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3D新技术打印新世界【消息】

发布时间:2020-09-16 01:50:21 阅读: 来源:调节阀厂家

山西增材制造研究院在传统优势技术支持下,将高校和研究机构实验室中完成的新材料基础研究成果进行改性,满足不同3D打印性能要求

由“传统减材”到“新兴增材”

用3D打印出来的牙齿嚼东西,是不是很有新鲜感?患者拔牙后做一次“椎形束CT”,技术人员获取三维牙根数据,通过电脑软件设计,3D打印机就能用钛合金或氧化锆材料打印出与真牙一模一样的假牙。眼下,太原一家口腔医疗机构正与山西国控产业技术研究总院旗下增材制造研究院开展产学研合作,将3D设计模型转化为现实产品,私人定制为牙科带来精度高、成本低的口腔数据及产品。

3D打印学名为增材制造,是一种以数字模式文件为基础,运用金属、塑料等材料,通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术。在山西增材制造研究院3D打印展示室里,陈列着不同的3D打印机器和各种打印出来的成品,从造型别致的彩色运动鞋到构造复杂的仿制人体器官,从形状特殊的精密铸件到精致美观的家居摆件,让人由衷惊叹。

“这是航天产品零件?我还以为是一件艺术品。”记者眼中的零件复杂曲面、高度螺旋、镂空结构,依靠传统加工手段难以实现。

研究院院长宫涛向记者介绍,传统机械加工通过切削等方式对原材料进行减材制造,而增材制造则是将材料层层叠加,最终完成零件制造。3D打印在实体制造中优势显而易见,省去了冗长而昂贵的模具制造过程。以前生产一个模型,工程师往往需要先用计算机模拟,辅以人工用钢铁、石膏、粘土、木头等材质制造模具,产品在大规模生产前,还要进行多次打样和修改。而3D打印机能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,极大地缩短产品的研制周期,大幅减少成本投入,还能较精准地塑造复杂精细的造型。宫涛拿起一个切割开的零件说,像这样呈立体网状结构,工艺复杂繁琐,先进的制造方式可缩短生产周期70%,降低成本70%。3D打印在“增减”之间实现新突破。

突破新材料新工艺技术瓶颈

增材制造研究院于去年3月成立,在省科协的支持下,建立我国“3D打印之父”卢秉恒院士工作站,这也是卢院士在全国3D打印产业布局中唯一的材料研发平台,承担3D打印材料的创新研发和应用推广。

传统3D打印领域最基础、普及最广的材料是塑料。工程塑料具备良好热塑性,经过加热熔融后挤出冷却,构造出三维模型,强度高、韧性好,易加工特点被广泛利用。在单一塑料材质中加入添加剂,进行改性或与其他材料进行复合,性能会有大幅提升,打印制品的应用范围将大大拓展,甚至可以用作商品的最终零件。

山西省国控产业技术研究总院化工研究所在传统材料聚氨酯合成材料和助剂两大领域实力强大,一直走在全国前列。在化工所技术支持下,增材制造研究院将高校和研究机构实验室中完成的新材料基础研究成果,利用擅长的材料改性研究手段进行改性,满足实际应用的性能要求。他们开发出一系列热塑性打印耗材,具有良好的机械强度和耐候性、热稳定性,实现不同产品对不同强度的要求。特别是PA(尼龙)、TPU、PEEK等树脂,具有优异的拉伸强度和良好的柔韧性。部分树脂还具有较好的粘结性且容易预制成颗粒均匀的球形微细粉体,可作为激光烧结金属和陶瓷粉末的粘结剂。随着社会环保意识提高,可以生物降解的热塑性树脂也开始加入3D打印耗材行列。更为可贵的是,这些生物塑料大多具有良好的生物相容性,在医疗行业具有广阔的应用前景。

工程塑料材料实现了3D技术打印的普及程度,而金属和合金材料的应用决定了3D打印技术的高度,在特殊环境中,金属材料打印甚至应用于航空航天、工业制造。

记者在实验室里看到,一台3D打印机正在工作。伴随着电机嗡嗡低鸣,高能激光将钛合金粉末一点一点烧熔,金属粉末按数据模型指令以微米级精度一层一层堆积,逐渐形成一个造型复杂的精密铸件。春节前,一化工企业压缩机上的叶轮损坏,研究团队正在制定方案进行试制和修复。该技术通过在基材表面添加熔覆材料,利用高能密度激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法,在基材表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。理论上讲,在表面点蚀、磨损或局部失效的大型工程零件或叶轮进行激光熔覆修复,能恢复其形状、尺寸及功能,但实践上修复后的各项指标合不合格,还值得期待。

3D打印与传统铸造技术的结合,能补足3D打印韧性不足、易断裂的缺陷。“尤其在重型、大型装备制造方面,3D打印能推动大项目更有效率的进行,制造周期可缩至过去的1/3,材料利用率提升至80%。”宫涛说。

打造3D打印产业生态圈

“3D打印属于增材领域,材料发展是其物质基础,决定了打印的应用范围。”中北大学副校长、材料科学与工程学院教授白培康说。

在白培康看来,3D打印材料种类少,很难满足需求。目前增材制造材料仅百余种,而传统减材制造、等材制造的材料有数万种。其次,材料的性能还不够稳定,且材料的通用性比较差,难以达到工业需求的抗疲劳和高温耐久等特性,很多应用施展不开。我省的3D技术打印产业联盟将改变从事3D打印技术的科研机构和企业单打独斗局面,集中攻关解决关键性技术,为3D打印及材料研究奠定良好发展基础。

去年9月,国控集团联合南京中科煜宸和太原科技大学签约建设3D打印智能制造应用技术中心,项目建成后,更有利于拓展在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业和领域的创造型应用,也为开发更多样的3D打印材料打下坚实基础。

目前,增材制造研究院正积极申报国家增材制造创新中心,将站在更高层面探索产业化技术方案,最终将实验室中的小试研究成果,通过集成创新开发成能规模化生产的实用技术。同时针对整个产业链,在检测分析、标准、技术推广等方面提供面向全国的公共服务,在全国3D打印材料产业链中发挥承上启下的作用,形成将产业链前段的基础研究和产业链后段的产业化生产连接起来的应用技术研究中心。在卢秉恒院士的带领下,研究院与北京3D打印中心合作,积极参与国家重大专项“突破100种以上重点行业应用急需的工艺装备、核心器件及专用材料”“开展100个以上应用范围较广、实施效果显著的试点示范项目”。

本报记者 沈 佳

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