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        淺談3D打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

        2018-09-21 05:29:02程俊廷盧建軍
        機(jī)電信息 2018年27期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備發(fā)展

        程俊廷 張 懌 盧建軍

        (1.黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150022;2.首都信息發(fā)展股份有限公司,北京100161)

        0 引言

        3D打印技術(shù)是一種新的制造工藝[1]。它通過數(shù)字模型來構(gòu)建實(shí)體,其思想源于美國一項(xiàng)地貌地形分層專利,此技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)加工差異較大,它顛覆性地改變了傳統(tǒng)減材技術(shù),從設(shè)計(jì)之初就改變了整個(gè)加工的工藝與流程,其涉及諸多領(lǐng)域與學(xué)科。此技術(shù)的普遍運(yùn)用,可將簡單制造完成于任意場合,如辦公室、家庭甚至太空等[2]。

        3D技術(shù)的出現(xiàn)催生了許多新型產(chǎn)業(yè)和新型設(shè)計(jì)理念。它將改變產(chǎn)品的生產(chǎn)方式,從而改變世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局,并最終改變?nèi)藗兊纳罘绞絒3]。

        1 3D打印技術(shù)簡介及其材料對比

        1.1 3D打印技術(shù)簡介

        當(dāng)今主流的3D打印技術(shù)包括熔融沉積、光固化成型、激光燒結(jié)、分層實(shí)體加工等[4]。

        1.2 相關(guān)材料對比分析

        1.2.1 3D打印技術(shù)及所用材料對比

        表1歸納分析了上述各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

        1.2.2 各國3D打印設(shè)備及精度概況

        圖1所示為世界各國3D打印制造設(shè)備及精度示意圖[5]。

        2 3D打印技術(shù)專利情況

        2.1 全球?qū)@闆r

        從發(fā)明專利申請的角度來看,數(shù)量由高到低的國家依次為中國、美國及日本。從圖2可以看出,中國的申請量自2013年以來飛速提升。截至2017年,中國共有9 907項(xiàng)專利申請,共3 062人,專利平均數(shù)量3.24件。2016年,全年專利申請3 554個(gè),占專利總量的35.87%;公布于眾的專利數(shù)量為4 739項(xiàng),占專利總數(shù)的48.38%,同比增長79.78%。

        2.2 我國專利情況

        2.2.1 概況分析

        中國在3D打印領(lǐng)域的探索與研究較遲,最初的專利多集中在少數(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)。目前,歐美等地仍然是世界研發(fā)的中堅(jiān)力量,日本也很有競爭力。

        表1 3D打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

        圖1 各國3D打印設(shè)備及精度概況

        圖2 申請量示意圖

        2.2.2 專利類型占比

        如今,中國在3D打印領(lǐng)域的實(shí)力正在逐步增強(qiáng)。眾多企業(yè)開始邁入3D打印業(yè)。據(jù)有關(guān)報(bào)道,國內(nèi)專利申請?jiān)诟黝I(lǐng)域內(nèi)占比如圖3所示[6]。

        圖3 中國3D打印領(lǐng)域?qū)@诸?/p>

        2.2.3 打印材料占比

        制造材料基本分為三類:聚合物、金屬和復(fù)合材料。據(jù)統(tǒng)計(jì),2017年,聚合物占3D打印材料市場份額的51%,金屬占19.8%,復(fù)合及其他材料占29.2%(圖4)[7]。從發(fā)展趨勢來看,金屬及復(fù)合等材料依舊具有很大的發(fā)展空間。

        2.2.4 應(yīng)用情況

        根據(jù)Wohlers Report報(bào)告,航空航天在3D打印領(lǐng)域占據(jù)了14.8%,工業(yè)應(yīng)用占17.5%,消費(fèi)電子產(chǎn)品占16.6%,汽車工業(yè)占16.1%,醫(yī)療應(yīng)用占13.1%,學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)占8.2%,政府軍事占6.6%,其余則占7.1%(圖5)。

        3 3D打印的發(fā)展趨勢

        圖5 中國3D打印領(lǐng)域分布

        經(jīng)過多年發(fā)展與積累,中國在實(shí)現(xiàn)3D打印產(chǎn)業(yè)化的道路上越走越快,步伐越邁越大。在“中國制造2025”等相關(guān)政策的引導(dǎo)和支持下,中國3D打印的相關(guān)行業(yè)發(fā)展迅速,關(guān)鍵技術(shù)不斷突破,設(shè)備性能明顯加強(qiáng)。同時(shí),其工作模式正逐漸系統(tǒng)化,服務(wù)領(lǐng)域也在不斷拓展擴(kuò)大。

        3.1 產(chǎn)業(yè)規(guī)??焖僭鲩L

        根據(jù)Wohlers Associates的數(shù)據(jù),61家工業(yè)系統(tǒng)制造商、19家特種材料制造商、100家服務(wù)單位以及一批消費(fèi)級3D打印設(shè)備制造商的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示(圖6),工業(yè)級3D打印設(shè)備制造公司的數(shù)量不斷增加。

        圖6 3D打印產(chǎn)業(yè)全球年產(chǎn)值圖

        產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)快速擴(kuò)張。通過收集對比23家大規(guī)模企業(yè)經(jīng)營的數(shù)據(jù),2016年相關(guān)大規(guī)模企業(yè)的產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值為20.3億元,比2015年的10.8億元增長88.0%。從2017年上半年來看,生產(chǎn)總值為11.6億元,對比往年提高了50.5%,產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大加速。3D打印產(chǎn)業(yè)主要由設(shè)備、材料和服務(wù)三方面構(gòu)成,其產(chǎn)值中,設(shè)備占50.1%,材料占26.9%,服務(wù)占23.0%,可見僅3D打印裝備產(chǎn)值就占到了一半[8]。

        3.2 產(chǎn)業(yè)格局

        中國3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已逐步成形,主要以環(huán)渤海、珠三角、長三角為核心。在環(huán)渤海地區(qū),3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在中國處于領(lǐng)先地位,形成了以北京為核心,協(xié)調(diào)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局。長三角地區(qū)已形成了良好的經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)勢、區(qū)位條件和強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),3D打印產(chǎn)業(yè)鏈包含打印設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)和相關(guān)設(shè)備。在珠三角地區(qū),3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在深圳和東莞等地大多運(yùn)用于服務(wù)行業(yè)。

        4 結(jié)語

        傳統(tǒng)的制造技術(shù),如鑄造、鍛造、焊接等,經(jīng)過數(shù)百年的研究、應(yīng)用和發(fā)展,積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),形成了完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。3D打印這一新興技術(shù)依舊需要長時(shí)間的技術(shù)積累和驗(yàn)證,只有在經(jīng)過較多大規(guī)模的應(yīng)用研究之后,才能發(fā)現(xiàn)和解決眾多實(shí)際問題。

        創(chuàng)造改變世界,知識成就未來,3D打印的時(shí)代已經(jīng)來臨,3D打印技術(shù)已經(jīng)從研發(fā)轉(zhuǎn)向工業(yè)應(yīng)用。諸多國家都已將3D打印作為未來工業(yè)發(fā)展的突破點(diǎn),促進(jìn)3D打印技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)及新型材料的加速融合,力爭抓取未來科技和行業(yè)的制高點(diǎn)已成為當(dāng)務(wù)之急。

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