润来源。还记得惠普打印机是怎么赚钱的吗?没错,卖硒鼓墨盒!这是否对你读懂3D打印行业也有些启发呢?专访大连理工大学材料工程系教授,博士生导师:姚山,一起来看看吧。

  材料将更赚钱,现多被国外垄断

  未来3D打印技术的发展,肯定是对材料的要求越来越多,也越来越高。我国材料相关行业的发展是怎样的?

  姚山:我认为未来3D打印材料和技术是互相促进互相发展的一个过程。仅仅看到奥巴马政府支持3D打印的政策是不够的,应该看到他还有一个材料基因组的计划。这两个计划是并行的。

  材料方面要通过多尺度数学建模、计算机仿真等数字化新技术,实现新材料的快速研发。实际上3D打印解决了材料成型的问题,过去复杂的形状结构可以用新的方法来成型。

  但是材料成型以后,还要解决工程应用所必需的材料性能的问题,除了成型性以外的其他材料性能上的要求,比如防腐、强度硬度等等。这就对新材料提出了要求。如果有新的材料能够达到传统工艺做出来产品的性能,那会很有市场价值。

  在铸造领域,3D打印可以做出来很复杂的铸型,但是要配合新的铸造合金,使得铸造出的样件性能达到传统的锻件水平或更高,就可以对工业产生更大影响,甚至达到“以铸代锻”。

  铸造有个好处就是在复杂形状制造上有优势,但是在性能上不如锻造的产品。如果有新的铸造材料研制开发出来,就可以制作高端的制件。

  过去为什么不做材料的研发?因为成型技术不成熟,即使有再好的材料也无法用铸造的方法成型。3D打印技术已提供了新的成型技术,下一步一定可以促进新的材料的发展。

  未来3D打印的材料领域会怎样发展?是出现很多种,还是有某些通用的?

  姚山:将来适应3D打印的一些新材料肯定会层出不穷的出现。因为目前国外的材料比较贵,国内有些研究人员也看到了这种市场或者说需求,结合自己的研究方向和特长,去开发新材料,甚至是新的材料体系。

  树脂材料主体是做模型用的,这个领域主要是降低成本。新的技术或新材料的产生会使成本下降。我相信在比较短的时间内,大量材料会涌现出来。还有金属粉,比如钛粉、不锈钢粉,就有人做,但是由于需求量小,成本比较高,将来金属成形技术成熟了,这方面的成本也会下降。

  目前材料价格高的主要原因还是国外的专利和垄断。还有一个原因是我们需求量比较少,没有必要自己做。按照我个人的判断,制造业一旦重视起来,三到五年我们的需求量上来了,成本一定会下降。

  我们的材料领域在哪个方面比较薄弱?

  姚山:我目前觉得树脂类的材料可能比较弱。金属粉体需求量比较小,比较高端,国内应该不比国外差多少。生物应用材料大多在做基础研究,既需要解决成型问题,还要面对生物活性和生物相容性等问题,还需要不断探索和研究。

  现在需求量比较大的还是常规的3D打印材料,液态树脂的、树脂粉、尼龙粉、蜡粉等,国外垄断了很多,我们下一步还是应该在这个领域寻求更大的发展。

  航空航天、汽车最成熟,生物医疗最热门

  目前做的比较成熟的是哪些行业呢?这些行业是怎样的模式?

  姚山:咱们比较成功的第一类是航空航天,这种比较高端、复杂的行业制件,我们国内水平和国际可以说是相当的或者说是同步的。在这个体系中,水平上可能差距不大,甚至有些地方我们还比他们做得好。3D打印在这个领域的应用应该说是比较成熟的市场。

  但是由于航空航天制造领域的特点,传统方法工艺成本也非常高,应用3D打印的方法,可能成本比传统方法要低、制造周期更短。这样就使得这项技术在这个行业发展的比较快,应用比较成功。

  另外一个成功行业是汽车行业。据我了解3D打印的市场份额有30%多是在汽车行业。新产品的研制、新车型的开发阶段大量采用了3D打印技术。汽车行业已经趋近于成熟。国内有些汽车厂商已经开始考虑,学习国外的方法,甚至已经引入了3D打印技术。

  其实十几年前我国汽车行业已经用了这种方法,比如说大连柴油机采用了这个技术做过新产品开发。所以说国内的汽车行业对3D打印这项技术认识还是比较早的,只是数量上还不够。

  汽车行业是怎样具体应用的呢?

  姚山:首先是车体设计,新设计的车型如果做一套正规模具成本会非常非常高,可以通过3D打印技术,制造试制用的模具或者替代模具的一种产品来制造白车身,速度很快,成本也不高。

  甚至如果只从外形来讲,可以用树脂等材料打印出来,让大家评判、实际感觉新车的外观,看看是不是能接受,这不是工程应用,仅仅是看外形的,这样可能很短时间、很低成本就能完成车型的设计。还有就是新型发动机的研制,发动机很多都是铸造成型的。如果要是传统方法做模具去实现铸造,成本很高。

  用3D打印技术就可以不用模具,实现一些新的发动机的试制,可以缩短周期,降低成本,尤其是缩短周期,效益更加明显。

  3D打印这项技术在生物应用方面,是否和实际应用还有很大距离?

  姚山:生物医药的应用是最热门的领域和方向。因为生物应用大都是个体化的,不适合批量生产,比如牙齿、骨骼的修复,除了材料强硬度性能要求以外,还有生物相容性等问题,而且是一个高附加值的领域。未来肯定是一个很重要的方向。

  这里面涉及材料问题非常多。所以我个人觉得还没有到社会大众应用的状态,除了一些假牙的制作倒是有可能。其他的比如要把金属制成的骨骼体系和生物多种材料复合到一起打印,还没有到实际应用的状态。

  期待企业创新性投入,仍需政策引导

  这个行业现在面临的问题是什么?需要怎样的支持才能让3D打印真正进入生产生活?

  姚山:今年科技部的支撑计划和863计划已经有一些项目在支持3D打印。辽宁、江苏、山东很多地方,从省里到市里,也有一些项目方面的支持或出台引导性的政策。我现在个人认为,不完全是政府认识和政策上的问题,主要还是企业的积极性没有完全调动起来。

  企业是要看具体的应用和效果,这毕竟是一个新技术,如果这项技术在某些企业取得了显著效果,企业的需求量会随之而增长。企业前期做这些事情肯定投入大、成本高、有风险,政府可以通过税收、项目支持、扶持政策,让他们先做起来。只要一做起来,后续市场变大了,不用政府再投入了,这个市场也会发展的很好。所以说引导很重要。

  我们的企业大多是跟踪型的,不太愿意创新性投入,只有少数企业,或者那些有敏感性的人,他们才愿意做这件事。但他们的投入很高。但我们的企业大多是跟风型的,某一个企业做好了,后续很多企业都跟进了。现在应该说是培育和孵化的阶段,成熟度已经比较高,需要一些引导的政策。

  现在有一些铸造、装备制造企业也在和我联系。可以说早期认为这项技术能带来效益、有这个认识的人群已经出现了,但是真正能有市场成熟度,我判断还需要两三年。等这些先走一步的人群,创造了价值,赢得了回报,后面会有大批的人跟进这个市场。

  怎样看待3D打印和传统工业制造领域的关系?

  姚山:3D打印这个技术从新产品研发角度讲,应该说有绝对优势。等产品定型以后,到大批量生产,它的优势会变小。但是并不一定没有应用。比如传统制造也是先把模具做出来,然后用压力加工等方法成型。但是模具也是单件的、小批量的产品,如果用3D打印去做模具,就是很好的应用。3D打印可以和传统的技术有一个很好的融合,对传统制造技术和工艺流程带来一种改变。

  大家不要把3D打印和传统技术相对立,好像3D打印一定要取代传统。不是这样的。我觉得3D打印第一步是融合传统,改变部分流程或工艺,最后可能随着材料技术的发展,3D打印可能直接走到应用。

  另外,由于材料、机器成本比较高,企业没有能力买大量装备。我听说美国有一家做假牙的公司,一个企业有150台3D打印机。这个例子提示我们,3D打印一定不能批量吗?这是一个相对的概念。现在的情况是设备成本高,台套数量少,暂时无法形成批量生产的状态。如果成本降下来,也可能形成批量的制造能力。