盡管激光 3D 打印設(shè)備展現(xiàn)出了的潛力和應(yīng)用前景,但在實際發(fā)展過程中,仍然面臨著諸多挑戰(zhàn) 。?
成本高昂是制約激光 3D 打印設(shè)備廣泛應(yīng)用的一大關(guān)鍵因素 。一方面,設(shè)備本身的價格不菲,一臺的激光 3D 打印機,其售價往往在數(shù)十萬元甚至上百萬元不等 。這對于許多中小企業(yè)和個人用戶來說,是一筆難以承受的開支 。另一方面,打印材料的成本也相對較高 。以金屬材料為例,用于 3D 打印的金屬粉末價格通常是傳統(tǒng)金屬材料的數(shù)倍甚至數(shù)十倍 。例如,316L 不銹鋼金屬粉的價格約為 450 元 /kg,而適用于航空領(lǐng)域的特殊金屬材料價格則更高 。此外,打印過程中的能源消耗、設(shè)備維護成本以及后期處理成本等,也都進一步增加了整體的使用成本 。?
打印速度慢也是一個亟待解決的問題 。相較于傳統(tǒng)的制造工藝,激光 3D 打印的速度相對較慢 。以制造一個中等尺寸的金屬零件為例,傳統(tǒng)鑄造工藝可能只需要幾個小時,而激光 3D 打印則可能需要數(shù)天的時間 。這主要是因為 3D 打印是通過層層堆積的方式來制造物體,每一層的打印都需要一定的時間,而且在打印過程中,還需要進行一些必要的輔助操作,如激光掃描、材料固化等,這些都會進一步延長打印時間 。雖然近年來一些新的技術(shù)和方法不斷涌現(xiàn),試圖提高打印速度,但目前來看,仍然無法滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求 。
工業(yè) 3D 打印,也稱為增材制造,是用于使用數(shù)字文件開發(fā) 3D 對象。工業(yè) 3D 打印使用連續(xù)分層材料的增材過程來創(chuàng)建對象。由于材料的和利用,3D打印在開發(fā)定制產(chǎn)品方面已獲得各行業(yè)的認可。由于材料浪費減少以及生產(chǎn)時間和成本降低,工業(yè)部門采用 3D 打印的情況有所增加。早些時候,3D 打印于快速生產(chǎn)原型。然而,隨著技術(shù)的進步和應(yīng)用的增加,3D 打印越來越多地用于工作條件下原型的功能測試和終產(chǎn)品的開發(fā)。工業(yè) 3D 打印技術(shù)的主要應(yīng)用是消費品、、航空航天和汽車等行業(yè)。
當(dāng)前,激光 3D 打印設(shè)備在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢,中美兩國在這一領(lǐng)域的競爭與發(fā)展備受矚目 。?
美國在激光 3D 打印技術(shù)方面一直處于世界地位,尤其在技術(shù)領(lǐng)域,如復(fù)雜金屬零部件的打印、生物 3D 打印以及人工智能輔助設(shè)計等方面,優(yōu)勢明顯 。美國的科研機構(gòu)和企業(yè)每年都會投入大量的資金用于研發(fā),不斷推動技術(shù)的創(chuàng)新和突破 。例如,美國的通用電氣(GE)公司在航空發(fā)動機零部件的 3D 打印制造方面取得了顯著成果,其采用 3D 打印技術(shù)制造的 Leap 發(fā)動機噴油嘴,已經(jīng)實現(xiàn)了批量化生產(chǎn) 。這些噴油嘴不僅性能,而且通過 3D 打印技術(shù)實現(xiàn)了復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計,提高了燃油噴射的效率和均勻性,從而提升了發(fā)動機的整體性能 。?
中國在激光 3D 打印領(lǐng)域也取得了長足的進步,雖然在部分技術(shù)上與美國仍有一定差距,但在應(yīng)用層面的普及和產(chǎn)業(yè)化方面表現(xiàn)出色 。中國擁有龐大的制造業(yè)基礎(chǔ)和市場需求,這為激光 3D 打印技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的空間 。在教育領(lǐng)域,許多學(xué)校引入 3D 打印設(shè)備,開展創(chuàng)新教育課程,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力 。在消費市場,3D 打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用于個性化定制產(chǎn)品的生產(chǎn),如定制化的珠寶、家居裝飾品等,滿足了消費者對于個性化和特性的追求 。在中小企業(yè)的定制化生產(chǎn)方面,3D 打印技術(shù)可以幫助企業(yè)快速制造出小批量、個性化的零部件,降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率 。?
在應(yīng)用領(lǐng)域,中美兩國在航空航天、醫(yī)療等關(guān)鍵領(lǐng)域的競爭尤為激烈 。在航空航天領(lǐng)域,美國通過技術(shù)封鎖和出口管制等手段,試圖保持其在關(guān)鍵技術(shù)上的控制地位 。然而,中國憑借著自身的努力和創(chuàng)新,在自主研發(fā)方面取得了重要成果 。中國已經(jīng)實現(xiàn)了激光立體成型的飛機構(gòu)件在飛機上的應(yīng)用,并且在不斷推進 3D 打印技術(shù)在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用 。在醫(yī)療領(lǐng)域,美國在復(fù)雜器官打印等技術(shù)上有所突破,而中國則在醫(yī)療器械和植入物等應(yīng)用領(lǐng)域的商業(yè)化進程中加速發(fā)展,通過 3D 打印技術(shù)制造的個性化醫(yī)療器械和植入物,已經(jīng)在臨床上得到了廣泛應(yīng)用 。
技術(shù)優(yōu)勢
:激光技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的制造精度和細節(jié),打印出的零件尺寸精度高,表面質(zhì)量好。
靈活性:能快速響應(yīng)設(shè)計變更和個性化需求,無需模具即可制造出各種復(fù)雜形狀的零件,縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。
材料利用率高:與傳統(tǒng)切削加工相比,材料浪費少,較為環(huán)保,降低了生產(chǎn)成本。
技術(shù)復(fù)雜性也是激光 3D 打印設(shè)備面臨的一個挑戰(zhàn) 。3D 打印涉及到多個學(xué)科領(lǐng)域的知識和技術(shù),如材料科學(xué)、光學(xué)、機械工程、計算機科學(xué)等 。這就要求操作人員不僅要掌握 3D 打印設(shè)備的操作技能,還需要具備相關(guān)學(xué)科的知識 。然而,目前這樣的復(fù)合型人才相對匱乏,這在一定程度上限制了激光 3D 打印技術(shù)的推廣和應(yīng)用 。此外,3D 打印過程中的工藝參數(shù)眾多,如激光功率、掃描速度、層厚等,這些參數(shù)的設(shè)置對打印質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響 。如何優(yōu)化這些工藝參數(shù),以獲得佳的打印效果,也是一個需要深入研究的問題 。?
材料的限制同樣不容忽視 。目前,適用于激光 3D 打印的材料種類仍然相對有限,而且這些材料的性能也有待進一步提高 。在塑料材料方面,雖然有多種塑料可供選擇,但它們的強度、耐熱性等性能往往無法與傳統(tǒng)的塑料成型工藝相媲美 。在金屬材料方面,一些的金屬材料,如鈦合金等,雖然具有的性能,但由于其熔點高、加工難度大等原因,在 3D 打印過程中容易出現(xiàn)裂紋、變形等問題,影響打印質(zhì)量 。此外,材料的兼容性也是一個問題,不同的材料在打印過程中可能會出現(xiàn)相互排斥或結(jié)合不牢固的情況,這也限制了多材料打印的發(fā)展 。?
五、未來趨勢瞭望臺
汽車領(lǐng)域:加速創(chuàng)新與個性化生產(chǎn)?
在汽車領(lǐng)域,激光 3D 打印設(shè)備就像是一位充滿創(chuàng)意的 “汽車設(shè)計師”,為汽車的研發(fā)和生產(chǎn)注入了新的活力,加速了汽車行業(yè)的創(chuàng)新步伐 。?
在零部件生產(chǎn)方面,激光 3D 打印設(shè)備展現(xiàn)出了的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的汽車零部件制造,往往需要制作昂貴的模具,而且生產(chǎn)周期長,成本高 。而 3D 打印技術(shù)可以直接根據(jù)設(shè)計模型,快速制造出零部件,無需模具,大大縮短了生產(chǎn)周期,降低了生產(chǎn)成本 。對于一些小批量生產(chǎn)的零部件或者定制化的零部件,3D 打印技術(shù)的優(yōu)勢更加明顯 。比如,汽車制造商可以利用 3D 打印技術(shù),快速制造出個性化的汽車內(nèi)飾件,滿足消費者對于個性化的需求 。據(jù)估算,采用 3D 打印技術(shù)制造零部件,生產(chǎn)周期可縮短 50% - 70%,成本降低 30% - 50% 。?
在汽車的原型設(shè)計階段,3D 打印技術(shù)也發(fā)揮著重要作用。設(shè)計師可以通過 3D 打印技術(shù),快速制作出汽車的原型模型,對設(shè)計進行驗證和優(yōu)化 。這使得汽車的研發(fā)周期大大縮短,能夠更快地將新產(chǎn)品推向市場 。例如,寶馬公司就大量使用 3D 打印技術(shù)來制作汽車原型,每年制作的 3D 打印原型件超過 1000 件,通過這種方式,寶馬公司的新車研發(fā)周期縮短了 20% - 30% 。
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