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        3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢研究

        2021-11-20 13:53:21
        無線互聯(lián)科技 2021年24期
        關(guān)鍵詞:航空建模發(fā)動機

        楊 勇

        (南陽職業(yè)學(xué)院,河南 西峽 474500)

        0 引言

        3D打印技術(shù)又稱為“增材制造”技術(shù),它是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)的一種快速成型技術(shù),3D打印技術(shù)在很多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用,如工程建筑、汽車、導(dǎo)航、教育等等。近年來,我國3D打印技術(shù)逐漸發(fā)展成熟。2020年5月5日,我國一艘搭載著3D打印機的運載火箭長征五號成功發(fā)射,這也是世界上首例在太空中進行3D打印技術(shù)實驗的案例,標志著我國在此領(lǐng)域已經(jīng)位于世界前列。3D打印技術(shù)發(fā)展前景廣闊,許多國家都在進行這方面的開發(fā)和實驗,由此可見,3D打印技術(shù)在未來的發(fā)展已形成不可阻擋的趨勢。

        1 3D打印技術(shù)目前存在的主要問題

        1.1 3D打印材料單一

        3D打印技術(shù)有一個很重要的制約因素是材料問題,材料單一性讓3D打印技術(shù)只能在某些特定環(huán)節(jié)內(nèi)使用,亦或投入到尖端市場,由于其技術(shù)使用的高額支出更是制約了其發(fā)展空間,而面向大眾的中低端市場則選擇使用工廠流水線式生產(chǎn)。因為材料的單一從某種方面阻止了3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用,無法展示出3D打印技術(shù)其開發(fā)和利用價值,讓其看起來只是模具化生產(chǎn)模式的進一步開發(fā)和轉(zhuǎn)型。目前用于3D打印技術(shù)的主要材料有塑料、橡膠和金屬等,其中3D打印技術(shù)對金屬的要求比較迫切,急需在金屬領(lǐng)域有突破性進展來打破這個材料單一、消耗量大的局面。

        1.2 3D打印的價格不穩(wěn)定,優(yōu)勢不明顯

        3D打印技術(shù)的主要原理是通過大數(shù)據(jù)進行計算建模,直接設(shè)計出所需物件圖示,然后將材料加工立體呈現(xiàn)出來,因其利用現(xiàn)代高科學(xué)技術(shù),在材料加工為實際物體過程中誤差極小,在進行精密零件制造時具有無法替代的優(yōu)勢。3D打印技術(shù)在單件小批量或個性化設(shè)計等方面的制造價格與傳統(tǒng)制造的價格相差無幾,其生產(chǎn)效率卻是傳統(tǒng)制造的幾倍。但在一些特殊領(lǐng)域或大批量生產(chǎn)等方面,成本又相對較高,總體呈現(xiàn)出價格不穩(wěn)定的問題。因此,在某些方面,目前3D打印技術(shù)還不能完全取代傳統(tǒng)生產(chǎn),這也導(dǎo)致3D打印的價格不穩(wěn)定,其價格優(yōu)勢不能完全表現(xiàn)出來。在傳統(tǒng)工業(yè)制造中,制作工藝是使用模具統(tǒng)一生產(chǎn)加工,在機械設(shè)備使用過程中不可避免地會出現(xiàn)零件損壞和設(shè)備零件老化等問題,而單獨開模所或重新購置機械設(shè)備需要花費大量資金。3D打印技術(shù)則沒有這樣的問題,其操作便利,隨時可以打印不同的模型,模型主要由電腦數(shù)字化構(gòu)建,建模成本較低,而且在獨特性強的物品生產(chǎn)中也展現(xiàn)出價格優(yōu)勢,有利于贏取市場的位置。

        1.3 3D打印操作技術(shù)要求高

        3D打印技術(shù)需要借助數(shù)字模擬技術(shù)進行生產(chǎn)制造,因此,操作技術(shù)對操作者的要求較高,需要用戶自身具備一定程度的專業(yè)知識或?qū)I(yè)技術(shù)才能正常投入生產(chǎn)。對于普通用戶來說,特別是首次接觸3D打印技術(shù)的用戶,操作難度較大,因為他們往往很難理解操作原理。此外,3D打印技術(shù)涉及知識面較廣,操作人員需要具備較深厚的知識基礎(chǔ),尤其是涉及大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)字建模技術(shù)和3D打印設(shè)備使用等多種技術(shù),從業(yè)人員需要對多個領(lǐng)域的知識都有涉獵。針對這種情況,加快培育具備較強理論知識的3D打印專業(yè)性人才是重中之重,只有這樣才能為未來3D打印技術(shù)發(fā)展作出鋪墊[1]。

        1.4 3D打印機型號較少,產(chǎn)品型號缺少統(tǒng)一標準

        據(jù)報道,目前一共只有6種可以進行多種材料打印的3D打印機,分別是FDM,SLA,3DP,SLS,LOM,PCM。由于目前3D打印技術(shù)尚處于發(fā)展階段,所制造的快速成型零件的質(zhì)量和精度不能達到直接使用的標準,產(chǎn)品型號缺少統(tǒng)一標準,只能作為原型使用,最終還是離不開傳統(tǒng)制造。

        1.5 3D打印產(chǎn)品數(shù)字化模型受到知識產(chǎn)權(quán)保護

        使用3D打印技術(shù)的很多都是現(xiàn)代化藝術(shù)品制造業(yè),其取勝關(guān)鍵不是生產(chǎn)規(guī)模,而是取決于產(chǎn)品創(chuàng)意,所以對知識產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性要求較高,在創(chuàng)意性產(chǎn)品方面容易面臨盜版威脅,會出現(xiàn)模仿者過多,市場產(chǎn)品雷同的狀況。同時也對知識產(chǎn)權(quán)的管理提出了要求,這是傳統(tǒng)制造行業(yè)所不會出現(xiàn)的新問題。

        2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展趨勢

        2.1 3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

        目前,3D打印技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域是電子行業(yè),在汽車、航空航天、商品機器這些領(lǐng)域也呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢。2019年,中國3D打印設(shè)備產(chǎn)業(yè)規(guī)模達70億元,相比2018年增長了28.3%。3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的迅速增長,標志著3D打印技術(shù)已經(jīng)成為拉動我國經(jīng)濟增長的重要因素之一。目前,美國仍然是3D打印設(shè)備安裝的第一大國,其次是日本,雖然我國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)增長速度很快,但是與美國和日本相比仍有較大差距。由此可見,3D打印技術(shù)在我國擁有較為廣闊的發(fā)展空間。

        例如,在航空領(lǐng)域,3D打印除了在航空發(fā)動機制造上得到廣泛應(yīng)用之外,在解決航空發(fā)動機維修的零部件采購以及提升航空維修部門再制造能力和戰(zhàn)場應(yīng)急搶修過程中也發(fā)揮著越來越重要的作用。在大數(shù)據(jù)的背景下,工作人員可以使用精密儀器對損壞部位進行精準定位,及時檢測到破損部位,并利用3D打印技術(shù)打印出匹配的修復(fù)材料,提高維修的精確性,減少人員的工作量,大幅度提高航空維修的效率。航空發(fā)動機長期處于高溫高壓的環(huán)境下,零部件極易發(fā)生嚴重磨損,這在很大程度上影響了航空發(fā)動機的維修周期以及維修成本。采用3D打印技術(shù)制作發(fā)動機零部件,可以有效解決航空發(fā)動機維修所需備件的采購難題,讓航空發(fā)動機維修企業(yè)快速提升航空設(shè)備零部件的制造能力和供給能力。對于小批量需求的航空發(fā)動機維修企業(yè)來說,3D打印可以有效節(jié)約制造成本,縮短維修周期,提高航空發(fā)動機維修中零部件再制造能力。在大數(shù)據(jù)背景下,應(yīng)用3D打印技術(shù),可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和及時保修。隨著3D打印技術(shù)與大數(shù)據(jù)的深度結(jié)合,未來的航空發(fā)動機維修過程將呈現(xiàn)自動化發(fā)展的趨勢[2]。

        2.2 3D打印技術(shù)未來發(fā)展重點

        2.2.1 簡化生產(chǎn)過程

        3D打印技術(shù)的“增材制造”可以很大程度簡化產(chǎn)品的制造過程,縮短產(chǎn)品制造周期,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。但是隨著時間、效率、成本的不斷優(yōu)化,也容易導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題。提高打印成品的質(zhì)量,可以讓3D打印技術(shù)在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用,占據(jù)較大的市場份額,這是3D打印技術(shù)在未來主要的發(fā)展方向。同時,發(fā)展還需要解決的重點問題包括模型產(chǎn)權(quán)維護、3D打印機設(shè)備研發(fā)、降低打印價格、優(yōu)化操作技術(shù)、減少材料消耗等,需要在這些方面尋找突破口。

        2.2.2 提升材料使用率

        相比于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式,3D打印技術(shù)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)能大幅減少生產(chǎn)材料的消耗。傳統(tǒng)生產(chǎn)方式常使用車間生產(chǎn)或者流水線式生產(chǎn),為了避免模具生產(chǎn)出現(xiàn)誤差造成產(chǎn)品檢測不達標,在生產(chǎn)環(huán)節(jié)會出現(xiàn)大量被機械切割的“邊角料”,材料利用率不高。即使可以對邊角料進行回收重熔再投入生產(chǎn),回收過程也會增大企業(yè)生產(chǎn)成本。3D打印技術(shù)是直接通過數(shù)字建模將材料轉(zhuǎn)化成為物體的技術(shù),這種生產(chǎn)方式具有高精密度、高精簡度的特點,能確保所有材料在產(chǎn)品生產(chǎn)中精準使用,材料使用效率高,能從生產(chǎn)環(huán)節(jié)上大大節(jié)省成本,從而增大企業(yè)利潤,尤其是需要使用稀有材料方面,優(yōu)勢更為突出,因此3D打印技術(shù)在高附加值和高精度產(chǎn)品加工生產(chǎn)上有著不可取代的優(yōu)勢[3]。

        2.2.3 結(jié)合BIM技術(shù)模擬建筑展示效果

        目前,BIM技術(shù)被廣泛運用于工程項目管理。BIM技術(shù)相比于傳統(tǒng)設(shè)計圖紙模式,能在可視化上做出進一步擴展,通過3D數(shù)據(jù)建??梢灾庇^地展示出建筑的整體構(gòu)造,甚至在裝修行業(yè)也能直接展示預(yù)裝修效果。BIM技術(shù)最大的特征是其整體性、優(yōu)化性和仿真性,而BIM技術(shù)與3D打印技術(shù)同樣需要運用數(shù)字建模技術(shù)。工程單位需要進行房屋預(yù)設(shè)時,往往不能很直觀地讓客戶感受成品效果。將BIM技術(shù)和3D打印技術(shù)結(jié)合,可以直接將BIM建模中的信息直接導(dǎo)入3D打印設(shè)備,通過3D打印技術(shù)將數(shù)據(jù)化的建模實體化,讓企業(yè)和客戶能直觀感受到預(yù)期生產(chǎn)效果,從而提出針對性修改或建設(shè)方案,提升交易成功率。

        3 結(jié)語

        綜上所述,3D打印技術(shù)在許多方面都有廣泛的應(yīng)用,發(fā)展空間廣闊。同時也存在一些缺陷,因而,相關(guān)人員需要圍繞材料供應(yīng)、產(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)應(yīng)用、提效降本等方面進行重點開發(fā)與研究,讓3D打印技術(shù)為社會各行各業(yè)的發(fā)展作出更多貢獻,為人們的日常生活提供更大的便利。

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